香港大嶼山殘坡積土的殘余強度試驗研究

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1、第6卷第3期工程地質(zhì)學報Vol.6No.31998年9月JournalofEngineeringGeologySep.,1998X香港大嶼山殘坡積土的殘余強度試驗研究戴福初王思敬李焯芬(中國科學院地質(zhì)研究所工程地質(zhì)力學開放研究實驗室北京100029)(香港大學香港)摘要粘性土的殘余強度是邊坡穩(wěn)定性評價、樁基與土的相互作用機理研究及填土邊坡設(shè)計中的重要參數(shù)。本文在綜述大量文獻的基礎(chǔ)上,結(jié)合香港大嶼山火山巖風化殘坡積土的殘余強度試驗研究,分析了殘余強度的測試方法和影響殘余強度的因素。研究結(jié)果表明,殘余強度與有效法向應(yīng)力間具有明顯的非線性關(guān)系;與單剪測試結(jié)果相比,多級剪測試結(jié)果明顯偏

2、高。關(guān)鍵詞殘余強度殘坡積粘性土剪切試驗粘性土在排水條件下的殘余強度是巖土工程中的重要參數(shù)。它在老滑坡體的穩(wěn)定性評價、樁與土的相互作用機理研究、土體工程特性評價及邊坡穩(wěn)定性問題中的漸進性破壞的危險性分析及填土邊坡穩(wěn)定分析與設(shè)計中有著極為重要的意義。本文選取香港大嶼山凝灰?guī)r及流紋質(zhì)火山巖風化后形成的殘坡積土為研究對象,采用Bromhead環(huán)剪儀進行了殘余強度的試驗研究。1殘余強度的測試方法殘余強度是指以緩慢剪切速率達到相當大的剪切位移條件下所達到的最小剪切強度[16]值。對于超固結(jié)原狀粘性土,其排水強度在峰值后出現(xiàn)的應(yīng)力跌落主要是由于土體含水量的增加和粘粒成分平行剪切方向重新定向排

3、列所致。前者完成后達到完全軟化或臨界狀態(tài)強度;隨著剪切位移的增加,粘粒成分定向排列完成后,強度達到殘余值并保持不變。對于正常固結(jié)粘性土而言,峰后的強度降完全是由于顆粒重新定向所致。顆粒重新定向?qū)姸鹊挠绊懼皇窃诤衅瑺钫惩恋V物并且粘粒(<0.002mm)含量超過20%～25%的粘性土中才產(chǎn)生作用。對于粘粒含量低的粉砂或砂質(zhì)粘性土,即使剪切位移很大,其強度與正常固結(jié)土的峰值強度基本相等,而該類超固結(jié)土的峰后強度降幾乎完全是由于含水量的增加所致。排水條件下粘性土殘余強度的測試方法主要有三種:1反分析評價方法;o反復直剪X收稿日期:1996-04-10;收到修改稿日期:1997-05

4、-20。第一作者簡介:戴福初,男,1967年出生,博士研究生,工程地質(zhì)專業(yè)。224工程地質(zhì)學報第6卷測試法;?環(huán)剪測試法。對于老滑坡體的評價或正在緩慢滑動的斜坡而言,反分析往往是一種行之有效的確定滑帶土體殘余強度的方法。然而在反分析過程中需要給定安全系數(shù)值,因而所得結(jié)果往往具有相當程度的不確定性。從殘余強度的概念出發(fā),反復直剪測試具有較明顯的缺陷:1直剪產(chǎn)生的水平剪切位移量有限,試樣不能在同一方向上有較大的連續(xù)剪切變形,因而可能只有部分粘粒成分重新定向排列;o剪切過程中剪切面面積不斷變化,土體所受有效法向應(yīng)力并非恒定值;而且試驗過程中由于剪切面的暴露,可能導致部分土粒擠出,因而

5、造成土體所受法向應(yīng)力并不均勻。鑒于以上原因,反復直剪測試結(jié)果[1,2,17]與環(huán)剪相比可能偏高。[1,3,8,11]目前已研制了各種不同類型的環(huán)剪儀。然而[3]環(huán)剪儀因其價格低廉、操作簡[4,5,16]便而獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。一些研究結(jié)果表明Bromhead環(huán)剪儀性能優(yōu)良,測試結(jié)果可靠。一般說來,環(huán)剪測試方法主要有三種:1單剪(single-stageshearing),o預剪(pres-hearing),?多級剪(multistageshearing)。單剪是在試樣固結(jié)后,只在一級有效固結(jié)壓力或法向應(yīng)力下進行剪切;預剪是指試樣固結(jié)后,剪切試驗前先快速剪切,形成剪切面,然后

6、再緩慢剪切,其優(yōu)點是能很快達到殘余強度;而多級剪是指試樣在較低法向應(yīng)力下固結(jié)剪切達殘余強度后,再加載至下一級有效法向應(yīng)力,固結(jié)后繼續(xù)剪切,如此反復。2影響殘余強度的主要因素2.1粘粒含量、礦物成分及土的塑性的影響許多研究者對粘粒含量、土的塑性指數(shù)與殘余強度的關(guān)系進行了研究,得出了一些定量關(guān)系。由于殘余強度并非一個常數(shù),它與有效法向應(yīng)力水平有關(guān),因而殘余強度與土的[7]塑性指數(shù)或粘粒含量間必須在不同的有效法向應(yīng)力水平條件下建立相關(guān)關(guān)系。一般來說土的粘粒含量、塑性指數(shù)越大,其殘余強度越小。文獻[13]在研究礦物成分、法向應(yīng)力、應(yīng)變速率、孔隙水化學特征對殘余強度的影響時發(fā)現(xiàn)礦物成分是

7、最重要的影響因素。片狀礦物比針狀和亞角礫狀礦物的殘余強度[14]低。2.2剪切速率的影響Skempton(1986)研究表明,當剪切速率在較緩慢的速率范圍內(nèi)變化時對殘余強度影響很小,然而當剪切速率大-1于100mm·min時則特性發(fā)生了質(zhì)的變化。對于各種不同類型的土,從粘質(zhì)粉砂到塑性粘土,其測試結(jié)果表明剪切速率對殘余強度均有影響,這種影響可[19]用圖1表示[19]。殘余強度q圖1殘余強度隨剪切速率變化的典型曲線s的剪切速率Fig.1Typicalvariationofinresidual效