CN112730101A - 一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，包括：一、分别在不同法向应力下进行两侧均为黄土的不同含水率试件的分级加载应力控制环剪试验，确定诱发黄土滑坡的临界含水率ωcr；二、确定砂纸的粗糙度；三、在有机玻璃表面粘贴砂纸，制备模拟黄土‑岩石试样；四、将模拟黄土‑岩石试样装入环剪仪的剪切盒中，分别在不同法向应力下进行上侧为黄土，下侧模拟岩石的试件的分级加载和恒定增速加载应力控制环剪试验。本发明通过在有机玻璃上粘贴不同粗糙度的砂纸取代不同的岩土材料，从而模拟不同界面的剪切行为，做工简单，使用方便，通过环剪试验方法来模拟黄土滑坡的大剪切位移下界面行为，能够更好的模拟黄土滑坡发生时的实际情况。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法。
背景技术
随着社会经济的快速增长，各种工程建设活动日益增多，过度耕种和农田灌溉以及开挖坡脚和坡上填方等不合理的工程建设，严重破坏了黄土地区的地质环境，使得黄土地区的滑坡灾害频发，因此对于黄土滑坡机理的研究有必要继续深入。环剪试验因其能较好地模拟大位移下黄土的剪切变形特性，被广泛用于黄土滑坡机理的研究之中，然而目前大多数对黄土滑坡机理的研究只考虑了黄土与黄土接触的这种界面行为，未能考虑黄土与其他界面的接触。因此，合理的采用黄土与其他不同界面行为来模拟不同工程中的不同工况有助于分析诱发黄土滑坡的形成机理，并且对不同界面的黄土滑坡具有指导意义，同时对工程实践也有重要的参考价值。为今后黄土滑坡的机理探究提供了新的参考依据，同时也为不同界面的黄土滑坡和现有土方工程的风险评估提供了技术支撑。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法。该方法通过在有机玻璃上粘贴不同粗糙度的砂纸取代不同的岩土材料，从而模拟不同界面的剪切行为，做工简单，使用方便；通过环剪试验方法来模拟黄土滑坡的大剪切位移下界面行为，能够更好的模拟黄土滑坡发生时的实际情况。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将黄土试样置于环剪仪的剪切盒中，分别在不同法向应力下进行两侧均为黄土的不同含水率试件的分级加载应力控制环剪试验，根据试验数据绘制所需关系曲线，并通过观察残余强度和峰值强度的变化分析不同含水率和不同的剪切方式下的诱发黄土滑坡机理，确定诱发黄土滑坡的临界含水率ωcr；
步骤二、采用不同粗糙度的砂纸与黄土试样接触，利用直剪试验来确定摩擦系数与粗糙度之间的关系，根据黄土与岩石的摩擦系数范围以及所述摩擦系数与粗糙度之间的关系确定砂纸的粗糙度；
步骤三、在有机玻璃表面粘贴步骤二中确定粗糙度的砂纸，将表面粘贴有砂纸的有机玻璃置于制样仪内且使砂纸的粗糙面朝上，向表面粘贴有砂纸的有机玻璃上装填黄土，制样得到模拟黄土-岩石试样；
步骤四、将步骤三中所述模拟黄土-岩石试样装入环剪仪的剪切盒中，使表面粘贴有砂纸的有机玻璃位于下剪切盒内，黄土位于上剪切盒内，分别在不同法向应力下进行上侧为黄土，下侧模拟岩石的试件的分级加载和恒定增速加载应力控制环剪试验，根据试验数据绘制所需关系曲线，并通过观察试样峰值强度与残余强度的变化来分析不同含水率、不同粗糙度和不同剪切方式下的诱发黄土滑坡机理。
上述的一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，所述环剪仪的剪切盒包括上剪切盒和下剪切盒，所述上剪切盒内壁靠近剪切面的位置设置有孔隙压力传感器。
上述的一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，步骤一中所述黄土试样的孔隙比为0.9，黄土试样的含水率为14％、17％和20％。
上述的一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，步骤一中所需关系曲线和步骤三中所述关系曲线均包括剪应力-剪位移、法向位移-剪位移、法向位移-时间和孔隙水压力-剪位移。
上述的一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，步骤一中所述诱发黄土滑坡的临界含水率ωcr的计算公式为：
式中：ωcr为诱发黄土滑坡的临界含水率；
σ1为法向应力，单位为kPa；
σ3为剪应力，单位为kPa；
a，b为试验参数。
上述的一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，步骤一中选用的法向应力分别为100kPa、200kPa和300kPa。
上述的一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，步骤四中选用的含水率为ωcr(1+3％)～ωcr(1-3％)。
上述的一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，步骤三中选用的法向应力分别为100kPa、200kPa和300kPa。
上述的一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，步骤三中选用的砂纸的粗糙度分别为0.04mm、0.14mm、0.21mm和0.42mm。
本发明采用不同的界面较好的模拟了不同工况下黄土滑坡的机理，目前大多数研究黄土滑坡的仅仅只是黄土与黄土的界面接触，未能考虑黄土与其他界面的接触行为，因此，合理的采用黄土与其他不同界面行为来模拟不同工程中的不同工况有助于分析诱发黄土滑坡的形成机理，并且对不同界面的黄土滑坡具有指导意义，同时对工程实践也有重要的参考价值。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过在有机玻璃上粘贴不同粗糙度的砂纸，从而模拟不同的界面粗糙度情况，较能贴近真实界面剪切行为，且本模拟方法做工简单，操作相比传统试验更加方便；
2、本发明通过环剪试验方法来模拟黄土滑坡的大剪切位移下界面剪切行为，使黄土的强度特性达到临界应力状态，能更好的反映黄土滑坡发生时相应的强度特性，得出试验结果较贴近真实情况；
3、本发明采用改良环剪试验设备，在界面剪切过程同时量测岩石或土体内部孔压响应，通过分析孔压的行为来研究不同界面情况和应力状态下的黄土强度发展和演化规律。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明试验方法所用环剪仪的结构示意图。
图2为本发明试样剪切关系的模拟图。
图3为本发明分级加载应力控制环剪试验的剪位移与时间的关系图。
图4为本发明不同含水率下的剪应力-法向应力曲线图。
图5为本发明不同含水率下土-土接触的剪应力-剪位移图。
图6为本发明含水率为17％的土-土接触的法向位移-剪位移图。
图7为本发明土-土接触的孔隙水压力-剪位移图。
图8为本发明不同法向应力下土-土接触的剪应力与剪位移图。
图9为本发明不同法向应力下土-岩接触的剪应力与剪位移图。
图10为本发明土-土接触与土-岩接触的残余状态下的残余强度数据的拟合曲线。
图11为本发明不同含水率下土-岩接触面的剪应力-剪位移曲线图。
图12为本发明不同粗糙度下土-岩接触面的法向位移-剪位移曲线图。
图13为本发明不同粗糙度下土-岩接触面的抗剪强度拟合曲线图。
图14为本发明不同粗糙度下土-岩接触面的孔隙水压力-剪位移图。
附图标记说明：
1—上剪切盒； 2—下剪切盒； 3—孔隙压力传感器；
4—第一多孔金属层； 5—第一滤纸； 6—第二多孔金属层；
7—第二滤纸。
具体实施方式
实施例1
如图1，图2所示，本发明所用环剪仪包括下剪切盒2和位于下剪切盒2上方的上剪切盒1，所述下剪切盒2内设置有第一多孔金属层4，第一多孔金属层4的表面设置有第一滤纸5，所述上剪切盒1内设置有第二多孔金属层6，第二多孔金属层6表面设置有第二滤纸7，上剪切盒1内壁靠近剪切面的位置设置有孔隙压力传感器3，其他结构与常规环剪仪相同。
实施例2
采用实施例1所述环剪仪研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，包括以下步骤：
步骤一、选取具有滑坡代表性的黄土，采用制样仪制备孔隙比为0.9的黄土试样；将制备的黄土试样置于环剪仪的下剪切盒2中，将上剪切盒1对准黄土试样，轻轻放下，检查上剪切盒1与下剪切盒2的接触情况，确保上剪切盒1与下剪切盒2之间无缝隙，分别在100kPa、200kPa和300kPa法向应力下进行两侧均为黄土的不同含水率试件的分级加载应力控制环剪试验，选取的黄土试样的含水率分别为14％、17％和20％，待试验结束后，观察上剪切盒1与下剪切盒2黄土试样接触面的剪切情况，根据试验数据绘制剪应力-剪位移、法向位移-剪位移和孔隙水压力-剪位移关系曲线；图3为分级加载应力控制环剪试验的剪位移与时间的关系图，图中P点为剪切时间达到F时刻，对应的剪位移为M，试样达到P点之后，在该级剪应力作用下剪位移短时间内快速积累，试样达到破坏；根据不同黄土含水率试样的失效强度的变化规律，明确黄土滑坡发生相应的临界含水率ωcr；
诱发黄土滑坡的临界含水率ωcr的确定依据为：图4中每一条直线表明在特定含水率下黄土的抗剪强度破坏包络线，随着含水率的增大，抗剪强度关系曲线的位置降低。对处于某种应力状态(如上图对的应力圆)的土来说，当含水率增大到某一特定值时，抗剪强度破坏包络线正好与应力圆相切而达到极限平衡状态，则临界含水率的大、小主应力的关系可表示为：
整理上式，即得到临界含水率的计算公式为：
σ1为法向应力，单位为kPa；
σ3为剪应力，单位为kPa；
a，b为试验参数，根据不同土的物理性质可以得到粘聚力与含水率之间的关系，他们之间呈幂函数关系，c(ω)＝aω-b,其中ω为含水率，c(ω)为不同含水率下黄土的粘聚力，单位为kg/cm2；
根据公式计算得到本实施例的临界含水率为18.4％；
步骤二、采用不同粗糙度的砂纸与黄土试样接触，利用直剪试验确定摩擦系数与粗糙度之间的关系，根据黄土与岩石的摩擦系数范围以及所述摩擦系数与粗糙度之间的关系确定砂纸的粗糙度，本实施例确定的砂纸粗糙度分别为0.04mm、0.14mm、0.21mm和0.42mm；
步骤三、在有机玻璃表面粘贴步骤二中确定粗糙度的砂纸，将表面粘贴有砂纸的有机玻璃置于制样仪内且使砂纸的粗糙面朝上，向表面粘贴有砂纸的有机玻璃上装填黄土，制样得到模拟黄土-岩石试样；在表面未粘贴砂纸的有机玻璃上装填黄土，制样得到对比试样；
步骤四、将步骤三中所述模拟黄土-岩石试样装入环剪仪的下剪切盒2中，将上剪切盒1对准模拟黄土-岩石试样，轻轻放下，检查上剪切盒1与下剪切盒2的接触情况，确保上剪切盒1与下剪切盒2之间无缝隙，分别在100kPa、200kPa和300kPa法向应力下进行上侧为不同含水率的黄土，下侧为不同粗糙度的岩石的试件的分级加载应力控制环剪试验，选取的黄土试样的含水率分别为17.8％、18.4％和19％，使表面粘贴有砂纸的有机玻璃位于下剪切盒内，黄土位于上剪切盒内，分别在不同法向应力下进行上侧为黄土，下侧模拟岩石的试件的分级加载和恒定增速加载应力控制环剪试验，根据试验数据绘制剪应力-剪位移、法向位移-剪位移和孔隙水压力-剪位移关系曲线，并通过观察试样峰值强度与残余强度的变化来分析不同含水率、不同粗糙度和不同剪切方式下的黄土滑坡致灾机理；按照上述方法对步骤三中所述对比试样进行试验。
本实施例的试验结果见图5至图14。从图5可以明显看到随着含水率的增大，土体所需要的剪应力随之减小，含水率变大时，土样的可塑性流动性增强。从图6可以看出，法向位移随着剪位移的增加不断增大，但当剪位移增大到一定程度的时候，法向位移不会随之增大，这就说明此时土体已将达到最大的压缩量。从图7可以看出随着剪位移的增大孔隙水压力也逐渐增大，当达到一定程度的时候孔隙水压力会达到稳定状态，随着剪位移与法向应力的继续增大孔隙水压力无法消散，根据有效应力原理，孔隙水压力增大，有效应力减小直至为零，这样土体的抗剪强度会变为零，土体处于流动状态，发生液化。通过试验前后孔压的发展和演化规律，进一步提出高速远程滑坡形成和致灾机理。
从图8可以看出，不同的法向应力下的剪应力-剪位移曲线有较大的差别，法向应力越大，接触面剪应力越大，在剪应力达到峰值强度之前，初始剪应力均迅速增大，随后达到峰值强度，土体发生应变软化。这是因为法向应力越大土颗粒与接触越紧密，接触面的摩擦力增大明显，因此，要达到这种状态时需要更大的驱动力。这进一步就说明了围压作用下滑动体下滑所需要的剪应力愈大。
从图9可以看出，剪应力-剪位移曲线受法向应力影响较大，法向应力越大，接触面峰值和残余强度越大，光滑接触面的剪应力与剪位移曲线到达峰值强度后，剪切强度衰减，达到接触面破坏的残余抗剪强度，表现为应变软化。为了分析法向应力这一参数，取土-土接触与土-岩接触达残余状态下的残余强度，进行拟合，然后进行分析在不同工况下的黄土滑坡。见表1和图10。
表1土-土和土-岩接触环剪试验残余强度参数
注：1、τ100表示试样在100kPa法向应力作用下残余强度值，τ200、τ300类似。
2、c表示土的残余粘聚力；
3、
表示土的残余内摩擦角。
结合表1数据以及图10，可以看出，土-岩光滑接触面的抗剪强度小于土-土接触的抗剪强度，通过拟合曲线可以看出，法向应力与剪应力呈线性关系，从图上可以很明显看出光滑接触面的残余强度小于纯土样的残余强度，所以在这两种不同工况下，土-岩光滑接触面相比于土-土接触面更易发生滑坡。
从图11可以看出，随着含水率的增大，土体所需要的剪应力随之减小，随着剪位移的增大，剪应力随之增大。从图12以及图13可以看出，粗糙度越大情况下，达到峰值所需要的剪位移越大，随着粗糙度增大，土-岩接触面的抗剪强度越大，因为接触面粗糙度较小时，接触面的凸起和凹陷程度越小，土颗粒与下层接触面的接触不够充分，接触面积相对较小，由此造成土颗粒与接触面的咬合和错动力较小，所以如果当土颗粒与接触面的粗糙度增大到一定程度时，土体与接触面的结合力接近甚至超过土体内部的结合力。此时，剪切破坏面发生在土体内部而并非接触面。很显然这一现象是黄土滑坡的关键因素。
从图14可以看出，随着粗糙度的增大土体的孔隙水压力值也随之减小，根据有效应力原理，土体孔隙水压力减小有效应力增大，土体的抗剪强度增大，表明当土体与岩石界面粗糙度越大，剪位移愈不容易形成与开展，相应的孔压强也较小，导致强度特性表现较好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将黄土试样置于环剪仪的剪切盒中，分别在不同法向应力下进行两侧均为黄土的不同含水率试件的分级加载应力控制环剪试验，根据试验数据绘制所需关系曲线，并通过观察残余强度和峰值强度的变化分析不同含水率和不同的剪切方式下的诱发黄土滑坡机理，确定诱发黄土滑坡的临界含水率ωcr；
步骤二、采用不同粗糙度的砂纸与黄土试样接触，利用直剪试验来确定摩擦系数与粗糙度之间的关系，根据黄土与岩石的摩擦系数范围以及所述摩擦系数与粗糙度之间的关系确定砂纸的粗糙度；
步骤三、在有机玻璃表面粘贴步骤二中确定粗糙度的砂纸，将表面粘贴有砂纸的有机玻璃置于制样仪内且使砂纸的粗糙面朝上，向表面粘贴有砂纸的有机玻璃上装填黄土，制样得到模拟黄土-岩石试样；
步骤四、将步骤三中所述模拟黄土-岩石试样装入环剪仪的剪切盒中，使表面粘贴有砂纸的有机玻璃位于下剪切盒内，黄土位于上剪切盒内，分别在不同法向应力下进行上侧为黄土，下侧模拟岩石的试件的分级加载和恒定增速加载应力控制环剪试验，根据试验数据绘制所需关系曲线，并通过观察试样峰值强度与残余强度的变化来分析不同含水率、不同粗糙度和不同剪切方式下的诱发黄土滑坡机理。
2.根据权利要求1所述的一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，所述环剪仪的剪切盒包括上剪切盒(1)和下剪切盒(2)，所述上剪切盒(1)内壁靠近剪切面的位置设置有孔隙压力传感器(3)。
3.根据权利要求1所述的一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，步骤一中所述黄土试样的孔隙比为0.9，黄土试样的含水率为14％、17％和20％。
4.根据权利要求2所述的一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，步骤一中所需关系曲线和步骤三中所述关系曲线均包括剪应力-剪位移、法向位移-剪位移、法向位移-时间和孔隙水压力-剪位移。
5.根据权利要求1所述的一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，步骤一中所述诱发黄土滑坡的临界含水率ωcr的计算公式为：
式中：ωcr为诱发黄土滑坡的临界含水率；
σ1为法向应力，单位为kPa；
σ3为剪应力，单位为kPa；
a，b为试验参数。
6.根据权利要求1所述的一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，步骤一中选用的法向应力分别为100kPa、200kPa和300kPa。
7.根据权利要求1所述的一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，步骤四中选用的含水率为ωcr(1+3％)～ωcr(1-3％)。
8.根据权利要求1所述的一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，步骤三中选用的法向应力分别为100kPa、200kPa和300kPa。
9.根据权利要求1所述的一种研究不同工况下黄土滑坡机理的试验方法，其特征在于，步骤三中选用的砂纸的粗糙度分别为0.04mm、0.14mm、0.21mm和0.42mm。
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