库水位变动条件下三峡库区复活型泄滩滑坡滑带抗剪强度变化规律研究

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【摘 要】颗粒级配对于土体残余抗剪强度变化特征影响显著。本文以泄滩滑坡滑带土为研究对象，人为配置不同颗粒级配在浸泡不同饱和时间条件下进行室内残余剪切试验。结果表明，颗粒级配对于试样残余抗剪强度及其参数影响显著。不同粒组中，砾石组和粘粒组对于残余抗剪强度的变化规律影响最大。土体残余内摩擦角、内聚力与砾石含量呈正相关性；与粘粒含量呈负相关性。此外，饱和时间对于残余抗剪强度也有显著影响。饱和时间越长，残余抗剪强度及其参数越小，其变化速率也随之减小。饱和20天后，其数值趋于稳定。

【关键词】残余抗剪强度 颗粒级配 饱和时间

【Abstract】Particle size distribution has significant influence on the residual strength of soil. This study aims to investigate the particle size distribution effect on slip soils from XIETAN landslide by testing the residual strength of artificial specimens with diverse particle size distribution and different saturation time. It was found that the residual strength and its parameters of slip soils are remarkably affected by grain composition， particularly the gravel fraction and clay fraction. The residual friction angle （r’） and residual cohesion （cr’） of samples have a positive correlation with gravel fraction and a negative relationship with clay content. In addition， saturation time also has a marked impact on residual strength values of slip soils. The residual strength and parameters are continuously lowered with longer saturation time in a slower changing rate. However， strength values of slip soils appear stable after 20 days.

【Key words】residual strength， grain size distribution， time of saturation

1 引言

三峡库区在调度蓄水过程中，引起库水位频繁变化，诱发大量地质灾害，滑坡便是其中最严重的一种。据不完全统计，三峡库区在175m水位范围内共有大小滑坡1190余个 ，各类变形体更是广泛分布[1]。泄滩滑坡位于湖北省秭归县泄滩乡长江左岸，为三峡库区较为典型的滑坡体之一。泄滩滑坡中滑体结构松散、透水性强。水库蓄水后，滑坡内地下水与库水之间水力联系密切，存在复活可能性。由于库区岸坡物质复杂， 多为土石混合体，岸坡稳定性分析的强度取值较为困难，因此有必要就库区颗粒级配对土体强度参数影响的规律性变化进行试验研究。

大量研究表明，土的残余强度受颗粒分布、界限含水率和矿物组成的影响较大[2]。早在上个世纪60年代，Skempton首次研究出粘土残余内摩擦角随粘土含量增加而减少[3]。相继出现大量研究指出土的各种特征对于土体残余强度的影响[4]，证实了细粒土的残余抗剪强度与界限含水率和粘土含量密切相关，通常随液限、塑性指数和粘土含量的增加而降低。

已有的研究成果，对于三峡库区滑坡的稳定性分析及渗流分析较多[5]，但是对其滑带土内部抗剪强度研究较少[6]，本文通过室内试验，研究人为配置不同颗粒级配，浸泡不同饱和时间条件下泄滩滑坡滑带土抗剪强度变化规律。

2试样及试验方法

2.1土样及试样制备

试验土样采自三峡库区泄滩滑坡的滑带部位。该滑坡是代表滑带切穿三叠系上统沙溪庙组、侏罗系下统桐竹园组软硬相间的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，石英砂岩强弱风化界面形成的大型滑坡。泄滩滑坡滑带土基本物理性质如表1所示，其原状滑带土为粉质粘土，土石比7：3―8：2，滑带呈可塑-软塑状，其主要粘土矿物为伊利石。

表 1 三峡库区泄滩滑坡滑带原土样的基本物理性质及粘土矿物含量

颗粒级配（%） 稠度指标（%） 粘土矿物及相对含量（%）

角砾 砂 粉砂 粘土 塑限 液限 塑性指数 伊利石 伊.蒙混层矿物 高岭石

（>2mm） （0.075-2mm） （0.005-0.075mm） （

35.73 39.85 16.85 7.57 27.5 19.0 8.5 58 13 29

为模拟不同级配对试样残余强度的影响，本次研究采用干样筛分方法 ，人为配制了4组具有不同颗粒级配的土样。本次试验以砾石含量和粘粒含量为主要指标，研究其抗剪强度的变化规律。配置方法是，将风干滑带土样分别过 2mm、0.075mm 两组筛 ，取过筛后粒径>2mm、2～0.075m和

表2 三峡库区泄滩滑坡滑带原土样的基本物理性质指标

颗粒组成 土样及其含量（%）

XT1 XT2 XT3 XT4

砾石含量 38 23 15 0

（>2mm）

砂粒含量 16 20 13 12

（0.075-2mm）

粉粒含量 29 36 39 43

（0.005-0.075mm）

粘粒含量 17 21 33 45

（

2.2试验仪器与试验方法

本研究均采用美国Geocomp公司生产的全自动直剪和残余剪试验仪RSI ShearTrac-Ⅱ进行直剪反复剪，固结慢剪（即饱和排水慢剪）的方式来测定土样的残余抗剪强度。本次试验中正应力选取为100、200、300、400 kPa，固结过程依据美国试验和材料协会（ASTM）试验规范（ASTM-D3080-98），采用的方法是固结从低荷载到高荷载，施压从高荷载到低荷载，剪切施压时从400kPa开始，依次卸载剪切。剪切过程中，为减少反复剪的次数，同时接近老滑坡已有滑面的真实情况，采用快剪剪出剪切面，此时剪切速率为14mm/min；回到初始位置后，再进行慢剪反复试验，正剪切速率为0.02mm/min，负剪切（回剪）速率为0.6mm/min。

试验前制备好的四组土样XT1、XT2、XT3、XT4（各级配含量如表2所示），分别装入剪切盒，每组6个土样。分别浸泡不同饱和天数（1D、5D、10D、20D、30D、60D）进行固结慢剪。

3结论分析与讨论

通过直剪试验，做出不同饱和时间下，各级配试样的残余抗剪强度包络线，如图1。可见，对于特定级配的试样，随着饱和时间的延长，各级压力下的残余强度都有所减小。 XT3和XT4的情况与之类似。

图1 XT1、XT2各不同饱和时间条件下的抗剪强度包络线

根据图1残余抗剪强度包络线，可得到不同颗粒级配在不同饱和时间条件下的抗剪强度参数，见下表3。同残余强度数值随着饱和时间的变化规律一样，残余强度参数也随着饱和时间增大而逐渐减小。同样的饱和时间条件下，试样残余强度参数随着粘粒含量的增加呈现明显的下降趋势。

表3 泄滩滑坡各级配不同饱和时间土样的残余抗剪强度参数

饱和

时间 XT1残余抗剪强度参数 XT2残余抗剪强度参数 XT3残余抗剪强度参数 XT4残余抗剪强度参数

内聚力（KPa） 内摩擦角（°） 内聚力（KPa） 内摩擦角（°） 内聚力（KPa） 内摩擦角（°） 内聚力（KPa） 内摩擦角（°）

1D 90 20.5 86 19.1 72 18.5 69 17.6

5D 78.5 19.3 78 17.6 67.5 15.8 64 14.8

10D 73 18.4 73.5 17.1 57 15.5 51 14.7

20D 74.5 16.3 69 16.3 46 15.1 37 14.1

30D 70.5 16.1 69.5 15.5 43.5 14.7 36 13.8

60D 66.5 15.7 67.5 15.2 39.5 14.5 33.5 13.7

4结果分析

从图2中可以看出，对于同一种级配，随饱和时间的增长，土样残余抗剪强度随之减弱。且随着饱和时间越来越长，其残余抗剪强度降低幅度减弱，到了30天之后，趋近于水平。

图3显示，残余内摩擦角及内聚力也都随着饱和时间的增加而呈减小趋势，在饱和20D之前变化趋势较明显，之后随时间增长变化速率降低，直至变化趋势近于水平。且在同一饱和时间状态下，砾石含量越多，粘粒含量越少，其内摩擦角和内聚力越大。残余内摩擦角的下降幅度在4～5°左右，内聚力的下降幅度在20Kpa左右。其变化幅度与饱和时间关系曲线如图5所示。

图4表示同一饱和时间条件下（1天），残余强度、内聚力与粒组的关系曲线。可见砾石含量越多（粘粒含量越少），其残余内摩擦角越大，内聚力亦越大。原因是由于粘土在砾石之间起了的作用，使得残余内摩擦角随着粘粒含量的增多而减小。由于砾石含量的增加， 相应地使土体的单位密度增大，颗粒之间的摩擦力作用随之增大，土体的抗剪强度大幅提高。

图2 XT各相同颗粒级配条件下饱和时间和剪应力关系曲线

图3 XT各颗粒级配条件下饱和时间和内摩擦角及内聚力的关系曲线

以饱和1D各土样为例（图4），其残余内摩擦角、内聚力都与砾石含量呈现显著的正相关性，与粘粒含量呈负相关性。

图4 饱和1D时，各土样残余内摩擦角、内聚力与粒组含量关系

图5 XT各颗粒级配条件下饱和时间和内摩擦角及内聚力变化幅度关系曲线

图5清晰地显示出各种颗粒级配条件下，内摩擦角和内聚力的变化幅度特征。颗粒级配对于残余内摩擦角的变化幅度的敏感性较弱；对内聚力变化幅度的敏感性较强。XT4较之其它土样的内聚力变化幅度较大，XT3次之，其原因是粘粒含量具有较强的结构性，其含量的变化直接影响土样的抗剪强度性质。饱和20D是曲线的一个拐点，在饱和20D之前，内摩擦角及内聚力的变化幅度都较大；在饱和20D之后，变化幅度减少，变化平缓。这一特点，可以通过图6看出。

图6 XT各颗粒级配条件下残余内摩擦角和内聚力占总降低量的百分比与饱和时间关系曲线

由图6可以看出，在饱和20D时，多数试样的降低程度都达到了总降低量的80%以上，饱和20D以后，变化程度明显减小。

另外，取每组做完残余剪切试验剪切面附近的土样做颗分试验，并与之前未剪切试样的颗分曲线进行对比分析，以下列举个例曲线说明。如图7。

图7 XT1试样剪切前和饱和30D 、60D剪切后土样颗分曲线对比图

由图6可以看出，剪切后的试样细粒土含量比剪切以前要大，这是由于XT1试样砾石含量较多，浸泡长时间使试样内部泥岩软化，剪切过程中将其粉碎。且饱和30D和饱和60D剪切两者颗分曲线相差不大。另外XT4剪切前后试样颗分曲线相差不大，在此不据图说明。

5结论

（1）饱和时间对于残余抗剪强度有明显的控制作用。饱和时间越长，其残余抗剪强度越小，并且随着饱和时间的增长，残余抗剪强度变化速率减小。

（2）对于同一饱和时间，同一颗粒级配的土样，其正应力越大，残余抗剪强度及其参数亦越大。

（3）颗粒级配对于土样残余抗剪强度及其参数有明显的控制作用。土体残余抗剪强度、残余内摩擦角、内聚力与砾石含量呈显著的正相关性，与粘粒含量呈负相关性。

（4）土样残余抗剪强度及其参数的变化幅度与颗粒级配关系密切。颗粒级配对于残余内摩擦角的变化幅度的敏感性较弱；对内聚力变化幅度的敏感性较强。粘粒含量对于内聚力的变化幅度影响较大。

（5）剪切完成后，土样的颗粒组成有明显变化。细粒土较之剪切前增加，粗粒土减少。且随着饱和时间的增长，其变化趋势减弱。

参考文献：

[1] 崔政权，曾新平.长江三峡工程库区库岸稳态及崩、滑体专论[R].武汉：水利部长江水利委员会综合勘测局，1996.

[2] Terzaghi， K.， Peck， R.B.， Mesri， G.， 1996. Soil Mechanics in Engineering Practice， 3rd edition. Wiley， New York. 549 pp.

[3] Skempton， A.W.， 1964. Long-term stability of clay slopes. Géotech-nique14（2），77C102.

[4] Skempton， A.W.， 1985. Residual strength of clays in landslides， folded strata and the laboratory. Géotechnique 35 （1）， 3C18.

[5] 魏进兵，邓建辉，高春玉 等.三峡库区泄滩滑坡非饱和渗流分析及渗透系数反演.岩土力学，2008， 29（8）：2262-2266.

[6] 李兴国，鄢重新.土的反复剪切及其残余强度[J].工程勘察，1984，3：55-58.

作者简介： 戚琦（1986―），男，辽宁营口人，硕士，助理工程师，主要从事水文地质、工程地质、环境地质研究。