2. 吉林大学建设工程学院, 长春 130026
2. Construction Engineering College, Jilin University, Changchun 130026, China
0 引言
在针对滑坡的研究当中，对滑坡发生高速远程运动机理的研究是工程地质和岩土工程领域重要的研究课题之一。目前，滑坡灾害中有关土的力学性质研究主要集中于对滑带土工程特性和强度参数的测定方面, 即通过对不同滑带土进行各种直剪试验、反复剪切试验、三轴试验、压缩试验、X射线衍射分析以及电镜扫描等研究，揭示滑带土的矿物组成和微观结构以及抗剪强度指标的变化规律，进而探讨滑坡变形破坏的力学机制及其发生机理[1-5]。上述研究对于揭示不同类型滑坡内土体力学性质及其对滑坡活动的影响等起到了积极的推动作用。但是，这些研究都仅是针对具有相同物性条件的单一滑带土体开展研究，而对于滑体与其他具有不同物性条件的岩土介质在相互接触滑动过程中剪切力学特性的研究还鲜有涉及。实际上，滑坡的发育、发生以及运动是滑体沿滑动带(面)和一定滑动路径上发生的长距离大剪切过程。这一大剪切过程涉及滑体与不同岩土体之间复杂的力学作用，并且对滑坡体失稳破坏及其运动过程产生影响和起控制作用。例如，在陕西泾阳南塬地区分布有大量具有高速远程滑动特点的黄土滑坡，地质勘查表明，在滑动过程中，该黄土滑坡的黄土与其滑动路径上分布的河流阶地砂组成的二元结构内存在双层滑动液化现象[6]。这一滑动液化现象的产生过程与不同受力和排水条件下砂-黄土所组成的异质土的剪切力学性质有关，并可能是诱发滑体发生高速远程滑动的主要原因[7]。
此外，在以往有关滑坡土力学性质的研究当中，由于试验仪器在功能和方法上的局限性，其试验结果并不能很好地反映土在大剪切位移条件下诸如颗粒定向排列、粒子破碎、孔隙水运移以及变形局部化发展等情况，因而相关的试验研究及其结果无法反映滑坡活动的实际情况。目前，随着土工试验设备加工技术的进步，国内外科研机构不断开发出能够模拟实际滑坡破坏、运动条件和可进行土连续剪切的环剪试验设备及其试验方法，并将其应用于土力学与滑坡灾害的分析研究当中[8-15]，这为研究土在大剪切位移条件下的力学特性提供了可靠的试验手段。但是，由于我国环剪试验设备数量较少，目前针对我国地质灾害当中遇到的剪切带(面)处土力学特性的研究还很不充分。
本项研究利用大型高速高压环剪试验设备，进行了在不同受力条件和剪切速率下砂-黄土界面剪切力学性质的探索性试验研究；以期为进一步深入开展针对实际滑坡灾害中各种土在复杂应力条件下的大剪切力学特性提供技术支持，也为深入揭示滑坡灾害的本质特征提供理论依据。
1 试验仪器及内容 1.1 试验仪器本研究所采用的试验设备是由日本京都大学防灾研究所研制的DPRI-3型大型高速高压环剪仪，其主要由动力系统、试验系统以及控制系统三部分组成。其中试验系统主要包括环形剪切盒(上、下剪切环)和剪切面孔隙水压力监测系统(孔压传感器)(图 1)。环形剪切盒由内外环组成，剪切盒内外直径分别为21 cm和31 cm，剪切盒内土体平面剪切面积为408 cm2；最低剪切速率为0.001 cm/s，最高剪切速率可达30 cm/s，最大可以施加500 kPa的法向应力。与其他常规土工试验方法相比，该环剪仪可在剪切过程中保持土样剪切面积不变，而且在连续位移条件下进行剪切试验[16]。
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| 图 1 DPRI-3型环剪仪 Fig. 1 DPRI-3 ring shear apparatus |
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试验用土样分别选用性质差异较大的中国ISO标准砂和西北典型第四纪黄土。其中黄土试样取自陕西泾阳南塬东风滑坡，根据《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007)[17]，该黄土属于粉质黏土。本项研究选取标准砂和黄土作为试样的主要原因是其组成单一、力学性质和机理相对简单清楚、具有一定的代表性，因此有利于对由其组成的异质土剪切力学性质进行对比分析，并可保证研究结果的可靠性和稳定性。标准砂和黄土的各项物理性质指标分别见表 1和表 2。
| emax | emin | d60/mm | d50/mm | d30/mm | d10/mm | Cu | Cv |
| 0.66 | 0.39 | 0.66 | 0.50 | 0.24 | 0.11 | 5.991 | 1.006 |
| 注：emax.最大孔隙比；emin.最小孔隙比；d60，d50，d30，d10.土粒质量分数分别为60%，50%，30%，10%时土的粒径；Cu.不均匀系数；Cv.曲率系数。 | |||||||
| 干密度/(g/cm-3) | 密度/(g/cm-3) | 液限/% | 塑限/% | 塑性指数 |
| 1.59 | 1.78 | 29.16 | 18.25 | 10.91 |
通过进行不同法向应力(σ)和不同剪切速率(r′)条件下的环剪试验，主要研究不同排水条件下砂-黄土界面的剪切力学特性。试验具体步骤如下：1)试验前先将取得的黄土试样烘干，碾碎后过5 mm标准筛，然后加蒸馏水饱和备用。试验时首先将制备好的饱水黄土试样装入剪切盒内，加上部剪切盘在设定的法向应力下对其进行排水固结，直至土体内孔隙水压力及其垂直沉降量保持不变为止；然后进行设定剪切速率的剪切试验，待黄土试样形成连续滑动剪切面以及剪切应力达到稳定后停止剪切，此时黄土试样已经在剪切盒中部位置被剪切破坏并在土体内形成连续贯通的剪切破坏面(图 2a)；接下来将剪切破坏面上部黄土试样移除，但保留剪切盒下部的黄土试样(图 2b)。2)重新安装外部上剪切环并固定，将标准砂试样装入保留着黄土试样的剪切盒内(图 2c)并加盖上部剪切盘(图 2d)；通过进水管对剪切盒内土体注入去离子水，然后打开剪切盒上部排水装置阀门；当上部排水管在排水过程中无气泡产生且水流速度平稳时，即表示砂土处于饱和状态。此即为砂-黄土组成的混合土样(异质土)。3)先以与第1)步单一黄土试样相同的法向应力对砂-黄土组成的混合土样(异质土)重新进行排水固结，直至监测到的土样内孔隙水压力与垂直沉降量保持不变；然后以与第1)步单一黄土试样相同的剪切速率进行剪切试验。试验共分18组进行，其中不排水和上部排水剪切试验各9组。本项研究中法向应力分别选取100、200、300 kPa，剪切速率分别设定为0.01、0.10、1.00 cm/s。
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| a.黄土剪切后上部试样形态(去掉上部剪切环)；b.黄土剪切后下部剪切盒内土样形态；c.重新装入标准砂试样后剪切盒内土样形态；d.最终剪切箱内土样形态。 图 2 砂-黄土界面 Fig. 2 Sand-loess interface |
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此外，为了与砂-黄土界面剪切力学特性进行对比分析，在与上述环剪试验相同的应力条件和剪切速率条件下对单一标准砂进行了上部排水环剪试验。
2 试验结果与分析 2.1 试验结果图 3为不同排水(不排水、上部排水)条件下单一黄土、单一标准砂、砂-黄土组成的异质土在相同法向应力与剪切速率条件下的剪切应力变化曲线。从图 3可以看出，不同排水条件下各种土的剪切应力与剪切位移关系曲线在形态上具有明显的差异：对于不排水条件下的单一黄土，在法向应力为100、200kPa时其剪切应力随剪切位移的增大而增大，在达到峰值强度后趋于稳定(图 3a，b，d，e，g，h)；但在法向应力为300 kPa时，其剪切应力在达到峰值后出现一定程度的降低(即应变软化)(图 3c，f，i)；在剪切盒上部排水条件下，单一标准砂的剪切应力亦随剪切位移的增大而增大，在达到峰值强度后趋于稳定值，其剪切应力值显著小于单一黄土；在剪切盒上部排水与完全不排水条件下，砂-黄土组成的异质土剪切应力变化均表现为在极短的剪切位移内迅速上升至峰值强度，随后出现明显的应变软化现象，最后剪切应力趋于稳定，不同排水条件下砂-黄土组成的异质土的剪切应力均远小于单一黄土和单一标准砂(图 3)。
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| 图 3 不同排水条件下单一黄土、单一标准砂、砂-黄土的剪切应力-剪切位移关系曲线 Fig. 3 Variation of shear stress of single loess, single sand and sand-loess under different drainage conditions |
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图 4为单一黄土不排水、标准砂上排水、砂-黄土上排水和砂-黄土不排水在剪切速率分别为0.01、0.10、1.00 cm/s时对应的抗剪强度与法向应力的关系曲线。由图 4可见，在相同剪切速率条件下，各种土的抗剪强度均随着法向应力的增大而增大；抗剪强度与法向应力之间均具有良好线性相关性(R2> 0.700, R为相关系数)，其强度变化趋势均符合摩尔-库伦定律。
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| 图 4 不同剪切速率不同排水条件下单一黄土、单一标准砂、砂-黄土抗剪强度与法向应力关系曲线 Fig. 4 Curves of shear strength and normal stressof single loess, single sand and sand-loess under different drainage conditions and different shear rate |
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从图 4还可知，在相同剪切速率条件下，与单一黄土、单一标准砂相比，砂-黄土抗剪强度明显偏低。统计结果显示，在不同剪切速率(0.01、0.10、1.00 cm/s)下，砂-黄土在上部排水条件下的平均抗剪强度比单一黄土分别低71%、78%、85%，比单一标准砂分别低51%、63%、76%；砂-黄土的在不排水条件下平均抗剪强度比单一黄土抗剪强度分别低86%、88%、89%，比单一标准砂分别低78%、79%、83%。并且降低幅度随剪切速率的增大有增大的趋势。从图 4也可看出，单一黄土在不排水条件下，其抗剪强度明显高于标准砂在上排水条件下的抗剪强度。
2.2.2 剪切速率对抗剪强度的影响表 3为不同排水条件下单一黄土、单一标准砂、砂-黄土在不同剪切速率下的抗剪强度指标汇总。由表 3可知：不排水条件下单一黄土在各剪切速率下的黏聚力和内摩擦角均较大；随着剪切速率的增大，其黏聚力增大，其中1.00 cm/s速度下的黏聚力比0.01 cm/s速度下的黏聚力大1.11倍，而其内摩擦角有随剪切速率减小的趋势。这一结果表明，构成黄土抗剪强度重要组成部分的土体黏聚力在快速大剪切条件下受剪切速率的影响较显著。从表 3也可知，上部排水条件下单一标准砂黏聚力为0.00 kPa但其具有较大的内摩擦角，其抗剪强度主要与土体颗粒间的摩阻力有关，而且其内摩擦角随剪切速率变化幅度很小，表明剪切速率对标准砂强度的影响不明显。与单一黄土相比，砂-黄土组成的异质土的黏聚力和内摩擦角均有明显的减小。其中：在上部排水条件下，砂-黄土组成的异质土的黏聚力和内摩擦角受剪切速率影响显著，其黏聚力和内摩擦角均随剪切速率的增大而减小，0.01 cm/s速度下的黏聚力比1.00 cm/s速度下的黏聚力大79.0%，而内摩擦角大76.8%。在不排水条件下，砂-黄土的黏聚力随剪切速率的增大而减小，内摩擦角随剪切速率增大而增大, 但变化幅度不大。
| 土样及排水类型 | 黏聚力/kPa | 内摩擦角/(°) | |||||
| r′=0.01 cm/s | r′=0.10 cm/s | r′=1.00 cm/s | r′=0.01 cm/s | r′=0.10 cm/s | r′=1.00 cm/s | ||
| 单一黄土不排水 | 13.60 | 20.80 | 28.80 | 28.70 | 28.00 | 27.40 | |
| 标准砂上部排水 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 19.70 | 19.90 | 22.70 | |
| 砂-黄土上部排水 | 14.20 | 10.50 | 7.93 | 6.33 | 4.94 | 3.58 | |
| 砂-黄土不排水 | 13.97 | 11.97 | 10.80 | 0.91 | 1.08 | 1.20 | |
对上述抗剪强度指标变化情况的对比表明，不同排水条件下单一黄土、单一标准砂、砂-黄土组成的异质土的抗剪强度产生和变化存在显著的差异，并且不同因素对其力学机理产生不同的影响。土的剪切力学特性与诸多因素有关，如土的颗粒成分、结构、应力状态、应力历史以及试验方法(排水与不排水、剪切速率)和技术等，因此导致各种土抗剪强度发生变化的原因非常复杂。
对于本项研究中上部排水条件下的单一标准砂而言，其抗剪强度主要与剪切过程中土颗粒间的摩阻力和孔隙水压力变化等有关，特别是由于仅对其进行上部排水剪切，导致其内部孔隙水压力在剪切过程中未能充分排出，进而导致其抗剪强度明显低于单一黄土的抗剪强度。
作为一种黏性土，黄土在正常固结状态下抗剪强度的强弱主要与土体本身的矿物成分、含水状态、颗粒运移和排列以及剪切面形态变化等有关[18-19]。洪勇等[15]的研究表明，在不同含水状态下黄土剪切力学特性变化规律具有不同的产生机理。其中，干燥黄土抗剪强度在连续剪切过程中主要受黏土颗粒间摩阻力作用、颗粒运移与定向排列以及剪切面形态的控制。与干燥黄土相比，饱和黄土(含水率>20%)在大剪切位移条件下出现应变软化现象，其峰值抗剪强度变化主要受土黏聚力的控制并受水的影响作用；土体内水的作用能够加剧其应变软化程度并可形成光滑平整的剪切面形态，进而对其峰后剪切应力变化产生影响。
本研究中的黄土试样在试验后测得含水率约为12%，处于非饱和状态，其抗剪强度主要受剪切过程中土体内部黏聚力和摩阻力的共同影响作用，在剪切应力变化曲线上主要表现为黄土的应变硬化特性。
通过本项研究发现，在不同排水条件下由标准砂与黄土组成的异质土在相互接触剪切过程中其抗剪强度主要与土体内的黏聚力有关，其剪切应力变化形态和强度与单一黄土、单一标准砂之间存在显著差异。图 5为不同排水条件下砂-黄土在不同剪切速率下的剪切应力与剪切位移的关系曲线。由图 5可知，在相同剪切速率条件下，尽管剪应力在数值上不同，但上部排水与不排水条件下砂-黄土的剪切应力变化形态基本相似，都出现了明显的应变软化现象。Skempton[19]的研究表明，当土体内黏粒含量较高时，正常固结饱和黏性土在剪切过程中将会出现明显的峰后应变软化现象，并且这种应变软化现象主要与黏土颗粒沿剪切方向定向排列有关。图 5表明，由砂-黄土组成的异质土在其界面剪切过程中，呈现出了黏性土的剪切力学特征。但是，在不同排水条件下其峰后剪切应力变化形态又略有不同。如图 5d，e，f所示，在不排水条件下砂-黄土的剪切应力-剪切位移关系曲线总体上符合应变软化特征，但剪切应力在过峰值陡降后都出现一个明显的增大过程，增大到一定值后又趋于稳定。这种不同排水条件下砂-黄土组成的异质土在峰后剪切应力变化形态上的差异，应该与砂-黄土接触剪切带(面)处土体相互作用和结构变化有关。
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| 图 5 不同排水条件下砂-黄土的剪切应力-剪切位移的关系曲线 Fig. 5 Variation of shear stress of sand-loess under the different drainage conditions |
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图 6为砂-黄土界面剪切带(面)形态及其组成示意图。从图 6a中可以看到，当标准砂与黄土相互接触剪切完成后，在两种土体之间的剪切面附近形成一定厚度的混合土层。该混合土层由标准砂在法向应力作用下嵌入到黄土中所组成，其相较于其他部位土体更加密实，厚度约0.5 cm；且剪切面位于靠近混合土层下部的黄土体内(图 6b)。
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| 图 6 砂-黄土界面剪切带(面)破坏形态及其组成示意图 Fig. 6 Sand-loess interface shear zone (surface) and its composition schematic |
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在不排水与上部排水条件下，砂-黄土界面剪切面处的孔隙水压力变化明显不同。不排水条件下的剪切过程中，砂-黄土界面处孔隙水压力保持不变；而在上部排水条件下，砂-黄土剪切面处的孔隙水压力随剪切过程逐渐减小。尽管在两种排水状态下孔隙水压力变化显著不同，但是在排水和不排水条件下砂-黄土剪切应力变化形态基本相同。这表明孔隙水压力的变化对砂-黄土剪应力的变化形态影响不大，仅对其剪切应力数值产生影响作用。这也证明砂-黄土之间的剪切面位于接近砂-黄土界面下的黄土内而非上部砂土内。而应变软化现象的产生也证明砂-黄土组成的异质土体间的接触剪切力学特性呈现出更接近正常固结饱和黄土的力学特征。
与单一黄土和标准砂相比，导致不同排水条件下砂-黄土的力学性质产生差异主要与剪切面处砂-黄土间的相互作用有关。在不排水条件下，砂-黄土剪切力学特性更接近于饱和黄土的力学性质，其抗剪强度主要受土体黏聚力的控制；主要表现为土体具有一定的黏聚力，但内摩擦角很小(表 3)。在上部排水条件下，砂-黄土剪切力学特性除受黏聚力的影响，还受到剪切面处混合土层内砂土颗粒的影响作用；主要表现为土体具有一定的黏聚力和内摩擦角(表 3)。此外，如前所述，砂-黄土界面抗剪强度远低于单一黄土和标准砂的抗剪强度值，这主要与不同条件下异质土剪切面处土体内孔隙水状态有关。在快速剪切过程中，由于黄土的透水性远比砂土差，异质土在接触界面处形成隔水层。在上部排水剪切过程中孔隙水在砂-黄土剪切带(面)处集聚，从而导致靠近砂-黄土界面处黄土的含水量相较于其他部位黄土的含水量大。这种在界面处黄土含水量的增大对其黏聚力和摩擦力均产生影响作用，进而影响砂-黄土的剪切力学性质。在不排水剪切过程中，由于土体内孔隙水无法排出导致砂-黄土界面处黄土的含水量相较于上部排水条件下进一步增加，故其强度比排水剪切过程中砂-黄土的抗剪强度更加降低。
4 结论1) 在不同排水条件下，由标准砂与黄土组成的异质土在相互接触剪切过程中，剪切应力变化形态和抗剪强度与单一黄土、标准砂之间存在显著差异。
2) 在相同剪切速率条件下，砂-黄土在不同排水条件下的平均抗剪强度比单一黄土、单一标准砂的平均抗剪强度显著降低，并且降低幅度随剪切速率的增大有增大的趋势。
3) 砂-黄土组成的异质土在其剪切过程中，由于剪切面位于靠近混合土层下部的黄土体内，因此其呈现出了黏性土的剪切力学特征。
4) 导致不同排水条件下的砂-黄土剪切力学性质产生差异的主要原因与剪切面处砂-黄土间的相互作用以及剪切面处土体内孔隙水状态有关。
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