滑带土抗剪强度参数确定方法研究进展

1、滑带土抗剪强度参数确定方法研究进展摘 要：滑坡对工程建设的危害很大，常使交通中断，影响公路的正常运输。滑带土抗剪强度参数值的合理选定是正确进行滑坡工程分析和设计的关键，文章通过回顾国内外一些代表性工作，在综述了滑带土抗剪强度的五种特征强度及其相互关系的基础上，着重从滑带土抗剪强度参数的测试及估算方法上进行了分析，总结了各种方法的优缺点，并对取值方法中遇到的问题进行了探讨，旨在为选取滑坡抗剪强度参数提供新的思路及提高其取值精度提供一定的帮助。关键词：滑坡；滑带土；抗剪强度参数；残余强度滑坡是指斜坡上的土体或者岩体，受河流冲刷、地下水活动、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或

2、软弱带，整体或分散地顺坡向下滑动的自然现象。俗称“走山”、“垮山”、“地滑”、“土溜”等，是一种典型的地质灾害现象1。近年来，由于全球变暖，极端气候频繁出现，道路的建设等原因，滑坡等地质灾害发生的几率成倍增加，其危害不可估量：轻则损毁车站、铁路、公路、桥涵等交通设施，造成交通中断，影响道路的畅通；重则造成重大的人员伤亡，给人民的生命财产和国家的经济建设带来重大损失，因此滑坡的治理迫在眉睫2,3。国内外大量研究已证明滑坡的活动与否常常取决于滑带土的应力状态和强度的变化，这些变化又最终取决于滑带土的类型、微观结构特征、物质组分和形成机理等4,5, 滑带土已成为滑坡研究的重要内容。滑带土抗剪强度参数

3、的粘聚力(c)和内摩擦角()的确定是滑坡稳定性评价及滑坡治理工程设计中的关键问题。当值相差仅12时，推力可能成倍增加，参数的取值直接影响着滑坡推力的计算和整治工程方案的选定6。本文主要对滑坡滑带土抗剪强度的类型及其参数的确定方法，特别是残余强度方面的研究成果进行了总结和综述，并对其中一些问题进行了探讨，有助于进一步梳理滑带土抗剪强度参数确定方法的研究方向，提高抗剪强度参数的取值精度。1 滑带土抗剪强度类型有关滑带土强度特性的研究是滑坡研究中最重要的内容, 已经积累了非常丰富的研究成果, 如刘小丽等7 对此进行了系统的总结, 滑带土的研究内容主要包括5种特征强度：峰值抗剪强度（peak shea

4、r strength），残余抗剪强度（residual shear strength）,滑坡启动强度（mobilized shear strength）,完全软化强度（full softened shear strength）以及流变研究中的长期 图1 常法向应力作用下应力-位移曲线示意图抗剪强度(long-term shear strength)等5种特征强度。Skempton8通过图1说明了滑带土的峰值强度、完全软化强度和残余抗剪强度的相互关系。到目前为止，有关滑带土强度特性的研究成果主要反映在其残余强度的研究上，以下主要对滑带土残余强度的研究成果作一简述。自Skempton9提出土应变软

5、化过程最终阶段的“残余强度”并定义8为滑带土以缓慢剪切速率达到相当大的剪切位移条件下所达到的最小剪切强度值以后，国内外学者都意识和认识到它在老滑坡、泥石流滑坡、复活型滑坡、具有潜在滑动面（软弱结构面等）的新生型滑坡的稳定分析与设计以及滑（边）坡渐进性破坏的危险性分析中有着极为重要的意义10-14。由此对峰值强度衰减至残余强度的特征15、残余强度的影响因素16-20、测定试验方法21-23、估算方法23-29及残余强度再生21-35进行了大量研究，得到了一些很重要的成果。例如，陈传胜36等认为考虑滑带土的再生强度不能脱离残余强度，并提出了基于不同有效垂直应力（滑动体覆盖厚度）采用相应的残余强度和

6、再生强度参数的取值方法；田斌37 等认为残余强度是短期强度，再生强度是长期强度，指出在滑坡研究中必须合理区分滑带土残余强度与再生强度的使用场合。2 强度参数的测试及估算法滑带土抗剪强度参数的测试及估算方法各种各样，其主要依据多从塑性指数、液限、矿物成分、矿物颗粒组成、粘粒含量等影响滑带土抗剪强度参数的因素及通过实际滑坡资料分析统计而得38，主要有五大类，即：试验法，经验数据法，工程类比经验法，反算法和加权平均法。这五类方法不是孤立的，而是相互联系的。2.1 试验法试验法包括室内试验和现场大面积剪切试验，室内试验分环剪试验，直剪试验和三轴试验，为了研究和测定滑坡土体符合实际受力状态强度参数，常将

7、两者结合起来确定39。2.1.1 环剪试验20世纪初环状剪切仪已开始研究使用，其形式有毕肖普式22、伏斯列夫式、铁道科学院西北研究所X-75型等。环剪试验是将薄环形试样置于剪切环的上部和下部，保持垂直加载，固定上部，通过剪切环下部的旋转对试样进行环向剪切以获得土体的剪切强度和变形。试样的环形剪切，可在一定垂直荷载作用下完成最大限度的变形，环剪试验装置原理图如图2所示。图2 环剪试验装置原理图环剪试验由于剪切时试样面积保持不变，垂直应力也是恒定的，并且可以作任意大位移剪切，从而使颗粒充分定向排列，可连续地测出土的应力与变形的优势，成为目前国内外公认的最适合的测定残余强度的方法。Gibo et a

8、l，Stark et al，Di M C等人通过环剪试验得到：排水残余强度与粘土颗粒定向排列、矿物成分、土中液体成分、粘土的种类和粘土颗粒的含量有直接关系10-14，而与土初始结构和应力历史无关。同时环剪试验也非常适用于对粘性滑带土的残余强度试验的测定40。环状剪切仪在发达国家被广泛使用，然而环剪试验也有设备昂贵，操作较复杂，测定耗时长的缺点。2.1.2 直剪试验试验方法主要有：往复直剪，多次直剪，切面直剪，涂抹剪，天然滑面剪。由于试验操作简单，费用低廉等优点，往复直剪试验成为目前我国测定土的残余强度的最主要测试方法。但是从模拟滑坡实际情况来看，其具有较明显的缺陷：水平剪切位移量有限；剪切面面

9、积不断变化；垂直应力随剪切位移变化而变化等。这些缺陷导致所测残余强度偏高， Bishop认为它是经验性的，而1973年Herbert提出，虽然它是经验性的，但所测的结果可以满足滑坡稳定性检算和抗滑工程设计的精度要求41。多次直剪用的是总应力法，在同一剪切面上进行多次剪切，使土颗粒达到充分定向排列，得出强度参数。A. W. Bishop 40 曾经对瓦萨姆斯特纳地区五个不同点上的棕色粘土，用各种方法做过残余强度测定试验，结果其他方法较之环状剪切法测得的残余摩擦角大26。铁道部科学研究院西北研究所检算了二十几个滑坡，结果表明：用此法所得的强度参数进行滑坡稳定性检算和推力计算仍是较为理想的24。切面

10、直剪试验简单，据日本西垣好彦试验证明：此法得到的残余强度与往复直剪相同。天然滑面剪是较为理想的实验方法，但取样及制样要求都很高，难度较大41。2.1.3 三轴试验三轴剪切试验最大的优点就是可以控制排水条件，所以在研究和应用中有以下几种测试方法：不固结不排水剪切 (UU)、固结不排水剪切 ( CU)、固结排水剪切 ( CD) 试验。在应用中，应根据工程问题的性质来选择测试方法。除了这一优点，三轴剪切试验还具有剪切破裂面是自然破坏，是最大主应力面破坏或是软弱面破坏；在受力条件上，三轴试验是空间受力，这一受力条件更接近于土样的天然状态, 更真实等优点40。同时，三轴试验可以结合其他方法或软件更合理的

11、求得抗剪强度指标。如利用线性回归方法，通过线性拟合p-q曲线或者拟合大小主应力的方法来求解抗剪强度参数42；基于非线性规划方法，利用Excel 软件，求解出目标函数的最优解，获取三轴试验的抗剪强度指标，并可以利用Excel图表进行绘图43，等。2.1.4 现场大剪试验现场大面积剪切试验更符合实际，可以直接反映现场滑带土的情况，但野外试坑开挖、制样难，试验成本高等原因使得研究数量非常有限，目前所获得的成果大多是结合具体的工程，如三峡工程44。2.2 经验数据法大量试验表明滑带土残余强度参数与滑带土的物理性状密切相关，从而启发国内外学者在不利用环剪仪等精密设备的情况下，通过残余强度与土的各种物理性

12、状指标的经验关系来估算（单因素估算和多因素估算）残余强度参数，这种方法称为经验数据法。当前这种研究大量集中在残余强度参数与岩土物理力学指标塑性指数、粘粒含量等的相关性方面8,9,15,17。而与影响残余强度最重要的因素滑带土微观结构的矿物成分间的相关性的研究并不多17,18。2.2.1 单因素估算意大利Jamiolkowski和Pasqualini根据四十多组残剪试验资料的统计得出残余强度参数r与液限WL关系的经验公式40：r = 453.1WL-0.86；MA坎贾通过实际资料的统计得出r与塑性指数IP关系的经验公式24 ：r = 46.6/（IP0.446）；吴香根45根据12个滑坡的实际资

13、料，建立了滑带土的综合内摩擦角与地形坡度角之间的直线关系；李青云等46通过试验得出碎屑岩类与碳酸岩类软弱夹层错动带的比表面积（B）与残余强度的相关关系式，分别为：内摩擦系数fr =1/(5.313-162.04/B)；fr = 0.832-0.0884InB。 2.2.2 多因素估算周平根等46统计得出宝塔滑坡的r与IP、粘粒含量Pc的关系：r = 35.8 0.204Pc 1.266IP；我国铁道科学研究院西北研究所40从59个滑坡，91种滑带土，236组不排水多次剪切的试验资料，经数理统计得出pH7的碱性滑带土r的经验公式：lgr = 2.4278 1.2279lgIP 0.7713lgI

14、L；日本学者Gibo et al47通过对含有配向性粘土矿物蒙脱石（St）高的滑带土进行环剪试验和矿物定向性射线衍射（XRD）试验，得到：蒙脱石（St）的定向度越高，r的值变得越小；r与Pc、r与St含有量、r与IP间都存在着显著的相关性，并给出了如图3所示的r与St含有量的相关性。但以上的结论都是以高含量St的滑带土为研究对象。Gibo 48又发现有些St含量非常低的滑带土却有低的r值，非定向性粘土矿物含量为主的滑带土r值高的现象。图3残余强度参数r与粒径小于0.420mm的土样中的蒙脱石（St）含量的关系图（Gibo,1992）由以上所述各公式和图可知，由于各人所得统计资料的局限性，所得的

15、抗剪强度参数必然会有差异，所以需用其他方法所得的强度参数来一起予以综合考虑。2.3 工程类比经验法工程类比经验法往往是依据已经竣工及效果良好的防治工程的一些经验数据以及某些工程技术人员的经验，要求其地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、滑坡形态特征及形成机制与研究对象基本相同49。现列举部分地区类似地质条件的滑坡滑带土的强度指标：西南地区的紫红色砂粘土c=9.8kPa,= 6；华北地区的棕红色砂粘土(第三系地层风化物) c= 12.7 kPa ，=7；西南地区的杂色砂粘土(白垩系地层风化物) c=10.3kPa，=8等。但在研究过程中，工程类比经验法仅可以确定滑带的力学参数，定性确定数据

16、，有些地方数据不多，工程技术人员的经验不足就可能出错，因而此法一般作为校验之用。2.4 反算法估算现场滑坡整体失稳强度即滑坡启动强度的最有效方法应属反算法，又称反演分析法或逆演法，目前国内外在工程实际中仍普遍采用此方法，因为它可将许多未知因素包含在反算指标之中。反算法由现代土力学创始人Karl Terzaghi（1943年）41 最早提出后有了很大的发展(如毕肖普、菲伦纽斯、马斯洛夫、詹布、斋藤迪孝，以及铁道部科学研究院西北研究所提出的联立求解法等)，但都是建立在稳定系数Fs=1的基础上的(即极限平衡的基础上的)，实际稳定系数Fs往往不等于1，且具体数值是一个很难确定的问题，也是反算的前提条件

17、。1972年日本山田刚二等人40按滑坡的三个阶段来确定稳定系数：滑动前夕取滑体的稳定系数为1.0；滑动阶段（滑坡正在滑动）取0.95；暂时稳定阶段取1.0。1982年日本山田邦光等人提出：若滑坡滑动速度很小，则取滑体的稳定系数为0.95；若滑动速度较大，则取0.90；若滑坡急剧滑动，则取0.80。卢雪松50等用反算法分析湖北省兴山县金乐滑坡主剖面时，根据滑坡的变形现状，Fs取的是1.05。其实，稳定系数用一个范围表示更合理些，如局部变形阶段，可以取1.001.05；微滑阶段，可以取0.901.00。随着研究人员多年研究得出反算法的多种方法： = 1 * GB3 综合法。由于c，值是两个未知数，

18、所以必须根据室内与现场不扰动滑动面(带)土的抗剪强度的试验结果及经验数据给定粘聚力c或内摩擦角，再利用列出的平衡方程（工程中一般采用传递系数法、Janbu或简化Bishop法51）反求另一值，此法称为综合c，法52。一般c值的大小取决于滑带土的物质组成(主要为粘粒含量)及含水状态和滑体的厚度，变化幅度不大。日本山田刚二等人53建议按滑体厚度选取c值，如滑体厚度为5m，粘聚力c取5kPa；滑体厚度为10m，粘聚力c取10kPa等。有时粗略估算可根据滑带的物质组成和含水状态作进一步的简化：即对饱和粘土假定=0，求综合c，称为综合c法；对滑带以岩屑、砂粒等粗颗粒为主的，则假定c=0，求综合，称为综合

19、法54。 = 2 * GB3 多断面法。为了减少人为假定的影响，同时反算出c，可用地质条件类似（特别是滑带土的物质组成和含水状态），运动状态和滑动过程类似，滑坡的发育阶段类似的两个或多个断面联立方程求解。最简单、可靠的取法有：取同一个滑坡的主轴断面和其两侧的辅助断面；同一个滑坡区的两个类似滑坡的两个主轴断面；同一滑坡的上、下两级；同一滑坡在滑前及滑后两种状态55。 = 3 * GB3 共轭图法。在建立的平衡方程中，对每一方程假定c=0，求，再假定=0，求c，这样在c坐标图中两条直线的交点就是所求的c和值。 = 4 * GB3 三维法。工程中用二维反分析法确定的强度参数偏高，给滑坡治理带来不安全

20、影响，三维反分析方法可以考虑三维滑体的空间效应，得到的抗剪强度参数更真实、更符合实际情况56。邓建辉56基于强度折减概念的有限元法，探讨了滑带土抗剪强度参数的三维数值反算法；陈传胜等57对三维与二维稳定分析的结果进行了比较分析，为合理正确地评价滑坡稳定性及认识三维稳定分析的优越性提供了有价值的理论依据。目前反算法应用很广，但不是所有情况都能用反算法来求c和，当滑坡处于蠕动变形阶段或弱变形阶段，反算结果可信度低，有时反而会出错，所以反算要考虑前提条件，适合算主滑段。由于反算法很难说明滑带土强度的变化机理和特性，所以只能作为一种强度研究的辅助办法或作为验证的一种手段58，如何解决反算法在实际运用中

21、的问题，是滑坡滑带土强度特性研究中的一个重要方面。2.5 加权平均法滑带土的强度参数的取值应综合考虑滑坡体稳定现状及发展趋势、滑坡体物质组成、启动成因、工程地质与水文地质条件，同时兼顾各种强度参数取值方法的局限性，将加权平均法引入滑带土抗剪强度综合取值中，构建一个基于加权平均法的滑带土抗剪强度取值模型，为滑带土抗剪强度的综合取值提供一种新的方法。王其洪等人59用加权平均法确定的三峡库区150多个滑坡的强度参数，能够较准确的代表滑带土强度性能。周燕聪60等用加权平均法确定了广东省某住宅区后山滑坡滑带土抗剪强度系数。加权平均法必须将各种取值标准按其重要性进行加权，以计算出的加权平均值作为评价标准，

22、但其在各种取值权重系数选取方面存在一定的主观因素，有待进一步深入研究。总之，目前滑带土抗剪强度参数的确定方法各有优缺点，因此滑带土抗剪强度参数的取值应遵循两种或两种以上的方法综合选取的原则。当采用一种试验手段（如室内试验法或现场试验法）时，试验获得的标准即为试验数据；当采用两种以上试验手段获得相应标准值时，应按实际情况取不同权重综合取值作为试验数据；当有条件进行反算时，应按给定的稳定系数分算整个滑面的平均c，值，当反算值与综合确定的强度指标值有出入时，可再对综合值进行适当修改。采用多种方法对滑坡抗剪强度参数进行综合取值，既利用有关理论进行计算，又结合了滑坡的实际情况，既科学又合理，为准确选取滑

23、坡抗剪强度参数提供了新的思路。3 问题与展望前人对滑坡滑带土抗剪强度参数做了大量的研究，且取得了优异的成果，但尚有许多问题有待深入探讨。（1）抗剪强度取值方法中存在局限性。工程取值中应综合考虑影响抗剪强度的因素，合理地将几种方法结合起来，因地制宜地选择安全、简单、经济的取值方案。（2）应加强对各类滑坡的破坏机理进行系统研究，以利于掌握滑坡各部分的变形与强度变化的关系，弄清滑带土在剪切过程中的应力应变关系，如强度超过峰值后随剪切位移增加而衰减的机理，阐明应力应变曲线各点段的物理意义，这对于解决强度参数正确取值是必不可少的。（3）如何有效解决各种确定方法在实际中的运用问题。如残余强度参数估算方法的

24、很多研究给出了r与物理性状指标的相关性方程，但是相关性并不显著或是有条件限制的显著性（如限制粘土粒径0.002mm，而国际材料试验协会ASTM61,62颁发的环剪试验标准是粘土粒径0.425mm）、以至估算值与实测值还存在着较大的差异，都没能在实际的滑坡防治工程设计中得到充分应用。（4）滑带土的性质对抗剪强度参数的取值至关重要。应该加强对滑带土的研究，尤其是对滑带土中的粘土矿物成分、矿物微观结构与强度参数的关系等方面有待深入探讨。参考文献：铁道部科学研究院西北研究所. 滑坡防治M. 北京: 人民铁道出版社, 1977: 5-12.李树德. 中国滑坡、泥石流灾害的时空分布特点J. 水土保持研究,

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