宋京雷 郝社锋 蒋 波 喻永祥 王武超 孙少锐
(1.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210000； 2.河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 211100)
随着基础设施建设加快，工程中不可避免的会遇到互层边坡，软岩在地下水的水化作用下容易发展成为泥化夹层，对工程的安全与稳定造成威胁。粉砂质泥岩是一种常见的软岩，粉砂质泥岩[1]的矿物组成主要由黏土矿物、长石、石英等组成，其形成过程是经过长时间的挤压、脱水、重结晶等作用后形成的钙泥质胶结或者是粉泥质结构，其物理性质具有易裂、易碎性、透水性较差等。已有大量学者[2-5]对粉砂质泥岩进行了室内试验，并取得了丰富的成果。邢鲜丽[6]通过对黄土试样的三轴剪切实验发现含水量对黄土有效残余抗剪强度的影响主要体现在黏聚力上；陈星强[7]的非饱和土三轴试验同样证明了，土体含水量对黏聚力和内摩擦角有强烈的影响，尤其对黏聚力的影响突出；王中文[8]由水敏性试验的结果提出了临界含水率抗剪强度面的概念；唐自强[9]认为含水率对应力—应变曲线形态的影响与干密度有着一定的关系；张添锋[10]、胡斐南[11]、马金元[12]分别研究了红黏土、紫土、黄土的抗剪强度和含水率的关系；据吴佳华[13]的实验证明随着含水量的增加，粉质黏土的内摩擦角和黏聚力逐渐降低，呈现线性关系，并得出了黏聚力与内摩擦角的经验公式；宋钇宏[14]通过膨胀土三轴实验，得到了一种小粒径与含水率对抗剪强度的最优配比；冀慧[15]进行了黄土粉状黏土的实验，结果表明剪切速率对黄土的抗剪强度有重要影响，且基本符合二次多项式的关系。本文将清明山滑坡中的粉砂质泥岩重塑，在不同法向应力和含水率条件下进行直剪试验，研究粉砂质泥岩的法向应力、含水率与抗剪强度之间的关系，为后续学者的研究提供借鉴。
1 试验材料与方案
1.1 试样制备
苏州市吴中区清明山滑塌区滑坡地质灾害治理区位于清明山北坡。边坡在地下水的作用下，沿软弱的粉砂质泥岩夹层发生平面滑动。本次试验所用粉砂质泥岩采自清明山矿区滑坡的软硬互层岩体，岩样强度低，手搓即碎，遇水易软化，取样区域及原状试样如图1所示。
由于试验考虑不同含水率情况下粉砂质泥岩强度特性，因而首先要测定其饱和含水率。粉砂质泥岩的饱和含水率采用真空抽气法进行测定，经试验测得所取粉砂质泥岩饱和含水率为16%。为制作不同含水率的试样，首先将粉砂质泥岩碾碎、颗粒大小筛选、烘干，再称取3组1 kg泥岩分别加入50 g，100 g，160 g水，充分搅拌后装入黑色塑料袋后放置阴暗处静置24 h后称其质量，前后质量差不超过1 g，即可判定水与泥岩充分混合且含水率分别为5%,10%,16%。各含水率泥岩调制好后，分别取相同质量的泥岩用压缩器将泥岩压缩成标准试样，保证各试样密度一致。而干燥的试样，可从任一含水率标准试样中选取进行烘干24 h后获得。试样尺寸为61.8 mm×20 mm。试样制取过程如图2所示。
1.2 试验方案
对不同含水率的粉砂质泥岩试样采用应变控制式直剪仪进行直剪，该直剪仪由剪切盒、垂直加压设备、剪切传动装置、测力计以及位移量测系统等组成。加压设备采用杠杆传动。每个砝码对应的法向应力为100 kPa。法向应力控制为100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa这四个量级，剪切速率控制为0.02 mm/rad，切向应力的大小会随着剪切盒的移动而增大，当切向应力大小突然下降或者不再增加，出现切向应力峰值，可认为试样被剪切破坏，记录破坏的峰值，继续剪切至残余强度或者4 mm时，停止剪切；若剪切过程中无峰值出现，剪切至切向位移7 mm时停止。通过记录圈数与钢环读数来换算成剪切应力与应变值。
2 法向应力对粉砂质泥岩剪切破坏的影响
从图3可以看出各含水率试样在不同法向应力下切向应力—切向位移的关系。在相同含水率的情况下，法向应力越大，达到破坏峰值时的切向应力也越大。在各法向应力作用下，不同含水率粉砂质泥岩的切向应力—切向位移曲线形式概括起来主要有三种形式，如图4所示。
1)明显峰值型曲线。这类曲线出现在含水率较低的试样中，在达到峰值前，切向应力随着切向位移的增加而增大，此阶段位移增长速度较快，达到峰值强度后，由于试样遭到剪切破坏，切向应力迅速减小，随着切向位移的增加试样最终达到残余强度，切向应力趋于稳定。2)不明显峰值型曲线。这类曲线主要表现为剪切开始后，切向应力随着位移增加迅速增加，达到一定大小后切向应力增速放缓，待达到峰值后，试样破坏，但峰值减小不明显，随着位移增加，峰值才逐渐下降，曲线表现为峰值存在但不突出的现象。3)指数型曲线，这类曲线呈现指数型增长，出现在饱和试样中，切向应力随着切向位移的增加首先呈线性增加，然后增速放缓，进而达到切向应力最大值，达到峰值后，切应力的大小随着位移的增加保持不变。
从室内试验结果上来看，含水率较低的试样，如干燥试样、5%含水率试样切向应力—切向位移曲线表现为明显的峰值曲线，初始时试样处于弹性阶段，切向应力大小随着切向应变呈线性增长，增速也逐渐增加，待达到切向应力峰值后，试样发生剪切破坏，切向应力大小呈现断崖式下降，待到稳定后，切向应力随着切向位移增加保持不变，此时的剪切强度为残余强度。对于含水率较高的试样，10%含水率试样表现为不明显的峰值曲线。剪切初始，切应力随着位移增加逐渐增大，但增速放缓，达到峰值后，切向应力下降不明显，且待到稳定后峰值强度与残余强度大小相差较小。最后，对于饱和含水率试样，其切向应力—切向位移曲线表现为指数型曲线，剪切开始后，切向应力大小随切向位移的增加呈指数型增长，达到峰值后，切向应力大小随切向位移的增加基本保持不变。当法向应力为100 kPa时，干燥情况下以及5%含水率情况下，试样在切向位移1 mm左右达到峰值，其他两组含水率试样在切向位移2 mm左右，随着法向应力增加，峰值强度对应的切向位移皆有不同程度的增加。对整体而言，各试样切向应力峰值大小随着法向应力的增加而增加，法向应力越大，达到剪切破坏的峰值强度越大。各峰值所对应的切向位移也随着法向应力的增加有着不同程度的增加。
3 含水率对粉砂质泥岩剪切破坏的影响
从图5中可以出，在同一法向应力下，不同含水率的试样峰值大小以及峰值曲线有着较大的差异。干燥情况下，切向应力峰值最大，曲线最陡。达到峰值剪切破坏后应力下降最明显，残余强度与峰值大小差距最大。随着含水率的增加，切向应力峰值骤减，且其切向应力—切向位移曲线发生了明显的变化，干燥时切向应力—切向位移曲线表现为明显的峰值曲线，而饱和含水率情况下，切向应力—应变曲线表现为指数型曲线。此外，含水率的变化使试样的残余强度也发生了变化。干燥情况下残余强度最大，随着含水率的增加，其残余强度逐渐减小。由此可见，含水率的变化，使粉砂质泥岩的抗剪强度各参数都发生了较大的改变，其剪切破坏模式也由开始的脆性破坏转为塑性破坏。
为了获得不同含水率情况下粉砂质泥岩的抗剪强度参数，将各组试样的抗剪强度列于表1。将表1中的各项数据绘制成图6，从图6中可以看出同一含水率的粉砂质泥岩，抗剪强度随着法向应力的增加而增加，而在同一法向应力条件下，随着含水率的增加，粉砂质泥岩的抗剪强度急剧减弱。如表2所示，将线性拟合数据进行整理得出不同含水率情况下各组试样抗剪强度参数。不难看出，黏聚力随着含水率的增加而减弱；内摩擦随着含水率的增加而减小。
表1 不同含水率试样各法向应力对应抗剪强度 kPa
表2 不同含水率试样抗剪强度参数表
试样组ABCD含水率干燥5%10%饱和黏聚力/kPa174.03171.15112.509.62内摩擦角/(°)44.7528.1318.3014.53
为了更直观的体现含水率对粉砂质泥岩的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角等的影响，将不同含水率试样在不同法向应力下得出的抗剪强度、平均黏聚力以及平均内摩擦角大小绘制成图，如图7所示。在同一法向应力下，粉砂质泥岩试样的抗剪强度随着含水率的增加而减小，法向应力越大，减小的幅度越大，对应的曲线斜率越大。对于黏聚力，含水率较小时，试样黏聚力大小接近，随着含水率的增加，黏聚力骤减，急速下降。整体而言，黏聚力随着含水率的增加而减小，且减小的幅度，随着含水率的增大而增大。关于内摩擦角，整体而言，内摩擦角也随着含水率的增加而减小。从干燥的试验到5%含水率试样，内摩擦角减小的幅度最大，而后内摩擦角减小的幅度慢慢降低，曲线呈半凹型。
4 结语
本文将采自清明山的粉砂质泥岩试样通过加水重塑后制成不同含水率试样后，采用应变控制式直剪仪进行直剪试验，通过对试验数据进行处理，分析不同含水率下试样的强度变化规律。主要结论如下：1)对取自清明山的粉砂质泥岩采用真空抽气法进行饱和含水率测定，测得该样品的饱和含水率为16%。2)随着含水率的变化，试样的切向应力—切向位移曲线由峰值类曲线逐渐变为指数型曲线，干燥试样、5%含水率试样切向应力—切向位移曲线表现为明显的峰值曲线，10%含水率试样表现为不明显的峰值曲线，对于饱和含水率试样，曲线表现为指数型曲线。在同一法向应力下，不同含水率的试样峰值大小以及峰值曲线有着较大的差异。干燥情况下，切向应力峰值最大，曲线最陡。随着含水率的增加，切向应力峰值骤减。3)粉砂质泥岩试样的抗剪强度随着含水率的增加而减小，法向应力越大，减小的幅度越大；黏聚力随着含水率的增加而减小，含水率越高减小的幅度越大；内摩擦角也随着含水率的增加而减小，随着含水率的增加内摩擦角减小的幅度慢慢降低，曲线呈半凹型。
