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1、-/滑带土抗剪强度参数确定方法研究进展张建敏，陈传胜（中南林业科技大学，长沙 410018）摘 要：滑坡对工程建设的危害很大，常使交通中断，影响公路的正常运输。滑带土抗剪强度参数值的合理选定是正确进行滑坡工程分析和设计的关键，文章通过回顾国内外一些代表性工作，在综述了滑带土抗剪强度的五种特征强度及其相互关系的基础上，着重从滑带土抗剪强度参数的测试及估算方法上进行了分析，总结了各种方法的优缺点，并对取值方法中遇到的问题进行了探讨，旨在为选取滑坡抗剪强度参数提供新的思路及提高其取值精度提供一定的帮助。关键词：滑坡；滑带土；抗剪强度参数；残余强度滑坡是指斜坡上的土体或者岩体，受河流冲刷、地下水活动、
2、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或软弱带，整体或分散地顺坡向下滑动的自然现象。俗称“走山”、“垮山”、“地滑”、“土溜”等，是一种典型的地质灾害现象1。近年来，由于全球变暖，极端气候频繁出现，道路的建设等原因，滑坡等地质灾害发生的几率成倍增加，其危害不可估量：轻则损毁车站、铁路、公路、桥涵等交通设施，造成交通中断，影响道路的畅通；重则造成重大的人员伤亡，给人民的生命财产和国家的经济建设带来重大损失，因此滑坡的治理迫在眉睫2,3。国内外大量研究已证明滑坡的活动与否常常取决于滑带土的应力状态和强度的变化，这些变化又最终取决于滑带土的类型、微观结构特征、物质组分和形成机理等4
3、,5, 滑带土已成为滑坡研究的重要内容。滑带土抗剪强度参数的粘聚力(c)和内摩擦角()的确定是滑坡稳定性评价及滑坡治理工程设计中的关键问题。当值相差仅12时，推力可能成倍增加，参数的取值直接影响着滑坡推力的计算和整治工程方案的选定6。本文主要对滑坡滑带土抗剪强度的类型及其参数的确定方法，特别是残余强度方面的研究成果进行了总结和综述，并对其中一些问题进行了探讨，有助于进一步梳理滑带土抗剪强度参数确定方法的研究方向，提高抗剪强度参数的取值精度。1 滑带土抗剪强度类型 基金项目：中南林业科技大学青年基金重点项目(1010596)；中南林业科技大学引进人才基金项目(1040088)；湖南省教育厅科学研
4、究项目(10C1340)。作者简介：张建敏，女，硕士研究生，研究方向：水土保持工程。E-mail：有关滑带土强度特性的研究是滑坡研究中最重要的内容, 已经积累了非常丰富的研究成果, 如刘小丽等7 对此进行了系统的总结, 滑带土的研究内容主要包括5种特征强度：峰值抗剪强度（peak shear strength），残余抗剪强度（residual shear strength）,滑坡启动强度（mobilized shear strength）,完全软化强度（full softened shear strength）以及流变研究中的长期 图1 常法向应力作用下应力-位移曲线示意图抗剪强度(long-
5、term shear strength)等5种特征强度。Skempton8通过图1说明了滑带土的峰值强度、完全软化强度和残余抗剪强度的相互关系。到目前为止，有关滑带土强度特性的研究成果主要反映在其残余强度的研究上，以下主要对滑带土残余强度的研究成果作一简述。自Skempton9提出土应变软化过程最终阶段的“残余强度”并定义8为滑带土以缓慢剪切速率达到相当大的剪切位移条件下所达到的最小剪切强度值以后，国内外学者都意识和认识到它在老滑坡、泥石流滑坡、复活型滑坡、具有潜在滑动面（软弱结构面等）的新生型滑坡的稳定分析与设计以及滑（边）坡渐进性破坏的危险性分析中有着极为重要的意义10-14。由此对峰值强
6、度衰减至残余强度的特征15、残余强度的影响因素16-20、测定试验方法21-23、估算方法23-29及残余强度再生21-35进行了大量研究，得到了一些很重要的成果。例如，陈传胜36等认为考虑滑带土的再生强度不能脱离残余强度，并提出了基于不同有效垂直应力（滑动体覆盖厚度）采用相应的残余强度和再生强度参数的取值方法；田斌37 等认为残余强度是短期强度，再生强度是长期强度，指出在滑坡研究中必须合理区分滑带土残余强度与再生强度的使用场合。2 强度参数的测试及估算法滑带土抗剪强度参数的测试及估算方法各种各样，其主要依据多从塑性指数、液限、矿物成分、矿物颗粒组成、粘粒含量等影响滑带土抗剪强度参数的因素及通
7、过实际滑坡资料分析统计而得38，主要有五大类，即：试验法，经验数据法，工程类比经验法，反算法和加权平均法。这五类方法不是孤立的，而是相互联系的。2.1 试验法试验法包括室内试验和现场大面积剪切试验，室内试验分环剪试验，直剪试验和三轴试验，为了研究和测定滑坡土体符合实际受力状态强度参数，常将两者结合起来确定39。2.1.1 环剪试验20世纪初环状剪切仪已开始研究使用，其形式有毕肖普式22、伏斯列夫式、铁道科学院西北研究所X-75型等。环剪试验是将薄环形试样置于剪切环的上部和下部，保持垂直加载，固定上部，通过剪切环下部的旋转对试样进行环向剪切以获得土体的剪切强度和变形。试样的环形剪切，可在一定垂直
8、荷载作用下完成最大限度的变形，环剪试验装置原理图如图2所示。图2 环剪试验装置原理图环剪试验由于剪切时试样面积保持不变，垂直应力也是恒定的，并且可以作任意大位移剪切，从而使颗粒充分定向排列，可连续地测出土的应力与变形的优势，成为目前国内外公认的最适合的测定残余强度的方法。Gibo et al，Stark et al，Di M C等人通过环剪试验得到：排水残余强度与粘土颗粒定向排列、矿物成分、土中液体成分、粘土的种类和粘土颗粒的含量有直接关系10-14，而与土初始结构和应力历史无关。同时环剪试验也非常适用于对粘性滑带土的残余强度试验的测定40。环状剪切仪在发达国家被广泛使用，然而环剪试验也有设备
9、昂贵，操作较复杂，测定耗时长的缺点。2.1.2 直剪试验试验方法主要有：往复直剪，多次直剪，切面直剪，涂抹剪，天然滑面剪。由于试验操作简单，费用低廉等优点，往复直剪试验成为目前我国测定土的残余强度的最主要测试方法。但是从模拟滑坡实际情况来看，其具有较明显的缺陷：水平剪切位移量有限；剪切面面积不断变化；垂直应力随剪切位移变化而变化等。这些缺陷导致所测残余强度偏高， Bishop认为它是经验性的，而1973年Herbert提出，虽然它是经验性的，但所测的结果可以满足滑坡稳定性检算和抗滑工程设计的精度要求41。多次直剪用的是总应力法，在同一剪切面上进行多次剪切，使土颗粒达到充分定向排列，得出强度参数
10、。A. W. Bishop 40 曾经对瓦萨姆斯特纳地区五个不同点上的棕色粘土，用各种方法做过残余强度测定试验，结果其他方法较之环状剪切法测得的残余摩擦角大26。铁道部科学研究院西北研究所检算了二十几个滑坡，结果表明：用此法所得的强度参数进行滑坡稳定性检算和推力计算仍是较为理想的24。切面直剪试验简单，据日本西垣好彦试验证明：此法得到的残余强度与往复直剪相同。天然滑面剪是较为理想的实验方法，但取样及制样要求都很高，难度较大41。2.1.3 三轴试验三轴剪切试验最大的优点就是可以控制排水条件，所以在研究和应用中有以下几种测试方法：不固结不排水剪切 (UU)、固结不排水剪切 ( CU)、固结排水剪
11、切 ( CD) 试验。在应用中，应根据工程问题的性质来选择测试方法。除了这一优点，三轴剪切试验还具有剪切破裂面是自然破坏，是最大主应力面破坏或是软弱面破坏；在受力条件上，三轴试验是空间受力，这一受力条件更接近于土样的天然状态, 更真实等优点40。同时，三轴试验可以结合其他方法或软件更合理的求得抗剪强度指标。如利用线性回归方法，通过线性拟合p-q曲线或者拟合大小主应力的方法来求解抗剪强度参数42；基于非线性规划方法，利用Excel 软件，求解出目标函数的最优解，获取三轴试验的抗剪强度指标，并可以利用Excel图表进行绘图43，等。2.1.4 现场大剪试验现场大面积剪切试验更符合实际，可以直接反映
12、现场滑带土的情况，但野外试坑开挖、制样难，试验成本高等原因使得研究数量非常有限，目前所获得的成果大多是结合具体的工程，如三峡工程44。2.2 经验数据法大量试验表明滑带土残余强度参数与滑带土的物理性状密切相关，从而启发国内外学者在不利用环剪仪等精密设备的情况下，通过残余强度与土的各种物理性状指标的经验关系来估算（单因素估算和多因素估算）残余强度参数，这种方法称为经验数据法。当前这种研究大量集中在残余强度参数与岩土物理力学指标塑性指数、粘粒含量等的相关性方面8,9,15,17。而与影响残余强度最重要的因素滑带土微观结构的矿物成分间的相关性的研究并不多17,18。2.2.1 单因素估算意大利Jam
13、iolkowski和Pasqualini根据四十多组残剪试验资料的统计得出残余强度参数r与液限WL关系的经验公式40：r = 453.1WL-0.86；MA坎贾通过实际资料的统计得出r与塑性指数IP关系的经验公式24 ：r = 46.6/（IP0.446）；吴香根45根据12个滑坡的实际资料，建立了滑带土的综合内摩擦角与地形坡度角之间的直线关系；李青云等46通过试验得出碎屑岩类与碳酸岩类软弱夹层错动带的比表面积（B）与残余强度的相关关系式，分别为：内摩擦系数fr =1/(5.313-162.04/B)；fr = 0.832-0.0884InB。 2.2.2 多因素估算周平根等46统计得出宝塔滑
14、坡的r与IP、粘粒含量Pc的关系：r = 35.8 0.204Pc 1.266IP；我国铁道科学研究院西北研究所40从59个滑坡，91种滑带土，236组不排水多次剪切的试验资料，经数理统计得出pH7的碱性滑带土r的经验公式：lgr = 2.4278 1.2279lgIP 0.7713lgIL；日本学者Gibo et al47通过对含有配向性粘土矿物蒙脱石（St）高的滑带土进行环剪试验和矿物定向性射线衍射（XRD）试验，得到：蒙脱石（St）的定向度越高，r的值变得越小；r与Pc、r与St含有量、r与IP间都存在着显著的相关性，并给出了如图3所示的r与St含有量的相关性。但以上的结论都是以高含量S
15、t的滑带土为研究对象。Gibo 48又发现有些St含量非常低的滑带土却有低的r值，非定向性粘土矿物含量为主的滑带土r值高的现象。图3残余强度参数r与粒径小于0.420mm的土样中的蒙脱石（St）含量的关系图（Gibo,1992）由以上所述各公式和图可知，由于各人所得统计资料的局限性，所得的抗剪强度参数必然会有差异，所以需用其他方法所得的强度参数来一起予以综合考虑。2.3 工程类比经验法工程类比经验法往往是依据已经竣工及效果良好的防治工程的一些经验数据以及某些工程技术人员的经验，要求其地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、滑坡形态特征及形成机制与研究对象基本相同49。现列举部分地区类似地质条件的滑坡滑带土的强度指标：西南地区的紫红色砂粘土c=9.8kPa,= 6；华北地区的棕红色砂粘土(第三系地层风化物) c= 12.7 kPa ，=7；西南地区的杂色砂粘土(白垩系地层风化物) c=10.3kPa，=8等。但在研究过程中，工程类比经验法仅可以确定滑带的力学参数，定性确定数据，有些地方数据不多，工程技术人员的经验不足就可能出错，因而此法一般作为校验之用。2.4 反算法估算现场滑坡整体失稳强度即滑坡启动强度的
