DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.12.028

滑带土残余强度的速率效应及其对滑坡变形行为的影响

王鲁男¹，晏鄂川¹，宋琨²，杨广¹，王杰¹

(1. 中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉，430074；

2. 三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌，443000)

摘要：选取三角滩滑坡滑带土进行环剪试验，分析滑带土残余强度的速率效应及含水率对速率效应的作用，结合数值模拟揭示速率效应对滑坡变形行为的影响。研究结果表明：三角滩滑坡滑带土残余强度具正速率效应；滑带土残余强度的速率效应可表示为φ_r=Aln(v)+B，其中速率效应系数A反映速率效应的类型与剧烈程度；正速率效应下，受土体自身黏滞性与细颗粒定向性的交互影响，A随着含水率的增加先减小后增大；受正速率效应的影响，滑带土残余强度的动态变化控制着滑坡由活动阶段过渡到稳定阶段，揭示滑带土残余强度的正速率效应对滑坡的变形行为具有重要的影响，为滑坡“走走停停”的变形特性提供解释。

关键词：滑带土；残余强度；速率效应；变形行为

中图分类号：P642.22             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)12-3350-09

Rate effect of residual strength of slip soils and its impact on deformation process of landslides

WANG Lunan¹, YAN Echuan¹, SONG Kun², YANG Guang¹, WANG Jie¹

(1. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;

2. Collaborative Innovation Center for Geo-hazards and Eco-environment in Three Gorges Area,China Three Gorges University, Yichang 443002, China)

Abstract: Using ring-shear testing on reconstituted soil samples from the Sanjiaotan landslide over a wide shearing rate, the impact of shearing rates on the residual strength of slip soils and the influence of moisture content on the rate effect were studied. The relationship between the rate effect and the deformation process of landslide is explored by the numerical simulation technology. The results show that the residual strength of samples is positively dependent on the shearing rates. The equation which quantitatively assesses three types of rate effects is presented: φ_r=Aln(v)+B, in which A is the rate effect coefficient. The residual strength of slip soils can display different types and violent degree of rate effects, accompanying A. Due to the viscosity of soils and the alignment of clay particles, the value of A increases firstly, and then decreases with the increment of moisture content in the positive rate effect. Affected by the positive rate effect, the residual strength of slip soils presents a dynamic change. It determines the process from active stage to stable stage of landslides. In summary, the rate effect on residual strength of slip soils plays a decisive role in the deformation process.

Key words: slip soils; residual strength; rate effect; deformation process

滑带土是伴随滑坡孕育而形成的，其强度变化规律对滑坡的变形发展与稳定性是至关重要的^[1]。根据岩土力学理论，滑带土抗剪强度随着滑坡的变形发展在不断变化，是一个具有时效性的动态参量。若将抗剪强度考虑为静态参量引入到动态的滑坡变形分析中，则不能准确反映出滑坡稳定性的状况。滑坡滑动时，滑带土能提供的抗剪强度接近于残余强度^[2-3]，且随着滑带的剪切速率不同，滑带土的残余强度是动态变化的^[4]，而这种变化直接影响着滑坡的变形行为，反过来又制约残余强度的变化。一般情况下，滑带的剪切速率呈连续且较小的变化，引起的强度波动也不会太明显，但是随着外界诱发因素(暴雨、库水和地震等)的加强，滑带的剪切速率常出现数量级的变化^[5]，引起的残余强度波动足以改变滑坡的稳定性状态。因此，深入研究滑带土残余强度的速率效应及其工程应用具有一定的现实意义。国内外开展了许多针对土体残余强度速率效应的研究。LEMOS^[6]根据天然土样的室内环剪试验结果，提出剪切速率对残余强度具有3种影响效应，即正速率效应、无速率效应和负速率效应。大量的室内试验也表明，土体残余强度的剪切速率效应是不可忽略的^{[2, 7-9]}。SAITO等^[10]利用不排水环剪试验揭示土体残余强度与剪切速率间的关系，提出土体剪切模式的变化是残余强度速率效应产生的原因。BHAT等^[11]提出扰动、过渡和滑动3种剪切模式，并通过试验证明了土体残余强度的速率效应来自于剪切模式的改变。吴剑等^[12]认为在滑坡快速下滑过程中，滑带的剪切运动是一种固液两相流，液相的动压变化造成固体颗粒之间的接触应力变化，最终导致滑带整体的抗剪强度的变化。KHOSRAVI等^[13]提出土样残余强度的速率效应主要来自于试验设备的影响。WANG等^[14]对某滑坡滑带土进行环剪试验，提出残余强度受剪切速率影响明显，并对滑坡产生周期性的促进-遏制作用。可以看出，现有研究集中于土体残余强度的速率效应及其产生机理，但还缺乏主控因素下滑带土残余强度速率效应的变化规律研究；同时，速率效应与滑坡变形行为的关系研究也较少。本文作者以重庆市忠县的三角滩滑坡为例，对滑带土的重塑样进行固结排水环剪试验，揭示不同条件下滑带土残余强度的变化规律，重点分析滑带土残余强度的速率效应及含水率对速率效应的影响。探究不同速率效应类型与滑坡变形行为的关系，通过数值模拟，揭示滑带土残余强度的正速率效应对滑坡变形行为的影响，为三角滩滑坡“走走停停”的变形特性提供解释。

1  环剪试验

1.1  滑带土的物理特性

滑带土取自重庆市忠县戚家河右岸的三角滩滑坡的后缘出露处。三角滩滑坡为典型土质岩床类滑坡，滑体主要为粉质黏土夹碎块石，平均厚度约12 m；滑带为松散堆积物与下伏基岩接触面，物质组成为一层厚8~15 cm的粉质黏土，夹少量碎石；滑床为自流井组钙质页岩夹厚层状灰岩(图1)。近年来，该滑坡受强降雨影响发生过多次滑动，较剧烈的是2002年造成5栋房屋被迫拆迁，且形成一条深度不详、宽1~3 m、长度大于150 m的地裂缝，之后在自重作用下又逐渐恢复其原有的稳定性，即一定时间后变形逐渐自行停止，滑坡重新进入稳定状态，此过程反复、持续地出现，导致滑坡表现出“走走停停”的宏观变形特性。该特性在滑坡设置的变形监测点上也有所体现。监测资料显示，2008年6月前，监测点累计位移均较小，不超过20 mm，2008年6月，监测点的位移突然大幅度增加，超过了150 mm。至2008年10月，监测点变形速率减小，趋于稳定。每逢雨季，滑坡监测点位移均出现不同程度的突变。

图1  三角滩滑坡剖面图

Fig. 1  Sanjiaotan landslide profile

新鲜滑带土呈黄褐色，结构较为密实，根据《土工试验方法标准》对其进行粒度分析和液、塑限联合测定试验，结果如图2和表1所示。可以看出：该滑带土的粉粒、黏粒含量高，大于2 mm的粗粒所占比例小于10%，其中黏粒的含量对于滑带土的工程性质至关重要；天然状态下滑带土处于可塑状态，这与滑带土渗透性弱、相对隔水密切相关。

图2  滑带土颗粒分析曲线

Fig. 2  Gradation curve of slip soils

表1  滑带土基本物理性质

Table 1  Basic physical properties of slip soils

1.2  试验方案

现有的理论与试验结果都表明，土体的残余强度与应力历史和初始结构无关，可用土的重塑样进行室内试验求取残余强度，而无需采用原状土样^[15]。重塑样的制备步骤为：把新鲜的滑带土用烘箱烘干，烘箱温度105 ℃保持24 h以上，干燥后土样过孔径2 mm筛，剔除粒径大于2 mm的粗颗粒；然后添加清水配置不同含水率的土样，将制成的土样装入剪切盒内，并用直径为100 mm环刀切除中心部分，剪切盒安装于环剪仪上即可开始试验。

试验设备选用中国科学院武汉岩土力学研究所的DTA-138型土工环剪仪，其剪切盒内环直径为100 mm，外环直径为150 mm，有效高度为20 mm，其剪切面积为98.16 cm²。该仪器主要特点是剪切速率的可调范围大，且可有效控制试验的排水条件。试验以含水率划分为3组，分别进行固结排水剪切，剪切前将各土样在对应的法向应力下固结24 h以上，剪切过程中开启排水阀门。之所以采用排水剪切过程主要是考虑到该滑带土的赋存环境，钻孔资料显示在滑带上部的滑体结构较为疏松，相对透水，而下部为相对隔水的钙质页岩夹厚层状灰岩，滑动剪切过程中地下水集中赋存于滑体的底部。

剪切速率处于一定的范围内才对滑带土残余强度有影响^[16]，因此需要选择合适的试验剪切速率，以反映滑带的剪切速率对滑带土残余强度的影响。在常规试验较缓慢的剪切速率范围内(0.002~0.010 mm/min)，土的残余强度变化较小^{[2, 9, 11, 17]}。胡显明^[18]提出过大的剪切速率，易造成滑带土样“漏水、挤土”现象严重，得到的结果离散性偏大，并建议试验剪切速率选择范围为0.2~20 mm/min。综合前人的研究经验，本文选取3个级别的剪切速率0.2，2.0和20 mm/min，剪切过程采用预剪+多级剪切速率的方法，即首先施加2.0 mm/min的剪切速率使土样完全破坏，以尽快达到稳定残余状态，之后以0.2，2.0和20 mm/min的剪切速率依次剪切，每级剪切残余强度达到稳定状态时，进入下一级剪切速率，这样连续的大位移剪切过程更加符合于滑带的变形特性。同时，法向应力选为100，200，300和400 kPa。具体方案如表2所示。

表2  滑带土环剪试验方案

Table 2  Ring-shear test scheme of slip soils

2  试验结果分析

2.1  应力-应变特征分析

图3所示为不同条件下滑带土的剪切应力-剪切位移关系曲线。由图3可见：高含水率、低法向应力下曲线出现不明显的峰值，而低含水率、高法向应力下曲线表现出应变硬化特征。产生这种现象的原因如下：当含水率较低时，土中少量的自由水对土颗粒表面润滑作用不明显，导致颗粒间摩擦咬合力很大，同时在颗粒的重新排列过程中较大的法向应力，造成细颗粒填充进入粗颗粒间的孔隙中，使得土体抗剪强度得到了一定程度的恢复加强，导致剪切应力-剪切位移关系表现出应变硬化特征；反之，当含水率较高时，土颗粒间的引力作用减弱，同时自由水的润滑作用和较小的法向应力也弱化了颗粒间摩擦咬合作用，土体抗剪强度受润滑作用和软化作用明显，导致剪切应力-剪切位移关系曲线出现不明显的峰值^[19]。

图3  不同条件下剪切应力-剪切位移关系曲线

Fig. 3  Shear stress-shear displacement curves under different conditions

表3所示为不同剪切速率下滑带土的残余强度。对比发现，滑带土的残余强度受含水率、法向应力和剪切速率共同影响。具体来说，法向应力越大，残余强度越大；含水率越高，残余强度越小。分析其原因，较大的法向应力有助于增强颗粒间的摩擦咬合作用，导致残余强度的升高；含水率的影响较为复杂，可从土体结构和基质吸力2方面进行分析^[20]，含水率较高时，剪切过程中细颗粒的定向排列更加明显，同时颗粒间的联结性更弱，团粒间较大孔隙的减少而团粒内较小孔隙的增加，两者直接造成基质吸力的减小，再加上自由水具有的润滑作用，最终导致残余强度值的降低。同时，残余强度随着剪切速率的增加而增大，而孙涛等^[21-22]对超固结土的研究表明，剪切速率对最终的残余强度没有影响，不同的试验结果反映出超固结比对不同剪切速率下土体残余强度的变化规律具有重要影响。下面重点分析滑带土残余强度的速率效应现象。

2.2  速率效应分析

剪切速率对土体残余强度存在3种影响效应^[6]，即正速率效应(剪切速率与残余强度为正相关关系)、无速率效应(剪切速率与残余强度无关系)和负速率效应(剪切速率与残余强度为负相关关系)，图4所示为3种速率效应简化图。

表3  不同剪切速率下滑带土的残余强度

Table 3  Residual strengths of slip soils at different shearing rates           kPa

图4  3种速率效应简化图

Fig. 4  Simple sketch of negative, positive and neutral rate effect

滑带土残余强度的速率效应取决于滑带土自身的性质，如缪海波^[23]认为，当滑带土黏粒含量较高时，剪切速率对滑带土残余强度具有正速率效应，而当滑带土黏粒含量较低时则表现出负速率效应；同时，TIKA等^[7]也提出黏粒含量高的滑带土可能具有正速率效应，这是由于该类型滑带土的剪切模式发生转变(由滑动型过渡到扰动型)。上述试验结果表明，三角滩滑坡滑带土残余强度具有正速率效应，这与该土体的黏粒含量较高是相符的。

环剪试验的大位移扭剪作用下，土颗粒具有较好的定向性，残余黏聚力c_r降低很多，对残余强度的贡献小，国内外一些研究成果^{[16, 24-25]}认为c_r接近于0 kPa。因此，对滑带土残余强度速率效应的研究实质上是分析滑带土在不同剪切速率下残余内摩擦角φ_r的变化规律。根据环剪试验成果，求取不同条件下的残余内摩擦角φ_r(图5)，并拟合出不同剪切速率下残余内摩擦角φ_r的变化(图6)。需要说明的是，试验经历了长时间、大位移的排水剪切过程，孔隙水压力对残余强度的影响被降至最低(孔隙水压力在剪切速率变化节点处出现波动，但很快降至极小的稳定值，最大的稳定值仅5.4 kPa)，扣除对应的孔隙水压力，得出有效的抗剪强度指标。

从图6可以发现：剪切速率与残余内摩擦角呈良好的对数关系，与SUZUKI等^[26]的研究成果基本一致。为定量表达不同剪切速率下滑带土残余强度(实际为残余内摩擦角)的变化规律，建立滑带土残余强度的速率效应表达式：

φ_r=Aln(v)+B                (1)

式中：φ_r为滑带土的残余内摩擦角，(°)；v为剪切速率，mm/min；定义A为速率效应系数，取值与土体性质有关，反映残余强度速率效应的类型与剧烈程度；B为v=1 mm/min时的残余内摩擦角，(°)。当A＜0时，滑带土残余强度与剪切速率为负相关关系，呈现负速率效应；A=0时，残余强度与剪切速率无关系，呈现无速率效应；A＞0时，残余强度与剪切速率为正相关关系，呈现正速率效应。同时，A的绝对值越大，说明土体的速率效应越明显。结合式(1)，利用文献[9]和[27]的试验结果进行计算，Krishnabhir滑坡等3个滑坡的土体残余强度具有正速率效应，A分别为0.27，0.51，0.80，Nakayama滑坡等4个滑坡的土体残余强度具有负速率效应，A分别为-1.00，-1.03，-0.85，-0.23。可以发现，速率效应系数A可较好地反映土体残余强度速率效应的类型与剧烈程度。

图5  不同条件下残余内摩擦角

Fig. 5  Residual friction angles under different conditions

由图6可知：L组的速率效应系数A最大，为0.72；H组次之，为0.69；N组最小，为0.52，速率效应系数随着含水率的增加先减小后增大。可以从正速率效应的产生机制来分析：LEMOS^[6]总结环剪试验成果，提出排水剪切强度的正速率效应受土体自身黏滞性与细颗粒定向性的影响。含水率对内摩擦角无直接的影响(即对细颗粒的定向排列无影响)，但含水率的升高加大了颗粒表面水膜的厚度，颗粒间的距离增大，导致颗粒间的引力减小且颗粒可移动的空间增大，在剪切过程中细颗粒的定向性更易被粗颗粒所扰乱，抗剪强度升高；同时，含水率越高，土体自身的黏滞性就越弱，抗剪强度降低，两者的交互作用造成速率效应系数随着含水率的增加先减小后增大。可以预测，含水率较低时，滑带土残余强度的正速率效应主要受土体自身黏滞性的影响，但土体的黏滞响应是存在极限的；当含水率较高时，滑带土残余强度的正速率效应主要受细颗粒定向性的影响。

图6  不同剪切速率下残余内摩擦角的变化

Fig. 6  Variation of residual friction angles at different shearing rates

3  速率效应对滑坡变形行为的影响

3.1  速率效应类型与滑坡变形行为的关系

鉴于滑带土在滑坡演化过程中的重要作用，滑带土残余强度的速率效应对滑坡变形行为具有重要的影响。表4所示为部分滑带土残余强度的正、负速率效应与滑坡变形行为的关系，无速率效应的滑带土可认为是由表现出正、负速率效应的滑带土组成，未做统计。可以看出，滑带土残余强度的速率效应类型与滑坡变形行为具有一定的对应关系。

结合式(1)可知：若滑带土残余强度具有负速率效应，残余强度随着剪切速率的增加而非线性减小，这类滑坡一旦开始启动极难控制，易发展为高速滑坡，具有代表性的是易贡巨型滑坡^[28-29]。若为无速率效应，滑坡表现为匀速变形，只有受到持续的外界因素刺激或者累计变形大才能形成灾害。若为正速率效应，滑带土的残余强度随着剪切速率的增加而非线性增大，这类滑坡只有在外界因素的作用下才能产生滑动，一般表现为“走走停停”的变形特性。不难发现，提前确定滑带土残余强度的速率效应，对滑坡的防灾减灾工程具有重大的意义，但受限于滑带土取样的困难与室内试验的不经济性，无法大规模地推行。因此，SUZUKI等^[26]建立了滑带土物理指标(黏粒含量、塑性指数)与残余强度速率效应的关系，可用于推测滑带土残余强度的速率效应，但这种单因素关系过于依赖样本自身性质与赋存环境，因此，需要广泛而深入的研究。

由于滑带土具有正速率效应，滑坡表现出“走走停停”变形特性，一般认为其稳定性是可控的，但是多次的变形加上强烈的外界因素刺激，也可形成灾害，如2008年香山路滑坡在持续降雨诱发下，造成农田和电力、通信等基础设施损坏，7栋房屋受损严重^[23]。对于本文所研究的三角滩滑坡，2002年，持续降雨使其中部出现拉裂缝、前缘地段局部坍塌，导致5栋房屋被迫拆迁。与高速滑坡的研究相比，正速率效应影响下滑坡的变形行为研究极少。下面以三角滩滑坡为例，通过数值模拟，揭示正速率效应对滑坡变形行为的影响，为滑坡“走走停停”的变形特性提供解释。

3.2  数值模拟分析

应用FLAC3D软件对三角滩滑坡由活动阶段过渡到稳定阶段进行模拟再现，以揭示滑带土残余强度的正速率效应对滑坡变形行为的影响。模型屈服准则选用Mohr-Coulomb准则，滑带土采用低强度实体单元。

根据试验成果，滑带土残余强度是随着剪切速率变化的时效性动态参量，其中滑带土的残余黏聚力c_r为0 kPa，而残余内摩擦角φ_r是剪切速率v的函数。应用Fish语言编程，提取滑带土各单元的平均速率，带入天然含水率(N组)的拟合公式得到φ_r，并每隔10时步进行更新，以实现滑带土残余强度的动态变化。但是一般滑坡在刚启动时剪切速率极小，导致结果甚至小于0 kPa。因此，本文假定当提取的剪切速率使φ_r达到29.146°(对应于试验剪切速率最小时的φ_r)时，滑带土残余强度的速率效应才开始发挥作用，并对φ_r进行更新，直至滑坡恢复稳定为止。下面通过数值模拟，对正速率效应作用下三角滩滑坡的变形发展过程进行分析。表5所示为滑体、滑带和滑床岩土体物理力学参数，取自室内土工试验测试结果。

表4  滑带土残余强度的速率效应与滑坡变形行为的关系

Table 4  Relationship between rate effects on residual strength of slip soils and deformation process of landslides

表5  滑体、滑带和滑床岩土体物理力学参数

Table 5  Physico-mechanical parameters of sliding mass, sliding zone and landslide bed

图7所示为监测点水平方向位移随时步变化曲线图。模型共设3个监测点，与剖面图(图1)钻孔地表坐标相同，分别命名为SJT07，SJT08和SJT09。曲线反映出，在滑带土残余强度的正速率效应作用下，经短距离的滑动，滑坡由活动状态渐趋稳定。但是现实中的滑坡是开放的系统，外界因素的介入常使活动-稳定的过程反复出现，宏观表现为“走走停停”。3个监测点在7 500时步后基本不再有大变形，滑坡进入稳定阶段，同时也暗示了速率效应的消失。

图8所示为滑带土残余强度的正速率效应作用下滑带土残余内摩擦角变化曲线。从图8可以看出：在滑坡变形过程中，滑带土的残余强度并非室内试验获取的简单变化，而是呈现复杂的波动变化，这种变化是剪切速率与抗剪强度相互作用的结果。可以从运动学角度解释滑带土残余强度的正速率效应作用过程：当滑坡在外界因素诱发下开始变形时，由于能量的释放，滑坡获得初始加速度，剪切速率迅速增大，此时滑带土的残余强度也非线性增大，而残余强度的增大导致加速度的降低；当加速度降低为0 m/s²时，滑坡的剪切速率达到最大，对应的残余强度也处于最大值；当抗滑力超过下滑力时，滑坡开始出现负加速度，剪切速率逐渐减小，残余强度也逐渐减小，直至负加速度减小至0 m/s²。上述过程反复出现，直至滑坡因动能消耗而恢复稳定。

图7  监测点水平方向位移随时步变化曲线

Fig. 7  Relationship between horizontal displacement of monitoring sites and time-stepping

图8  滑带土残余内摩擦角变化曲线

Fig. 8  Curve of residual friction angle of slide soil

综上所述，在滑坡滑动过程中，由于具有正速率效应的滑带土经剪切之后残余强度剧烈波动，消耗了滑坡的动能，导致滑坡经短距离滑动之后恢复稳定状态。随着外界因素的介入，滑坡活动-稳定的过程反复出现，宏观表现为“走走停停”。数值模拟再现了三角滩滑坡在正速率效应的影响下由活动阶段过渡到稳定阶段的过程，揭示滑带土残余强度的正速率效应对滑坡的变形行为具有重要影响，可用于解释滑坡“走走停停”的变形特性。

4  结论

1) 高含水率、低法向应力下应力-应变关系曲线出现不明显的峰值，而低含水率、高法向应力下应力-应变关系曲线呈现应变硬化特征；法向应力越大，获取的残余强度值越大，而含水率越高，获取的残余强度越小。

2) 三角滩滑坡滑带土残余强度具有正速率效应，可归因于土体的黏粒含量较高；滑带土残余强度的速率效应可表示为φ_r=Aln(v)+B，其中速率效应系数A反映残余强度速率效应的类型与剧烈程度，当A＞0时，滑带土残余强度呈正速率效应；A=0时，呈无速率效应；A＜0时，呈负速率效应；正速率效应条件下，A随着含水率的增加先减小后增大，是土体自身黏滞性与细颗粒定向性交互作用的结果。

3) 滑带土残余强度的速率效应类型与滑坡变形行为具有一定的对应关系；受正速率效应的影响，滑带土残余强度动态变化控制着滑坡由活动阶段过渡到稳定阶段，随着外界因素的介入，滑坡活动-稳定的过程反复出现，揭示了滑带土残余强度的正速率效应对滑坡变形行为的影响，可用于解释滑坡“走走停停”的变形特性。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2016-12-05；修回日期：2017-03-06

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41172282)；湖北省自然科学基金资助项目(2015CFB358)(Project(41172282) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015CFB358) supported by Natural Science Basic Research Plan of Hubei Province of China)

通信作者：晏鄂川，博士，教授，从事岩土体稳定性评价与利用研究；E-mail：yecyec6970@163.com