谌文武等：渗透剪切作用下黄土的力学特征 ·641· 进行，渗透系数先减小后渐趋平稳.压-剪耦合作用 分析3-16]，但常规的三轴试验中未考虑渗流对于剪 下，黏土在稳定流条件下破坏后会产生自愈现象，而 切的影响.而黄土滑坡中黄土体的失稳往往在渗流 自愈后的渗透系数显著增加[24].上述研究中仍然 场和应力场同时存在的情况下发生，在三轴试验的 缺乏对岩土体在渗透作用下的剪切特性方面的研 剪切过程中施加恒水头渗透可直接获得饱和黄土在 究，渗透与剪切耦合后，土体中同时存在渗透力和剪 渗透剪切共同作用下的力学性质.本文试验利用兰 切作用力，二者共同作用下较单一剪应力作用土体 州大学HKUST-25KN土工三轴仪完成.三轴仪由 时，势必引起土体强度发生变化，而渗透引起的剪切 压力室、轴压压力/体积控制器、反压压力/体积控制 强度方面的变化对于黄土滑坡的形成至关重要. 器、围压压力/体积控制器及数据采集板和计算机组 本文通过三轴试验，探究饱和黄土在应力场与 成.设备中圆柱形试样尺寸为直径39.1mm高度 渗流场耦合条件下的力学行为.通过设置不同剪切 80.0mm. 速率与有效正应力，对恒水头条件下饱和黄土在不 试验中，首先对黄土试样进行饱和，待饱和度检 同剪切速率下的剪切特性进行系统研究，同时设置 测(B值)通过后对试样进行固结，固结中试样的排 不同水头试样在相同剪切速率下的渗透剪切试验， 水量稳定时方可结束.固结后对试样施加2.0m的 研究水头对渗透剪切特性的影响. 恒定水头，使试样处于渗流状态，当试样的进水量和 出水量保持稳定后即认为渗透达到稳定状态.稳定 1试样和试验 后开始施加剪应力，剪切采用应变控制.剪切速率设 1.1试样 置为0.5,0.1和0.05 mm-min-1.试验方案见表1. 为通过饱和黄土的渗透剪切试验结果解释黄土 表1渗透剪切试验方案 滑坡形成过程，本研究中所取试样为黑方台4.29党 Table 1 Test design of seepage shear 川滑坡后壁原状样(HFT).黄土含水量为3.42%~ 试样编号 试验类型 试样编号 试验类型 7.54%,密度1.42~1.53g·cm-3,土粒比值（土粒 1# ST-0-0.5 5# ST-0-0.05 在温度105℃~110℃下烘干至恒量时的质量与土 2# sT-2-0.5 6# ST-2-0.05 粒同体积4℃时纯水质量的比值)为2.7，液限和塑 ST-0-0.1 1装 ST-1-0.1 限分别为24.90%~25.80%和16.70%~17.60%. 4# ST-2-0.1 8# sT-5-0.1 试样颗粒分布曲线见图1.室内通过切土盘将试样 注：“ST-2-0.1"表示渗透剪切试验中，渗透水头为2m,剪切速 削制成直径39.1mm高度80.0mm的圆柱形原状样 率为0.1 mm'min1,其余类似. 75个，制样中发现该黄土试样较为均匀，黏土结核 含量较少，可见少量植物根系，黄土中虫孔相对较 2试验结果 多.选择均匀性较好的60个共10组试样进行 试验. 2.1不同剪切速率下渗透剪切结果 100 试验中首先对试样进行恒定水头不同剪切速率 下的渗透剪切试验，主要模拟加载速率对于渗透剪 0 切破坏的影响.试验中水头均设置为2.0m,剪切速 率依次为0.5、0.1和0.05 mm-min-1.试验结果见 60 图2~5（图中ST-0和ST-2表示渗透剪切中水头为 0和2.0m).通过试样高度与水头换算后，2.0m水 头对应的水力梯度为25，水头对于黄土渗透剪切效 20 果的影响实为水力梯度对渗透剪切效果产生了影 响.黄土原始边坡中，渗透过程中的水力梯度越大 102 10- 产生的渗透力越大，越发容易诱发黄土边坡失稳后 粒径/mm 产生黄土滑坡.基于此，本文设计系列试验对该问 图1黄土的颗粒分布曲线 题进行深入分析.这与朱立峰等)研究灌溉诱发黄 Fig.I Particle size distribution curve of loess 土滑坡机制得出的结论一致. 1.2试验方案和设备 如图2~4中所示，饱和黄土剪切中施加渗流 饱和黄土的三轴试验已有学者进行了系统研究 后，偏应力均表现出明显的降低，降低幅度与加载速谌文武等: 渗透剪切作用下黄土的力学特征 进行,渗透系数先减小后渐趋平稳. 压鄄鄄剪耦合作用 下,黏土在稳定流条件下破坏后会产生自愈现象,而 自愈后的渗透系数显著增加[24] . 上述研究中仍然 缺乏对岩土体在渗透作用下的剪切特性方面的研 究,渗透与剪切耦合后,土体中同时存在渗透力和剪 切作用力,二者共同作用下较单一剪应力作用土体 时,势必引起土体强度发生变化,而渗透引起的剪切 强度方面的变化对于黄土滑坡的形成至关重要. 本文通过三轴试验,探究饱和黄土在应力场与 渗流场耦合条件下的力学行为. 通过设置不同剪切 速率与有效正应力,对恒水头条件下饱和黄土在不 同剪切速率下的剪切特性进行系统研究,同时设置 不同水头试样在相同剪切速率下的渗透剪切试验, 研究水头对渗透剪切特性的影响. 1 试样和试验 1郾 1 试样 为通过饱和黄土的渗透剪切试验结果解释黄土 滑坡形成过程,本研究中所取试样为黑方台 4郾 29 党 川滑坡后壁原状样(HFT). 黄土含水量为 3郾 42% ~ 7郾 54 % ,密度 1郾 42 ~ 1郾 53 g·cm - 3 ,土粒比值(土粒 在温度 105 益 ~ 110 益 下烘干至恒量时的质量与土 粒同体积 4 益时纯水质量的比值)为 2郾 7,液限和塑 限分别为 24郾 90% ~ 25郾 80% 和 16郾 70% ~ 17郾 60% . 试样颗粒分布曲线见图 1. 室内通过切土盘将试样 削制成直径 39郾 1 mm 高度 80郾 0 mm 的圆柱形原状样 75 个,制样中发现该黄土试样较为均匀,黏土结核 含量较少,可见少量植物根系,黄土中虫孔相对较 多. 选择均匀性较好的 60 个共 10 组试样进行 试验. 图 1 黄土的颗粒分布曲线 Fig. 1 Particle size distribution curve of loess 1郾 2 试验方案和设备 饱和黄土的三轴试验已有学者进行了系统研究 分析[13鄄鄄16] ,但常规的三轴试验中未考虑渗流对于剪 切的影响. 而黄土滑坡中黄土体的失稳往往在渗流 场和应力场同时存在的情况下发生,在三轴试验的 剪切过程中施加恒水头渗透可直接获得饱和黄土在 渗透剪切共同作用下的力学性质. 本文试验利用兰 州大学 HKUST鄄鄄25KN 土工三轴仪完成. 三轴仪由 压力室、轴压压力/ 体积控制器、反压压力/ 体积控制 器、围压压力/ 体积控制器及数据采集板和计算机组 成. 设备中圆柱形试样尺寸为直径 39郾 1 mm 高度 80郾 0 mm. 试验中,首先对黄土试样进行饱和,待饱和度检 测(B 值)通过后对试样进行固结,固结中试样的排 水量稳定时方可结束. 固结后对试样施加 2郾 0 m 的 恒定水头,使试样处于渗流状态,当试样的进水量和 出水量保持稳定后即认为渗透达到稳定状态. 稳定 后开始施加剪应力,剪切采用应变控制. 剪切速率设 置为0郾 5、0郾 1 和0郾 05 mm·min -1 . 试验方案见表1. 表 1 渗透剪切试验方案 Table 1 Test design of seepage shear 试样编号 试验类型 试样编号 试验类型 1# ST鄄鄄0鄄鄄0郾 5 5# ST鄄鄄0鄄鄄0郾 05 2# ST鄄鄄2鄄鄄0郾 5 6# ST鄄鄄2鄄鄄0郾 05 3# ST鄄鄄0鄄鄄0郾 1 7# ST鄄鄄1鄄鄄0郾 1 4# ST鄄鄄2鄄鄄0郾 1 8# ST鄄鄄5鄄鄄0郾 1 注:“ST鄄鄄2鄄鄄0郾 1冶表示渗透剪切试验中,渗透水头为 2 m,剪切速 率为 0郾 1 mm·min - 1 ,其余类似. 2 试验结果 2郾 1 不同剪切速率下渗透剪切结果 试验中首先对试样进行恒定水头不同剪切速率 下的渗透剪切试验,主要模拟加载速率对于渗透剪 切破坏的影响. 试验中水头均设置为 2郾 0 m,剪切速 率依次为 0郾 5、0郾 1 和 0郾 05 mm·min - 1 . 试验结果见 图 2 ~ 5(图中 ST鄄鄄0 和 ST鄄鄄2 表示渗透剪切中水头为 0 和 2郾 0 m). 通过试样高度与水头换算后,2郾 0 m 水 头对应的水力梯度为 25,水头对于黄土渗透剪切效 果的影响实为水力梯度对渗透剪切效果产生了影 响. 黄土原始边坡中,渗透过程中的水力梯度越大 产生的渗透力越大,越发容易诱发黄土边坡失稳后 产生黄土滑坡. 基于此,本文设计系列试验对该问 题进行深入分析. 这与朱立峰等[3]研究灌溉诱发黄 土滑坡机制得出的结论一致. 如图 2 ~ 4 中所示,饱和黄土剪切中施加渗流 后,偏应力均表现出明显的降低,降低幅度与加载速 ·641·