基于環(huán)剪試驗(yàn)的含鈣質(zhì)結(jié)核古土壤剪切特性

姜程程，范 文，苑偉娜

（1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.長(zhǎng)安大學(xué)西部地質(zhì)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

黃土主要分布在北半球的中緯度干旱及半干旱地帶[1-2].中國(guó)作為黃土主要分布區(qū)之一，覆蓋面積達(dá)44 萬(wàn) km2.據(jù)調(diào)查[1]，每年有 1/3 的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在黃土地區(qū)，滑坡災(zāi)害尤為發(fā)育.黃土中碳酸鹽成分占10% 左右，導(dǎo)致黃土在降雨和氣候干濕交替過程中形成一些鈣質(zhì)結(jié)核顆粒，這些鈣質(zhì)結(jié)核主要產(chǎn)出于黃土中的古土壤層底部、古土壤淋溶層之下一定深度的黃土中或分散于黃土層中[3].在 Q2古土壤層上部的鈣質(zhì)結(jié)核一般較小，稀疏分布.鈣質(zhì)結(jié)核直徑通常大于土顆粒，由于鈣質(zhì)結(jié)核的存在，使得土層具有特殊的物質(zhì)形態(tài)、結(jié)構(gòu)組成和顯著的非均勻性特點(diǎn)[4]，其工程性質(zhì)、強(qiáng)度和變形特性也有別于碎石土和黏性土[5-6]，具有特殊的工程性質(zhì)，屬于區(qū)域性特殊土.在黃土滑坡中，鈣質(zhì)結(jié)核土的剪切特性會(huì)影響古土壤的主要物理力學(xué)指標(biāo)和細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征等[4]，導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生不同剪切帶破壞形態(tài)，影響邊坡穩(wěn)定性.

目前，多采用環(huán)剪儀研究大位移條件下土剪切力學(xué)特性[7].環(huán)剪儀最大的優(yōu)點(diǎn)是在剪切過程中，能保持沿一個(gè)方向的剪切面面積恒定，且試樣可在連續(xù)位移條件下剪切[8]，不僅可準(zhǔn)確測(cè)定土殘余強(qiáng)度，還能更好研究土剪切帶特性及剪切破壞機(jī)制[9].

殘余強(qiáng)度是土應(yīng)變軟化過程的最終強(qiáng)度值，在分析邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及分析滑帶土工程特性等研究中具有重要作用.殘余強(qiáng)度的測(cè)定主要有試驗(yàn)法和反分析法，其中，環(huán)剪試驗(yàn)是最為準(zhǔn)確的測(cè)定方法之一[7].土殘余強(qiáng)度受多因素控制，對(duì)不同應(yīng)力水平、黏粒含量等條件下的原狀土和重塑土進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)，結(jié)果表明：試樣的殘余強(qiáng)度、顆粒定向排列等與黏土顆粒含量有關(guān)，而與土初始結(jié)構(gòu)和應(yīng)力歷史無(wú)關(guān)[10].因此，原狀土難以制取時(shí)，可采用重塑土研究殘余強(qiáng)度特性.

抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)分析斜坡穩(wěn)定性和滑坡防治極其重要.前人研究大多集中在含水量、剪位移及剪切測(cè)試方法上[11]，少有分析鈣質(zhì)結(jié)核含量的影響.

對(duì)含鈣質(zhì)結(jié)核古土壤的研究主要集中在分布規(guī)律、成因分析、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及礦物組成等方面[12-13].近些年，在物理力學(xué)特性方面也有研究：通過現(xiàn)場(chǎng)靜力荷載試驗(yàn)確定土的承載力；通過大型直剪儀進(jìn)行含鈣質(zhì)結(jié)核古土壤的強(qiáng)度試驗(yàn)[14]，由于直剪儀本身的弊端，其結(jié)果并不理想；通過常規(guī)三軸試驗(yàn)，分析不同含水量和鈣質(zhì)結(jié)核含量下含鈣質(zhì)結(jié)核古土壤強(qiáng)度及變形特性[15].通過這些結(jié)果分析雖提高了對(duì)含鈣質(zhì)結(jié)核土物理力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)，但它們無(wú)法充分顯示在大變形下含鈣質(zhì)結(jié)核古土壤的剪切特性，特別是研究不同外部荷載及鈣質(zhì)結(jié)核含量下所表現(xiàn)出的力學(xué)特性及剪切特性.

通過大剪切位移條件下含鈣質(zhì)結(jié)核古土壤的環(huán)剪試驗(yàn)，改變軸應(yīng)力大小，研究土樣在不同鈣質(zhì)結(jié)核含量下的剪切力學(xué)特性，分析大變形條件下應(yīng)力應(yīng)變及剪切強(qiáng)度特性，探討含鈣質(zhì)結(jié)核古土壤剪切破壞面形態(tài)特征及顆粒破碎規(guī)律，為含鈣質(zhì)結(jié)核黃土滑坡災(zāi)害發(fā)生機(jī)理及災(zāi)害控制提供理論基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)采用美國(guó) GCTS 公司研制生產(chǎn)的 SRS-150 動(dòng)態(tài)土工環(huán)剪儀（單環(huán)式），如圖 1 所示.該儀器主要由控制柜和試樣盒兩部分組成，軸向荷載由氣壓伺服控制，扭矩由電機(jī)伺服施加.將扭矩施加在空心圓柱狀土樣上，使試樣產(chǎn)生剪切變形和剪切破壞，以此來(lái)測(cè)定試樣的殘余強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度與剪切位移之間的關(guān)系.軸應(yīng)力和剪切應(yīng)力最高可達(dá) 1 MPa，剪切速度可設(shè)置區(qū)間為 0.001°/min～360.000°/min，剪切角為 ±360°.該儀器可實(shí)時(shí)測(cè)得試驗(yàn)時(shí)間、剪切速率、軸向位移、剪切位移、軸應(yīng)力、剪應(yīng)力等參數(shù).應(yīng)用該儀器可準(zhǔn)確測(cè)得大剪切位移條件下含鈣質(zhì)結(jié)核古土壤的殘余強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù).

圖1 SRS-150 環(huán)剪儀Fig.1 Ring shear apparatus of type SRS-150

1.2 試驗(yàn)土樣

經(jīng)野外調(diào)查，涇陽(yáng)南塬寨頭村滑坡具有含鈣質(zhì)結(jié)核古土壤滑動(dòng)面，選為試驗(yàn)土樣.取土深度 21～22 m，為晚更新世 S2古土壤，呈褐紅色，黏性較大，質(zhì)地均一，可見鈣質(zhì)結(jié)核.通過試驗(yàn)確定土樣的物性參數(shù)，如表 1所示.試驗(yàn)土樣（其中2.17%為鈣質(zhì)結(jié)核顆粒）中古土壤顆粒主要為黏粒和粉粒（表2），土樣粒徑均小于 0.100 mm，其中有 97.1% 的顆粒粒徑小于 0.075 mm，粉粒組含量占比大于50%，黏粒含量為 21%～29%.

表1 土樣物性參數(shù)表Tab.1 Basic physical properties of soil specimen

表2 S2 古土壤粒徑分布Tab.2 Particle size distribution of S2 paleosol %

制備試樣：將古土壤碾碎，過 2 mm 篩，參考原狀土參數(shù)，配得含水率為 23%，密封靜置 24 h；制備2～5 mm 大小鈣質(zhì)結(jié)核顆粒，鈣質(zhì)結(jié)核按質(zhì)量含量C為 0、4%、8%、12% 的比例（鈣質(zhì)結(jié)核質(zhì)量/23%含水率的古土壤質(zhì)量）與古土壤混合均勻，如圖 2 所示.將混合好的土樣置于密封袋內(nèi)備用.采用分層擊實(shí)法制備試樣，控制試樣的干密度的變化范圍為1.44 ± 0.02 g/cm3.

圖2 含鈣質(zhì)結(jié)核古土壤Fig.2 Paleosol containing calcareous concretions

1.3 試驗(yàn)方案

改變軸應(yīng)力大?。?0、180、270 kPa），研究不同鈣質(zhì)結(jié)核含量（0、4%、8%、12%）下古土壤的剪切力學(xué)特性.每個(gè)工況重復(fù)3 次，試驗(yàn)共分為 36 組，見表 3.控制試驗(yàn)環(huán)境具有相同的空氣濕度、剪切盒內(nèi)土樣具有相同初始密度以及配得相同含水率試樣的水源均為純凈水.本試驗(yàn)采用單級(jí)剪切模式，首先固結(jié)土樣，待 1 h 內(nèi)壓縮變形不超過 0.01 mm 時(shí)，認(rèn)為固結(jié)完成，然后進(jìn)行剪切，試驗(yàn)控制為排水剪切，為使剪切過程中孔隙水壓力盡可能消散，設(shè)定剪切速率為1.1 mm/min，此時(shí)有大于90% 的孔隙水壓力消散.設(shè)定剪切角為 300°，試樣完全被剪切破壞，宣布試驗(yàn)結(jié)束.

表3 試驗(yàn)方案與分組表Tab.3 Test plan and group table

2 試樣的力學(xué)特性及變形特性分析

2.1 相同軸應(yīng)力下不同鈣質(zhì)結(jié)核含量的試驗(yàn)結(jié)果

圖3 和圖 4 分別為 σ=90，270 kPa 時(shí)不同鈣質(zhì)結(jié)核含量下剪應(yīng)力-剪切位移和軸向變形-剪切位移曲線，圖中：σ為軸應(yīng)力.分析得出：軸應(yīng)力相同時(shí)，鈣質(zhì)結(jié)核含量越多，殘余強(qiáng)度（Rs）與峰值強(qiáng)度（Rt）越大，軸向變形量越大.分析其原因：試樣發(fā)生剪切破壞時(shí)，會(huì)有顆粒間的運(yùn)移和破碎，由于鈣質(zhì)結(jié)核顆粒是鑲嵌在古土壤中的，剪切破壞時(shí)會(huì)對(duì)周圍土顆粒產(chǎn)生擾動(dòng)，鈣質(zhì)結(jié)核含量越多，擾動(dòng)越大，導(dǎo)致更多的顆粒發(fā)生運(yùn)移、重新排列和破碎，同時(shí)也會(huì)有更多細(xì)小顆粒進(jìn)入孔隙，使土樣更加密實(shí)，從而試樣的軸向變形增大.同時(shí)，鈣質(zhì)結(jié)核含量越多，克服顆粒間嵌固作用所需要的剪應(yīng)力就越大，導(dǎo)致峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度增大.

圖3 σ=90 kPa 時(shí)試樣的環(huán)剪試驗(yàn)曲線Fig.3 Ring shear test curve of sample at σ=90 kPa

圖4 σ=270 kPa 時(shí)試樣的環(huán)剪試驗(yàn)曲線Fig.4 Ring shear test curve of sample at σ=270 kPa

對(duì)殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度隨鈣質(zhì)結(jié)核含量增加而增大的結(jié)果進(jìn)行擬合，得到Rs、Rt與C呈指數(shù)方式增長(zhǎng)，如圖 5 所示，擬合相關(guān)系數(shù)R2均大于 0.980，擬合關(guān)系式如式（1）、（2）所示.除此之外，殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度呈線性變化，隨鈣質(zhì)結(jié)核顆粒含量增多，殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度雖有增大，但整體增大趨勢(shì)逐漸變緩.

圖5 σ=90 kPa 時(shí)試樣的 Rs 與 Rt 擬合Fig.5 Fitting curves of residual shear strength Rs and peak strength Rt versus calcareous concretion content at σ=90 kPa

表4 列出了軸應(yīng)力為 90 kPa 時(shí)，試樣殘余強(qiáng)度值及達(dá)到峰值與殘余強(qiáng)度所需的剪切位移.由表 4得：隨鈣質(zhì)結(jié)核含量增大，達(dá)到峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度所需的剪切位移均增大.分析原因：顆粒間接觸方式有3 種（古土壤顆粒-古土壤顆粒、鈣質(zhì)結(jié)核顆粒-古土壤顆粒以及鈣質(zhì)結(jié)核顆粒-鈣質(zhì)結(jié)核顆粒），其穩(wěn)定性依次增強(qiáng)，鈣質(zhì)結(jié)核顆粒含量越多，越易發(fā)生后兩種接觸，導(dǎo)致剪切破壞時(shí)的剪切位移增大.試樣由剪切破壞至形成穩(wěn)定剪切面，即為鈣質(zhì)結(jié)核和古土壤顆粒沿剪切方向重定向排列過程，該過程中孔隙率不斷降低.鈣質(zhì)結(jié)核含量越大，細(xì)顆粒填充孔隙需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，因此達(dá)到殘余強(qiáng)度所需的剪切位移就越長(zhǎng).

表4 σ=90 kPa 時(shí)試樣的強(qiáng)度與剪切位移的關(guān)系Tab.4 Relationship between strength and shear displacement at σ=90 kPa

90 kPa 軸應(yīng)力下，峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度差隨鈣質(zhì)結(jié)核含量增大而減?。ū?4），即為應(yīng)變軟化特性變?nèi)?為定量化表述應(yīng)變軟化，提出軟化系數(shù)IB來(lái)分析應(yīng)變軟化程度，如式（3）[16].IB∈[0,1]，當(dāng)IB=0時(shí)，為完全應(yīng)變硬化；IB=1 時(shí)為完全應(yīng)變軟化.IB系數(shù)越大，軟化越明顯.

式中：τp為剪切破壞時(shí)的峰值剪應(yīng)力；τr為剪切破壞完成后的殘余剪應(yīng)力.

統(tǒng)計(jì)試樣在 90 kPa 軸應(yīng)力下剪切強(qiáng)度，計(jì)算軟化系數(shù)，如表 5 所示.峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均隨鈣質(zhì)結(jié)核顆粒含量的增多而增大，但軟化系數(shù)卻變小，試樣表現(xiàn)為弱軟化特性.應(yīng)變軟化效應(yīng)可反映在大變形條件下土體強(qiáng)度衰減程度.通過對(duì)比相同軸應(yīng)力不同鈣質(zhì)結(jié)核含量下軟化系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其中規(guī)律，以期為 實(shí)際工程提供一定參考.

表5 不同鈣質(zhì)結(jié)核含量下試樣的軟化系數(shù)Tab.5 Softness factor of samples tested with different contents of calcareous concretions

2.2 不同軸應(yīng)力下相同鈣質(zhì)結(jié)核含量的試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)得到不同軸應(yīng)力下剪應(yīng)力-剪切位移和軸向變形-剪切位移曲線，以鈣質(zhì)結(jié)核含量為 4% 和12% 為例，如圖 6 所示.軸應(yīng)力對(duì)含鈣質(zhì)結(jié)核古土壤的力學(xué)特性影響：

圖6 試樣的環(huán)剪試驗(yàn)曲線Fig.6 Ring shear test curve

在 90 kPa 軸應(yīng)力作用下，剪應(yīng)力-剪位移曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化現(xiàn)象；在 180、270 kPa 時(shí)，表現(xiàn)為應(yīng)變硬化現(xiàn)象.土體發(fā)生應(yīng)變軟化是由于顆粒間的膠結(jié)作用.軸應(yīng)力較低時(shí)，顆粒間膠結(jié)強(qiáng)度基本不破壞，剪切破壞首先要打破顆粒間的膠結(jié)作用，膠結(jié)作用破壞達(dá)峰值強(qiáng)度，剪切帶形成即達(dá)到殘余強(qiáng)度，故在90 kPa 時(shí)表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性.

土體在排水剪切中，通常會(huì)發(fā)生體積的變化，在飽和土中，這種體積變化實(shí)際上是土顆粒間孔隙水的體積變化，對(duì)環(huán)剪試驗(yàn)來(lái)說，由于土樣側(cè)向受限，用軸向位移即可表述體變.土樣的剪切過程可分為兩個(gè)階段：剪切初始狀態(tài)，顆粒處于運(yùn)移壓密階段，對(duì)應(yīng)軸向位移-剪切位移曲線的 0～20 mm 處，表現(xiàn)為軸向位移明顯變大；形成剪切帶后，顆粒進(jìn)入穩(wěn)定壓密階段，對(duì)應(yīng)剪切位移 20 mm 以后的曲線，此時(shí)軸向位移幾乎不變.

軸應(yīng)力越小，在剪切初始階段軸向位移斜率越大，變化越明顯.分析原因：在低軸應(yīng)力下，土本身固結(jié)變形小，土顆粒間較松散，剪切破壞時(shí)，更容易產(chǎn)生顆粒的滑移和重組，因此軸向變形大；而固結(jié)應(yīng)力大的土顆粒間排列密實(shí)，土骨架間形成的結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，土顆粒間咬合摩阻力較大，剪切初始階段接觸面不易產(chǎn)生滑動(dòng)，故軸向變形斜率較小.

3 鈣質(zhì)結(jié)核對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響分析

假設(shè)不同鈣質(zhì)結(jié)核含量試樣的剪切強(qiáng)度符合Mohr-Coulomb 強(qiáng)度定律[17]，其表示為

式中：τ 為剪切面上的剪應(yīng)力（kPa），即為抗剪強(qiáng)度；c為土的黏聚力（kPa）；φ 為內(nèi)摩擦角（°）.

黏聚強(qiáng)度主要是由黏粒間的膠結(jié)力提供，表現(xiàn)為脆性，在小變形時(shí)就達(dá)到峰值，而摩擦強(qiáng)度由剪切面上的 σ 和土的內(nèi)摩擦角 φ 共同決定，只有在大變形后才能充分發(fā)揮出來(lái)，表現(xiàn)為塑性.

圖7 為摩擦角和黏聚力隨剪切位移的變化曲線.

圖7 試樣黏聚力與摩擦角隨剪切位移的變化Fig.7 Change of cohesion and internal friction angle with shear displacement of sample

摩擦角和黏聚力均在剪切位移達(dá)到 80 mm 時(shí)趨于穩(wěn)定，此時(shí)形成穩(wěn)定剪切帶.但不同的是，摩擦角隨剪切位移增大而減小，如圖 7（a）所示.當(dāng)不含鈣質(zhì)結(jié)核顆粒時(shí)，摩擦角幾乎以相同的斜率減小，當(dāng)含鈣質(zhì)結(jié)核時(shí)，摩擦角在 0～20 mm 剪切位移處先緩慢減小，在 20～60 mm 區(qū)間又急劇減小，60～80 mm 區(qū)間內(nèi)又緩慢減小.分析原因：內(nèi)摩擦是顆粒間滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦及顆粒間脫離咬合狀態(tài)產(chǎn)生的咬合摩擦.剪切初期，當(dāng)不含鈣質(zhì)結(jié)核顆粒時(shí)，主要是克服顆粒間的錯(cuò)動(dòng)，加入鈣質(zhì)結(jié)核顆粒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生鈣質(zhì)結(jié)核骨架結(jié)構(gòu)間的剪斷和咬合作用，因此摩擦角變化較緩，且鈣質(zhì)結(jié)核含量越多，嵌固作用越強(qiáng)，摩擦角越大[18]；剪切中期，逐漸形成破壞面，此階段顆粒間嵌固作用產(chǎn)生的咬合摩擦和滑動(dòng)摩擦變化劇烈，內(nèi)摩擦角下降明顯；最終形成穩(wěn)定剪切面，此時(shí)顆粒摩擦角有輕微下降，主要是顆粒重新定向排列導(dǎo)致的滑動(dòng)摩擦.統(tǒng)計(jì)鈣質(zhì)結(jié)核長(zhǎng)寬比，平均值為 1.53，剪切時(shí)主要發(fā)生咬合摩擦，咬合摩擦力大于滑動(dòng)摩擦力，故隨鈣質(zhì)結(jié)核含量增加，摩擦角變大.

黏聚力隨剪切位移增大呈先增大后減小趨勢(shì)，鈣質(zhì)結(jié)核含量越高，黏聚力越小，如圖 7（b）所示.在0～20 mm 剪切位移區(qū)間內(nèi)黏聚力增大，20～60 mm處黏聚力迅速減小，60～80 mm 時(shí)黏聚力緩慢減小.原因是：黏聚力主要由顆粒間膠結(jié)作用引起，而鈣質(zhì)結(jié)核幾乎無(wú)膠結(jié)力，主要是古土壤顆粒的膠結(jié)作用.當(dāng)鈣質(zhì)結(jié)核含量大時(shí)，鈣質(zhì)結(jié)核顆粒形成的骨架結(jié)構(gòu)包裹膠結(jié)力大的古土壤顆粒，剪切破壞過程中受較小影響，因此鈣質(zhì)結(jié)核含量越多黏聚力越小.

統(tǒng)計(jì)完全剪切破壞后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，見表 6，黏聚力變化范圍在 14 kPa 左右，摩擦角變化范圍為21°～27°.這與文獻(xiàn) [19] 計(jì)算的涇陽(yáng)區(qū)黃土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果一致.確定出不同鈣質(zhì)結(jié)核含量下剪切強(qiáng)度參數(shù)的規(guī)律，可進(jìn)一步用于分析不同含量下鈣質(zhì) 結(jié)核古土壤滑坡機(jī)理和對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響.

表6 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Tab.6 Shear strength indexes

4 剪切特性分析

在實(shí)際邊坡工程問題中，土體通常是剪切破壞，剪切破壞即為剪切帶的形成過程，對(duì)剪切帶特性的認(rèn)識(shí)不僅可為滑坡失穩(wěn)機(jī)理分析和滑動(dòng)面識(shí)別等巖土工程問題提供有效幫助，而且是顆粒材料數(shù)值模擬研究的重點(diǎn).前面分析了鈣質(zhì)結(jié)核顆粒對(duì)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變特性、抗剪強(qiáng)度等力學(xué)特性，下面從宏觀和細(xì)觀角度分析含鈣質(zhì)結(jié)核古土壤的剪切特性.宏觀主要分析剪切面形態(tài)，細(xì)觀分析剪切過程中剪切帶附近顆粒運(yùn)移和破碎情況，了解其顆粒破碎特性.

4.1 剪切破壞面形態(tài)

剪切破壞面形態(tài)受鈣質(zhì)結(jié)核含量和軸應(yīng)力大小影響：鈣質(zhì)結(jié)核含量影響剪切破壞面的橫剖面形態(tài)；軸應(yīng)力大小影響剪切破壞面的縱剖面形態(tài).

分析不同工況下試樣剪切破壞后的縱剖面得：軸應(yīng)力為 90 kPa 和鈣質(zhì)結(jié)核含量較低時(shí)，縱剖面為“一”型；在鈣質(zhì)結(jié)核含量較高和高軸應(yīng)力下，表現(xiàn)為“U”型，如圖 8（a）所示.為更直觀分析剪切面形態(tài)，作不同軸應(yīng)力下的剪切帶破壞形態(tài)示意，如圖 8（b）所示.古土壤顆粒和鈣質(zhì)結(jié)核顆粒均勻分布在試樣中，其中鈣質(zhì)結(jié)核顆粒組成屬于砂礫粒組，主要嵌固在古土壤顆粒中，施加軸應(yīng)力，使顆粒間排布變密實(shí)，鑲嵌更牢固，在剪切過程中，越靠近表面部分試樣鑲嵌越密實(shí)，越不易發(fā)生破壞，破壞面越遠(yuǎn)離上剪切盒表面，因此，當(dāng)軸應(yīng)力增大時(shí)，剪切破壞面縱剖面由“一”型變?yōu)椤癠”型.

圖8 試樣縱剖面剪切破壞形態(tài)Fig.8 Shear failure forms of longitudinal profile

分析剪切破壞面的橫剖面，如圖9 所示.定義土樣不同鈣質(zhì)結(jié)核含量下剪切模式為：當(dāng)不含鈣質(zhì)結(jié)核顆粒時(shí)，剪切破壞面呈平層狀，表面無(wú)明顯破壞面出露，破壞面光滑，為滑動(dòng)剪切模式；當(dāng)鈣質(zhì)結(jié)核含量為 4%～8% 時(shí)，破壞面局部隆起，為過渡模式；當(dāng)鈣質(zhì)結(jié)核含量為 12% 時(shí)，呈雁列式破壞面，為波動(dòng)模式.這與文獻(xiàn) [20] 描述的剪切模式相似.Skempton[21]早期研究指出，顆粒的剪切破壞由顆粒重定向排列決定，而這種重定向排列方式又與顆粒中黏土礦物成分含量有極大相關(guān)性：黏粒含量越高，越趨向滑動(dòng)剪切模式.為分析古土壤顆粒和鈣質(zhì)結(jié)核顆粒中不同礦物成分對(duì)試樣的影響，對(duì)試樣進(jìn)行了 X 射線衍射分析，如表 7 所示，統(tǒng)計(jì)古土壤和鈣質(zhì)結(jié)核中主要礦物成分，得出 S2古土壤黏土礦物含量達(dá) 13.5%，而鈣質(zhì)結(jié)核顆粒含黏土礦物含量?jī)H 6.5%.可見，在含鈣質(zhì)結(jié)核古土壤中顆粒的黏土礦物含量也是影響剪切破壞面形態(tài)的一個(gè)重要因素.

圖9 σ=90 kPa 時(shí)剪切完成后的橫剖面破壞形態(tài)Fig.9 Typical failure patterns after shearing at σ=90 kPa

剪切帶厚度是剪切破壞面研究的一個(gè)重點(diǎn)方面.它與土顆粒性質(zhì)（如平均顆粒尺寸）、成分、應(yīng)力狀態(tài)和剪切位移等有關(guān).在環(huán)剪試驗(yàn)中，剪切帶厚度即為從開始剪切到完全破壞形成的剪切帶區(qū)域厚度（圖8（a）所示）.研究表明，在砂土顆粒材料中，剪切帶厚度相對(duì)較低，是剪切前顆粒中值粒徑（D50）的10 倍～20 倍[22]，在黏土顆粒中，剪切帶厚度是 D50的 50 倍～200 倍.盡管目前很多學(xué)者已經(jīng)公認(rèn)軸應(yīng)力對(duì)剪切帶厚度是有影響的（如圖10），但對(duì)含鈣質(zhì)結(jié)核古土壤剪切帶厚度的影響規(guī)律并沒有作出統(tǒng)一的分析結(jié)果.由圖 10 可得：軸應(yīng)力和剪切帶厚度呈線性相關(guān).鈣質(zhì)結(jié)核含量為0 時(shí)，剪切帶厚度為 0.5～1.5 mm，是D50的 50 倍～150 倍，不為 0 時(shí)，剪切帶厚度變?yōu)?4.5～6.0 mm，是鈣質(zhì)結(jié)核顆粒平均粒徑的15 倍～20 倍.這與 Sadrekarimi[22]研究結(jié)果一致.加入鈣質(zhì)結(jié)核顆粒后，剪切帶厚度明顯增大，且厚度隨軸應(yīng)力的增加而增厚，鈣質(zhì)結(jié)核含量越多，剪切帶厚度越大.但相對(duì)顆粒平均尺寸來(lái)說，含鈣質(zhì)結(jié)核顆粒試樣卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于不含鈣質(zhì)結(jié)核試樣顆粒.

圖10 剪切帶厚度隨軸應(yīng)力的變化Fig.10 Variation of shear band thickness with normal stress

4.2 顆粒的破碎

固結(jié)和剪切過程中都會(huì)發(fā)生顆粒破碎.在固結(jié)過程中，由于是排水固結(jié)，固結(jié)擠壓排出顆粒間的水會(huì)使土顆粒與鈣質(zhì)結(jié)核顆粒接觸更密實(shí)，依然保持穩(wěn)定.當(dāng)施加剪應(yīng)力時(shí)，必然會(huì)引起土顆粒與鈣質(zhì)結(jié)核顆粒間的運(yùn)動(dòng)，在剪切位移不斷增大下，最終完成剪切破壞，形成穩(wěn)定剪切面.剪切面附近顆粒都會(huì)發(fā)生明顯的錯(cuò)動(dòng)，此時(shí)顆粒破碎最為嚴(yán)重.樣品的礦物成分如表7.

表7 樣品的礦物成分Tab.7 Mineral proportions of samples %

如表 7 所示：古土壤主要礦物成分是石英和長(zhǎng)石，莫氏硬度6～7；鈣質(zhì)結(jié)核主要礦物成分是方解石，莫氏硬度為3.因此剪切過程中優(yōu)先考慮鈣質(zhì)結(jié)核大顆粒的破碎.基于此發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)剪切前后鈣質(zhì)結(jié)核顆粒的粒徑分布情況，如表 8 所示.

表8 剪切前后鈣質(zhì)結(jié)核粒徑分布Tab.8 Size distribution of particles before and after shearing of samples %

由表 8 可得：在不施加軸應(yīng)力時(shí)，顆粒剪切前后粒徑基本不發(fā)生變化；當(dāng)軸應(yīng)力為 90 kPa 時(shí)，主要是礫粒組粒徑為 4～5 mm 的鈣質(zhì)結(jié)核顆粒發(fā)生大量破碎，計(jì)算顆粒破碎率Bg為 19.5%；180 kPa 的軸應(yīng)力下，4～5 mm 顆粒破碎更明顯，計(jì)算Bg為 33.5%；當(dāng)軸應(yīng)力增大到 270 kPa 時(shí)，4～5 mm 顆粒組 78%的顆粒均發(fā)生破碎，計(jì)算Bg為 55.5%.總結(jié)得，粒徑在 3～5 mm 的顆粒所占比例減小，小于3 mm 的顆粒含量變多，這說明 3～5 mm 粒徑破碎，轉(zhuǎn)換成較小顆粒.

Bg通常采用顆粒級(jí)配曲線為基礎(chǔ)定義，Marsa用試驗(yàn)前后試樣粒組百分含量差的正值之和來(lái)表示顆粒破碎程度，如式（5）.

式中：m1i是剪切前級(jí)配曲線上第i級(jí)粒組含量；m2i是剪切后級(jí)配曲線上相同粒組含量[23].

需要指出的是，本文采用的Bg指標(biāo)主要針對(duì)整體顆粒破碎顆分曲線，雖能綜合考慮所有顆粒破碎類型的影響，但對(duì)不同粒組的組內(nèi)破碎未考慮，故計(jì)算所得的破碎率較剪切破壞后真實(shí)破碎值小.

古土壤顆粒的破碎和鈣質(zhì)結(jié)核顆粒具有相同規(guī)律：軸應(yīng)力越大，顆粒破碎越多.取剪切帶上古土壤進(jìn)行顆分試驗(yàn)，得到粒徑分布，如圖11 所示.在剪切前后，粒徑在 0.002～0.010 mm 之間的顆粒含量分別占到了 28.05%和 40.99%，粒徑在 0.010～0.050 mm的顆粒分別占到了 46.78%和 37.23%，由此可見，古土壤顆粒的破碎區(qū)間主要集中在 0.010～0.050 mm，顆粒破碎后最終轉(zhuǎn)化成 0.002～0.010 mm 較小顆粒.

圖11 剪切前后古土壤顆粒級(jí)配Fig.11 Gradation diagram of paleosol before and after shearing

5 結(jié) 論

1）含鈣質(zhì)結(jié)核古土壤試樣在低軸應(yīng)力下表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特性，高軸應(yīng)力下表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，且結(jié)核含量越大，應(yīng)變軟化特性越弱.鈣質(zhì)結(jié)核顆粒能增大土的剪應(yīng)力和軸向位移，在低軸應(yīng)力下尤為顯著.其與峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度間存在函數(shù)關(guān)系，峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度間存在近似線性關(guān)系.

2）隨鈣質(zhì)結(jié)核含量增加，摩擦角增大，黏聚力減小.黏聚力在 14 kPa 左右，內(nèi)摩擦角在 21°～29°之間.

3）軸應(yīng)力和鈣質(zhì)結(jié)核含量分別影響剪切面橫、縱剖面形態(tài).確定不同鈣質(zhì)結(jié)核含量下剪切破壞面橫剖面的3 種剪切破壞模式：平穩(wěn)模式、過渡模式、波動(dòng)模式；縱剖面兩種形態(tài)：“一”型和“U”型.

4）剪切帶厚度與軸應(yīng)力呈良好的線性關(guān)系，鈣質(zhì)結(jié)核顆粒使剪切帶厚度由 0.5～1.5 mm 增大到4.5～6.0 mm，而剪切帶厚度與D50的比值由 50 倍～150 倍減小到 15 倍～20 倍.

5）通過計(jì)算試驗(yàn)不同階段顆粒破碎率確定出顆粒破碎主要發(fā)生階段及破碎顆粒的粒徑分布范圍.鈣質(zhì)結(jié)核 3～5 mm 的顆粒發(fā)生破碎，破碎率為19.5%～55.5%；古土壤由 0.01～0.05 mm 顆粒轉(zhuǎn)化為 0.002～0.010 mm 的較小顆粒.