含水率對(duì)花崗巖邊坡風(fēng)化層界面剪切特性的影響

劉志偉，丁波濤，梁崇旭

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 511300；2.上海大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，上海 200444）

0 引言

在我國(guó)沿海地區(qū)，花崗巖邊坡上覆較厚的風(fēng)化層，且根據(jù)其風(fēng)化程度又可分成不同的沉積層[1-2]（圖1），各層土體滲透性不同，在降雨過(guò)程中常在殘、坡積土層底部產(chǎn)生滯水，導(dǎo)致界面強(qiáng)度軟化，在風(fēng)化層為順傾向產(chǎn)狀時(shí)，極易出現(xiàn)殘積土沿著下伏全風(fēng)化花崗巖接觸面的滑動(dòng)破壞[3]。Kim 等[4]人也發(fā)現(xiàn)雨季花崗巖區(qū)邊坡多發(fā)生上部殘積土、崩積土沿基巖界面的淺層滑坡。

圖1 風(fēng)化花崗巖邊坡示意圖Fig.1 Schematic diagram of weathered granite slope

邊坡中的土巖界面、風(fēng)化面、不同性質(zhì)土層接觸面等均屬于土體宏觀結(jié)構(gòu)面[5]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)土體宏觀結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了廣泛的研究，Luo 等[6]探究了黃土節(jié)理在不同含水率下的剪切特性，發(fā)現(xiàn)節(jié)理內(nèi)摩擦角在不同干密度下均隨含水率的升高先增加后減小。李鵬等[7]研究了含水率對(duì)碎石土、堆積體-基巖接觸面剪切特性的影響。Zhang 等[8]和楊忠平等[9]分別研究了粗糙度對(duì)砂土-粘土界面和土石混合料-基巖接觸面剪切特性的影響。

以上圍繞土體宏觀結(jié)構(gòu)面的研究較少涉及風(fēng)化花崗巖，對(duì)風(fēng)化花崗巖的研究大多針對(duì)單一風(fēng)化層。許旭堂等[10]對(duì)閩南地區(qū)三類(lèi)花崗巖殘積土含水率和干密度與抗剪強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，并建立經(jīng)驗(yàn)公式。Borana 等[11]研究了土體基質(zhì)吸力對(duì)風(fēng)化花崗巖-鋼結(jié)構(gòu)接觸面剪切特性的影響。

綜上所述，在降雨作用下，花崗巖殘積土-全風(fēng)化花崗巖界面強(qiáng)度對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較大。目前的研究大多針對(duì)單一風(fēng)化層，缺乏對(duì)不同風(fēng)化層界面剪切特性的研究。因此，本研究考慮干密度的影響，通過(guò)一系列直剪試驗(yàn)分析花崗巖殘積土和全風(fēng)化花崗巖界面在不同含水率下的剪切特性。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自廣州市某工地邊坡的坡腳區(qū)段。根據(jù)實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N，發(fā)現(xiàn)軟弱面以上為殘積土層（N＜30），軟弱面以下為全風(fēng)化層（30＜N＜50），即軟弱面在殘積土層和全風(fēng)化層界面附近。試驗(yàn)土樣物理參數(shù)如表1所示。

表1 土樣物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of soil samples

1.2 試驗(yàn)儀器及制樣方法

直剪試驗(yàn)采用氣動(dòng)直剪儀，剪切盒直徑為50 mm、高度為20 mm。將兩種土體風(fēng)干、碾碎、過(guò)篩，加水充分?jǐn)嚢?，放置密封袋中靜置48 h，使水分混合均勻。在制備雙層土試樣時(shí)，首先在定制的制樣器中放置墊塊，稱(chēng)量全風(fēng)化層土體，放入制樣器中壓樣；然后取出墊塊，稱(chēng)量殘積土，放于制樣器中全風(fēng)化層土體之上，壓樣靜置5 min；最后，使用脫模器將壓制好的試樣取出并放入剪切盒中進(jìn)行直剪試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方案

表2 為具體的試驗(yàn)方案。實(shí)際邊坡呈現(xiàn)“上疏下密”的特點(diǎn)，故在制樣時(shí)，控制殘積土干密度小于全風(fēng)化層土體。以邊坡實(shí)際干密度ρd0為依據(jù)，分別乘以0.9、1.0 和1.1，得到三種干密度，依次記為ρd1、ρd2、ρd3。殘積土干密度依次為1.33 g/cm3、1.48 g/cm3、1.63 g/cm3；全風(fēng)化層土體對(duì)應(yīng)干密度依次為1.42 g/cm3、1.58 g/cm3、1.74 g/cm3。剪切速率為1.0 mm/min。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test scheme

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 剪切應(yīng)力—位移特征分析

由圖2 可得，隨著含水率的升高，界面剪切硬化趨勢(shì)更明顯（圖2（a）），由剪切軟化逐漸變?yōu)榧羟杏不▓D2（b）～圖2（e））。同時(shí)，當(dāng)剪應(yīng)力出現(xiàn)軟化時(shí)，含水率越高，剪切破壞位移越大。

干密度和豎向應(yīng)力也會(huì)影響不同含水率下剪切應(yīng)力-位移曲線(xiàn)。由圖2（a）、圖2（b）和圖2（c）可得，在低干密度下，不同含水率的界面剪應(yīng)力均呈現(xiàn)剪切硬化；而隨著干密度的增大，低含水率（如9%、13%和17%）界面逐漸由剪切硬化變?yōu)榧羟熊浕腋擅芏仍酱?，軟化型曲線(xiàn)峰后強(qiáng)度下降越多，脆性破壞越明顯，這與Wei 等[12]人結(jié)論一致。由圖2（b）、圖2（d）和圖2（e）可得，豎向應(yīng)力越大，不同含水率下曲線(xiàn)更易呈現(xiàn)剪切硬化型。

圖2 界面剪切應(yīng)力—位移特征曲線(xiàn)Fig.2 Shearing stress-displacement characteristic curve of interface

2.2 豎向位移—剪切位移特征分析

圖3 反應(yīng)了風(fēng)化層界面剪切過(guò)程中的豎向位移與剪切位移的關(guān)系。規(guī)定剪脹為正。在剪切過(guò)程中，低含水率易出現(xiàn)剪脹，高含水率易出現(xiàn)剪縮（如圖3（a）、圖3（b）和圖3（d））。但含水率對(duì)土體剪脹性的影響規(guī)律同時(shí)受干密度和豎向應(yīng)力影響，在高干密度下，所有含水率的土體均呈現(xiàn)剪脹性（圖3（c）），而在高豎向應(yīng)力下，均呈現(xiàn)剪縮現(xiàn)象（圖3（e））。

此外，在高干密度下，豎向位移-剪切位移曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（3（c）），即當(dāng)?shù)竭_(dá)一定剪切位移后豎向位移增長(zhǎng)速率放緩，出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)。對(duì)比圖3（c）和圖2（c），發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水率為9%、13%和17%時(shí)，豎向位移-剪切位移曲線(xiàn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的剪切位移和剪切應(yīng)力-位移關(guān)系曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的破壞位移接近。這主要與破壞模式有關(guān)，在高干密度下，剪斷面更平整，破壞趨向于“脆斷”[12]，所以當(dāng)剪切位移達(dá)到破壞位移時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖3 界面豎向位移-剪切位移關(guān)系Fig.3 Vertical displacement-shearing displacement curve of interface

圖4 所示為不同豎向應(yīng)力和干密度下土體最大剪脹量隨含水率變化的關(guān)系圖。隨著含水率的升高，最大剪脹量整體上減小，逐漸從剪脹變?yōu)榧艨s。但在部分情況下其最大剪脹量并非一直減小，而是存在一個(gè)界限含水率，使得最大剪脹量為極小值。此外，豎向應(yīng)力越小、干密度越大，土體最大剪脹量越大。而在不同干密度下，土體最大剪脹量隨含水率的變化幅度不同。具體地，含水率從9%到25%，三種干密度（ρd1、ρd2、ρd3）下最大剪脹量分別減小了0.529 mm、0.502 mm和0.247 mm?？梢?jiàn)干密度越大，含水率對(duì)土體最大剪脹量的影響越小。

圖4 界面最大剪脹量與含水率、豎向應(yīng)力和干密度的關(guān)系Fig.4 Relationship betweer the maximum dilatancy of interface and water content，vertical stress and dry density

2.3 抗剪強(qiáng)度

圖5 反應(yīng)了界面抗剪強(qiáng)度與含水率、豎向應(yīng)力以及干密度的關(guān)系，其中，圖5（a）干密度ρd=ρd2，圖5（b）豎向應(yīng)力σ=100 kPa。可見(jiàn)界面抗剪強(qiáng)度隨含水率升高而大幅減小，而提高豎向應(yīng)力和干密度可有效增加其強(qiáng)度。同時(shí)還可以看出，當(dāng)含水率從9%到13%、從21%到25%時(shí)，不同豎向應(yīng)力和干密度下對(duì)應(yīng)的界面抗剪強(qiáng)度降幅均較小，而從13%到21%時(shí)界面抗剪強(qiáng)度降幅均較大?？梢?jiàn)，當(dāng)邊坡土體含水率較低（低于13%）或者較高（高于21%）時(shí)，風(fēng)化層界面抗剪強(qiáng)度受含水率變化的影響均較小。

圖5 界面抗剪強(qiáng)度與含水率、豎向應(yīng)力和干密度的關(guān)系Fig.5 Relationship between interfacial shear strength and water content，vertical stress and dry density

不難看出，不同豎向應(yīng)力和干密度下含水率對(duì)界面抗剪強(qiáng)度的影響存在明顯差異。為此，定義界面強(qiáng)度隨含水率的變化率α：

式中：τ1是w=9%時(shí)的抗剪強(qiáng)度，τ2是w=25%時(shí)的抗剪強(qiáng)度。

表3 列出了界面抗剪強(qiáng)度在不同豎向應(yīng)力和干密度下的變化率?？梢钥闯?，變化率α隨豎向應(yīng)力的增大而減?。煌瑫r(shí)，干密度越大，界面抗剪強(qiáng)度變化率越大，反應(yīng)了界面抗剪強(qiáng)度遇水軟化效應(yīng)越明顯。而且，干密度對(duì)界面抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用隨含水率的升高被逐漸弱化（圖5）。

表3 界面抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化率Table 3 Change rate of interfacial shear strength with water content

3 結(jié)論

（1）風(fēng)化層界面剪切應(yīng)力-位移關(guān)系呈現(xiàn)剪切硬化和剪切軟化兩種特征，剪應(yīng)力在低含水率、高干密度和低豎向應(yīng)力下更易出現(xiàn)剪切軟化；反之，更易出現(xiàn)剪切硬化。

（2）含水率越低、豎向應(yīng)力越小、干密度越大，界面最大剪脹量越大，易發(fā)生剪脹，反之更易發(fā)生剪縮；提高干密度可有效抑制含水率升高對(duì)土體最大剪脹量的影響。

（3）當(dāng)含水率從9%升至25%時(shí)，風(fēng)化層界面抗剪強(qiáng)度大幅減小，且豎向應(yīng)力越小、干密度越大，界面抗剪強(qiáng)度隨含水率變化越明顯。