香港大嶼山殘坡積土的殘余強(qiáng)度試驗(yàn)研究

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1、第6卷第3期工程地質(zhì)學(xué)報(bào)Vol.6No.31998年9月JournalofEngineeringGeologySep.,1998X香港大嶼山殘坡積土的殘余強(qiáng)度試驗(yàn)研究戴福初王思敬李焯芬(中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所工程地質(zhì)力學(xué)開(kāi)放研究實(shí)驗(yàn)室北京100029)(香港大學(xué)香港)摘要粘性土的殘余強(qiáng)度是邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、樁基與土的相互作用機(jī)理研究及填土邊坡設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。本文在綜述大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合香港大嶼山火山巖風(fēng)化殘坡積土的殘余強(qiáng)度試驗(yàn)研究,分析了殘余強(qiáng)度的測(cè)試方法和影響殘余強(qiáng)度的因素。研究結(jié)果表明,殘余強(qiáng)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(cè)試結(jié)果相比,多級(jí)剪測(cè)試結(jié)果明顯偏

2、高。關(guān)鍵詞殘余強(qiáng)度殘坡積粘性土剪切試驗(yàn)粘性土在排水條件下的殘余強(qiáng)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(píng)價(jià)、樁與土的相互作用機(jī)理研究、土體工程特性評(píng)價(jià)及邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題中的漸進(jìn)性破壞的危險(xiǎn)性分析及填土邊坡穩(wěn)定分析與設(shè)計(jì)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(fēng)化后形成的殘坡積土為研究對(duì)象,采用Bromhead環(huán)剪儀進(jìn)行了殘余強(qiáng)度的試驗(yàn)研究。1殘余強(qiáng)度的測(cè)試方法殘余強(qiáng)度是指以緩慢剪切速率達(dá)到相當(dāng)大的剪切位移條件下所達(dá)到的最小剪切強(qiáng)度[16]值。對(duì)于超固結(jié)原狀粘性土,其排水強(qiáng)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(dá)到完全軟化或臨界狀態(tài)強(qiáng)度;隨著剪切位移的增加,粘粒成分定向排列完成后,強(qiáng)度達(dá)到殘余值并保持不變。對(duì)于正常固結(jié)粘性土而言,峰后的強(qiáng)度降完全是由于顆粒重新定向所致。顆粒重新定向?qū)?qiáng)度的影響只是在含有片狀粘土礦物并且粘粒(<0.002mm)含量超過(guò)20%～25%的粘性土中才產(chǎn)生作用。對(duì)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(qiáng)度與正常固結(jié)土的峰值強(qiáng)度基本相等,而該類超固結(jié)土的峰后強(qiáng)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(qiáng)度的測(cè)試方法主要有三種:1反分析評(píng)價(jià)方法;o反復(fù)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(jiǎn)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(xué)報(bào)第6卷測(cè)試法;?環(huán)剪測(cè)試法。對(duì)于老滑坡體的評(píng)價(jià)或正在緩慢滑動(dòng)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(qiáng)度的方法。然而在反分析過(guò)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(dāng)程度的不確定性。從殘余強(qiáng)度的概念出發(fā),反復(fù)直剪測(cè)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(guò)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(yàn)過(guò)程中由于剪切面的暴露,可能導(dǎo)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(fù)直剪測(cè)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(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)[4,5,16]便而獲得了越來(lái)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(cè)試結(jié)果可靠。一般說(shuō)來(lái),環(huán)剪測(cè)試方法主要有三種:1單剪(single-stageshearing),o預(yù)剪(pres-hearing),?多級(jí)剪(multistageshearing)。單剪是在試樣固結(jié)后,只在一級(jí)有效固結(jié)壓力或法向應(yīng)力下進(jìn)行剪切;預(yù)剪是指試樣固結(jié)后,剪切試驗(yàn)前先快速剪切,形成剪切面,然后

6、再緩慢剪切,其優(yōu)點(diǎn)是能很快達(dá)到殘余強(qiáng)度;而多級(jí)剪是指試樣在較低法向應(yīng)力下固結(jié)剪切達(dá)殘余強(qiáng)度后,再加載至下一級(jí)有效法向應(yīng)力,固結(jié)后繼續(xù)剪切,如此反復(fù)。2影響殘余強(qiáng)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(duì)粘粒含量、土的塑性指數(shù)與殘余強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了研究,得出了一些定量關(guān)系。由于殘余強(qiáng)度并非一個(gè)常數(shù),它與有效法向應(yīng)力水平有關(guān),因而殘余強(qiáng)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(lái)說(shuō)土的粘粒含量、塑性指數(shù)越大,其殘余強(qiáng)度越小。文獻(xiàn)[13]在研究礦物成分、法向應(yīng)力、應(yīng)變速率、孔隙水化學(xué)特征對(duì)殘余強(qiáng)度的影響時(shí)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(qiáng)度[14]低。2.2剪切速率的影響Skempton(1986)研究表明,當(dāng)剪切速率在較緩慢的速率范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)殘余強(qiáng)度影響很小,然而當(dāng)剪切速率大-1于100mm·min時(shí)則特性發(fā)生了質(zhì)的變化。對(duì)于各種不同類型的土,從粘質(zhì)粉砂到塑性粘土,其測(cè)試結(jié)果表明剪切速率對(duì)殘余強(qiáng)度均有影響,這種影響可[19]用圖1表示[19]。殘余強(qiáng)度q圖1殘余強(qiáng)度隨剪切速率變化的典型曲線s的剪切速率Fig.1Typicalvariationofinresidual效