青藏高原东缘滑坡灾害特征与危险性研究：次级滑带土环剪试验成果

与普通直剪试验相比，环剪试验能满足界面大变形、剪切过程中保持剪切面积不变、应力均匀分布等要求，可以较好地获取大剪切位移条件下岩土体的峰值强度和残余强度等力学参数（Skempton，1986；Sassa et al.，2004；杨志双等，2001；戴福初等，1998），对于斜坡稳定性分析以及滑坡防治具有重要的意义。本次环剪试验由中国科学院武汉岩土力学研究所采用日本诚研舍（SEIKEN.INC.）研制的DTA-138型土工环剪仪完成，该环剪仪的剪切扭矩为0～1k N·m，最终能提供的剪切速率为（0.0005°～100°）/min，可以通过控制面板对剪切速率进行精确控制。仪器所采用的试样尺寸为外径150mm、内径100mm、高20mm，试样的剪切面积为98.16cm2。DTA-138型环剪仪工作原理如图7-12所示。

（一）试验样品

试验样品分别采集于Ⅲ级滑坡后缘滑带土（S09）和滑坡前缘滑带土（S01）。滑坡后缘滑带土（S09）总体呈灰色、灰绿色，由于该滑带土处于滑坡后缘拉裂区，遭受改造和变形破坏相对较弱，因而滑带土颗粒相对较粗（图7-13、表7-4）。在样品处理时，先进行颗粒分析，剔除粒径大于5mm的颗粒，并采用塞环法测定粒径不大于5mm颗粒的天然容重和含水率。通过对该样品进行基本物理力学性质测试，天然含水率为5.85%，天然容重为1.94g/cm3，干容重为1.83g/cm3。

图7-12 DTA-138型环剪仪工作原理图

图7-13 滑带土粒度组成颗粒分析曲线

表7-4 试验样品颗粒分析结果

滑坡前缘滑带土（S01）总体呈蓝灰色，鳞片状，可塑，具滑感，含小岩屑。由于遭受了滑坡蠕滑运动的挤压和剪切作用，滑带土颗粒较细，黏粒含量较高。样品处理时，仅对少部分粒径大于5mm的颗粒进行剔除，余下样品即可进行环剪试验制样。通过基本物理力学性质测试，该样品平均含水率9.1%，天然容重2.24g/cm3，干容重2.07g/cm3。

（二）环剪试验方案

将前缘和后缘滑带土样品各制取3个试样，分别进行垂向压力为100k Pa、200k Pa和400k Pa的环剪试验。结合次级滑坡特征及其边界条件，采取了饱和固结不排水剪试验方案。在试验过程中，把称量好的试样分层（3等分）装入剪切盒并压实，每次装入上一层之前先刨毛下一层土的上表面，使每层试样之间更好地接触，并连接好其他装置。采用CO2驱气饱和法对试样进行饱和（Zhang et al.，2011），先通过进气阀向试样通CO2气体1h，驱除试样中的空气，再通过试样底部的进水管通蒸馏水4h进行饱和，之后施加垂向荷载排水固结，固结完毕后关闭进、排水阀门，以恒定速度0.1mm/min进行剪切，剪切时间27.27h，剪切距离约163.60mm，数据采集仪以1次/min的频率采集扭矩、垂向荷载及垂向位移等数据。

为了对比，还对前缘滑带土（S01）进行了不同含水量状态下的反复直剪试验和固结不排水三轴压缩试验，测试结果如表7-5所示。

表7-5 前缘滑带土不同含水量状态下的反复直剪试验和固结不排水三轴压缩试验结果

（三）剪切面特征

1.前缘滑带土的剪切面特征

图7-14 前缘滑带土试样在200k Pa垂直压力下的环剪试验特征

环剪试验表明，在各级垂向压力下，滑带土产生剪切破坏（图7-14）。从侧面观测剪切后的试样，可见厚约3mm的剪切带，局部裂口明显；剪切带上可见较明显的土颗粒运移和重排现象［图7-14（a）］。剪切后的试样黏性较强，难以整体取下，局部可沿剪切面分成上、下两部分。在剪切面上可以看到有明显的环形沟状剪切特征，局部存在凹凸不平的剪切带，表明滑带土颗粒沿剪切面发生了定向排列和长距离位移。剪切面附近片状矿物重排列现象较明显，片状矿物呈水平状分布，长轴方向与剪切方向基本一致［图7-14（b）］。同时发现前缘滑带土试样的剪切带出现明显的液化现象，这与胡明鉴等（2009）通过环剪试验得到易贡远程滑坡滑带土的剪切面呈液化状态类似。前缘滑带土的液化与其细粒物质含量高，但物理化学活性低且亲水性差密切相关。根据测试结果，前缘滑带土虽粒径小于0.075mm的细颗粒含量不低，达40%～60%，但黏粒含量仅为15%～25.6%，尤其黏土矿物为亲水性弱的绿泥石和伊利石，比表面积小，使其在动力作用下具有液化特性。这也是造山带片状变质岩区滑带土的共性。剪切带液化和片状矿物的定向排列是前缘滑带土剪应力峰值和残余强度差值较大的重要原因。

2.后缘滑带土的剪切面特征

后缘滑带土试样环剪试验后也产生明显的剪切破坏（图7-15），试样中部出现明显贯通的剪切带［图7-15（a）］；在试样与上部透水石接触部位有明显的拉裂现象，拉裂缝宽1～2mm，呈倾斜状，向下收敛于中部剪切面，试验结束后试样难以整体取下。后缘滑带土在环剪过程中未发生液化，但试样呈饱和状态，且出现淋水现象［图7-15（b）］，这可能与滑带土的粒度组成有关。

图7-15 后缘滑带土试样在100k Pa垂直压力下的环剪试验特征(www.xing528.com)

（四）滑带土的抗剪强度特征

1.前缘滑带土的抗剪强度

从前缘滑带土试样剪应力-位移曲线（图7-16）可以看出，环剪试验开始后，随着剪切位移的增加，土体的剪应力值急剧上升，达到峰值后，剪应力呈小幅度的波浪状下降，总体呈应变软化型。在100k Pa、200k Pa、400k Pa压力下的应力-位移曲线表明，一方面，随着垂向压力的增大，样品中的剪应力峰值、残余强度也随之增大。另一方面，在垂向压力较低（100kPa）时，残余强度与峰值强度差值不大，随着垂向压力的增加，残余强度与峰值强度之间的差值明显增大（图7-16），即试样达到峰值强度后，剪应力值降低的幅度随着垂向压力的增大而加剧。抗剪强度指标与垂向压力之间的关系曲线表明，峰值强度与垂直压力之间呈明显的线性关系（图7-17），通过线性回归，求得黏聚力c值为11.65kPa，内摩擦角ψ值为29°；但残余强度与垂向压力之间的线性关系较弱，求得残余黏聚力cr值为10.67kPa，内摩擦角ψr值为22°（表7-6）。

图7-16 前缘滑带土环剪试验剪应力-位移曲线图

图7-17 前缘滑带土剪应力-垂直压力曲线图

表7-6 滑坡前缘和后缘滑带土的环剪试验强度结果表

2.后缘滑带土的抗剪强度

后缘滑带土试样在100kPa、200k Pa、400kPa等各级垂直压力下的剪应力与剪切位移曲线（图7-18）也显示出，随着垂直压力的增大，样品中的峰值强度、残余强度也随之增大。但是，土体的剪应力达到峰值后，呈小幅度的波浪状起伏，且部分曲线略有上升趋势，这可能与后缘滑带土颗粒较粗、大小不均匀及颗粒重分布等因素有关，即剪应力波浪状起伏是由剪切面附近较大颗粒发生大位移、定向排列及颗粒相互咬合等因素引起的，也表明在后缘滑面部位剪切破坏的细粒化作用较弱。

后缘滑带土的抗剪强度和残余强度指标与垂直压力之间也呈明显的线性关系，通过线性回归，求得后缘滑带土的抗剪强度为：黏聚力c值为27.52kPa，内摩擦角ψ值为41°；残余强度中，残余黏聚力cr值为9.3k Pa，残余内摩擦角ψr值为40°（图7-19）。可见，抗剪强度与残余强度差值较大，表明后缘滑带土在现今条件下可以提供较大的抗滑力，但是一旦滑体蠕滑速率加大或发生较大位移，其提供的抗剪强度将迅速降低。