基本介紹
- 中文名：殘餘強度
- 外文名：residual strength
- 學科：工程地質學
- 定義：岩石破壞後殘留的抵抗外荷的能力
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定義
指岩石試件在單軸或三軸抗壓、抗剪試驗中發生巨觀破壞後的最小抵抗應力。是岩石物理力學性質之一。圖Ⅰ中σr為在剛性試驗機上作抗壓試驗獲得的岩石殘餘強度，在普通材料試驗機上作抗壓試驗，作不出峰值後區應力一應變曲線，不能獲得殘餘強度。圖Ⅱ中ιr為剪下試驗中測得的殘餘強度，亦即岩石發生剪下破壞後剪下面上的摩擦應力。
膨脹土的殘餘強度
膨脹土的殘餘強度是指以緩慢剪下速率在達到相當大剪下位移條件下的最小剪下強度值。在排水條件下，土的殘餘強度是岩土工程中的重要參數，它在土體工程特性評價、邊坡穩定性分析與設計及老滑坡體的穩定性評價等研究中具有極其重要的意義。
膨脹土是一種易吸水膨脹軟化、失水收縮開裂的特殊粘性土，其抗剪強度既是土體抵抗剪下破壞能力的表征，也是計算路塹、路堤、渠道和土壩等斜邊坡穩定性以及支擋建築物土壓力的重要參數。在實際工程中，當採用峰值抗剪強度進行邊坡設計和計算時，有許多發生滑動的膨脹土邊坡是穩定的，而由反算得到滑動面上的平均剪應力卻比它們的峰值抗剪強度小得多，這正是因為膨脹土具有峰值強度較高而殘餘強度較低且表現出一種典型的變動強度特性。膨脹土邊坡的變形破壞演變是指邊坡土體的抗剪強度由峰值向殘餘值強度逐漸衰減的過程。因此，在進行膨脹土邊坡穩定分析時，應採用殘餘強度而不是峰值強度。
殘餘強度試驗
試樣製備
1.原狀土試樣製備。小心開啟原狀土樣包裝皮，辨別土樣上、下方向，整平土樣兩端，切土時保持切土方向與天然層次垂直。將內壁塗有薄層凡士林的環刀（直徑為6.18cm，高度為2cm）刃口朝下放在土樣上；用切土刀將土樣切削成稍大於環刀直徑的土柱，然後將環刀垂直向下壓，邊壓邊削，至土樣伸出環刀為止，削去兩端余土並修平；擦淨環刀外壁，稱環刀、土總重（準確至0.1g），並測定含水量。每4個環刀試樣為一組，同一組試樣的密度差值不大於0.02g/cm3。採用抽氣飽和法，用重疊式飽和器對試樣進行飽和。
2.擊實土試樣製備。取一定量風乾土樣，過2mm篩，均勻加水，將其含水量調配至25%，靜置2h後裝入玻璃缸內密封蓋緊，潤濕一晝夜，按照重型擊實標準擊實後用推土器推出。環刀切樣和飽和步驟與原狀土樣相同。
3.靜壓土試樣製備。取一定量風乾土樣，過2mm篩，均勻加水，將其含水量調配至25%，靜置2h後裝入玻璃缸內蓋緊，潤濕一晝夜。計算（按原狀土乾密度）並稱量壓制3cm厚土餅所需土樣重量，將土樣倒入擊實桶內，拂平土樣表面，用千斤頂施壓將土樣壓製成3cm厚的土餅，用推土器將其推出。環刀切樣和飽和步驟與原狀土樣相同。
試樣剪下
將上、下剪下盒對準，插入固定銷，順次放入飽和的透水板、濾紙，將試樣推入剪下盒；再依次放上濾紙、透水板，加壓蓋板、筐架，並在剪下盒上包以濕棉花，防止水分蒸發；然後測試並記錄應力環初始讀數。對4個試樣分別施加50，100，150，200kPa垂直壓力，調節應力環讀數至零位，拔出固定銷，調節變速箱使剪下速度為0.02mm/min；啟動電機，開始剪下，每隔10min測試並記錄應力環讀數，直到應力環讀數穩定；反轉電機，以0.1mm/min的速度將下剪下盒反向推至與上盒重合位置，然後進行第2次剪下；如此反覆剪下至剪應力與剪下位移關係曲線基本水平時，即停止剪下，取剪下面附近土樣，測定其剪後含水量。
試驗結果及分析
原狀土、擊實土、靜壓土剪應力與剪下位移關係曲線分別如圖1～3所示；垂直荷載與剪應力關係擬合分別如圖4～6所示。
由圖4～6得到原狀土、擊實土和靜壓土的抗剪強度指標c，φ值（見表1）。
土樣 | 峰值強度 | 殘餘強度 | ||
c /kPa | φ/(°) | c /kPa | φ(/ °) | |
原狀土 | 11. 60 | 17. 41 | 10. 75 | 12. 70 |
擊實土 | 36. 40 | 15. 60 | 10. 85 | 11. 10 |
靜壓土 | 11. 01 | 18. 53 | 10. 43 | 11. 55 |
試驗結果表明：
1.從表1可以看出，原狀土、靜壓土與擊實土的峰值強度相差很大，而它們的殘餘強度很接近，通過分析比較，取靜壓土的殘餘強度值c=10.43kPa，φ=11.55°作為灰白色膨脹土殘餘強度的取值；
2.從圖1～3可以看出，對某膨脹土進行殘餘強度試驗時，重複剪3次就能獲得基本穩定值；
3.原狀土和靜壓土的剪應力與剪下位移曲線沒有明顯的應變軟化現象，從峰值到殘餘值強度的衰減主要表現在φ值上，c值變化不大；
4.第1次剪下擊實土樣時其剪應力與剪下位移曲線有明顯的峰值，峰值後的應力衰減較大，出現明顯應變軟化現象，與峰值相比，殘餘強度參數c，φ值分別下降了70.2%，29.9%，這是因為剪下面附近土體含水量增加和粘粒成分的重新定向排列所致；從第2次剪下開始，剪應力與剪下位移曲線不再有明顯的峰值。
結論
1.環境條件變化引起邊坡土體強度衰減是膨脹土邊坡被破壞的主要原因，因此，當進行膨脹土邊坡的穩定性計算時，應採用殘餘強度，用峰值強度分析邊坡的穩定性是不合適的。某灰白色膨脹土的殘餘強度可以採用靜壓土的殘餘強度。
2.膨脹土的殘餘強度與它的結構和應力歷史沒有直接聯繫，而與它的物質組成和粒度成分相關，這和已有的研究結論一致。在實際工程中，對於原狀土樣，由於在取樣、運輸、保存等方面存在著不便，故可採用對重塑土樣的殘餘強度試驗得到膨脹土的殘餘強度。例如某灰白色膨脹土可採用其靜壓土的殘餘強度。
3.用直剪儀反覆剪下試驗確定粘性土的殘餘強度是可行的，但也有不足之處，主要體現在：水平剪下位移量有限，剪下面積不斷變化導致有效法向應力不恆定，剪下盒邊緣部分土粒被擠出使得土體的所受法向應力不均勻。
滑帶土殘餘強度參數試驗研究
滑帶土是滑坡的重要組成部分，與滑坡的發展變形、穩定性評價有密切的關係，因此滑帶土抗剪強度參數的研究是滑坡穩定性計算和抗滑工程設計中的關鍵問題。滑帶土由於受力的特殊性和形成過程中的複雜地質作用，使得其結構特徵和物理力學、地球化學等性質與滑坡體中其它部位的岩土存在較大的差別。Skempton認為即使是較老的上萬年的滑坡，儘管滑帶土經過長期壓密、膠結後強度有一定的增大，也可以採用殘餘強度。有關試驗研究表明，對粘性土或泥化層，經過微小的初始位移即可接近殘餘強度，這個位移在小於600kPa壓力條件下為2～10mm，在大於600kPa壓力條件下為20～40mm（Skempton，1985）;龍羊峽水庫滑坡的滑帶土試驗表明，位移僅3mm，滑帶土強度即接近殘餘強度（任光明等，1997）。下文結合武隆縣縣政府滑坡勘察資料，以現場大剪試驗和室內試驗為主，探討了滑帶土殘餘強度與峰值強度的關係，建立了殘餘強度參數Υr與塑性指數Ip的預測公式，對工程實踐提供了一定的方便。
滑坡概況
武隆縣縣政府滑坡位於縣城區內，處於烏江河流右側岸坡、南溪溝西側的谷坡之上，整個滑坡平面上呈不規則的扇形，後緣平緩，前緣下臨烏江及南溪溝，結合現場地形地貌、航片判釋和鑽探揭示情況，將滑坡區劃分為分區逐次下滑的五個區，滑坡總面積約29×104m2，厚度15～35m，總體積約633.4×104m3，根據可研階段勘查報告，防治工程等級定為Ⅱ級。滑坡區屬中低山侵蝕斜坡，最大高差達百餘米，斜坡上陡坎、陡崖與緩坡或平台交錯，地形地貌較為複雜，滑坡區內覆土厚度變化大，物質成分雜亂，結構複雜，滑動岩塊完整性極不均勻，有多層軟弱夾層分布。依據滑體厚度、物質組成、滑面與層面關係、誘發原因、運移形式及滑體體積等滑坡分類條件判定:在河流的長期沖蝕、旁蝕及地下水的軟化作用下，受主控節理及順層制約，在持續降雨、洪水漲落、坍岸、動水壓力變化等不利條件組合下，高度臨空的岸坡在重力作用下沿軟弱面發生滑動，形成了深層、岩質、自然誘因、牽引式、順層為主的大型古滑坡。滑坡區範圍內影響變形發生、發展的主要因素是滑體岩土組成、結構和人為工程活動，大氣降雨和地下水的作用則將進一步促進變形的發展和擴大。
滑帶土特徵
根據現場鑽孔、探槽和探井所揭示的滑面來看，滑帶土在表觀上有以下3種類型：滑帶物質成分以粉質粘土、粘土為主，呈軟塑狀，局部呈流塑狀;滑帶土含頁岩、煤線、砂質頁岩、砂岩角礫、碎石等，含量約5～45%，含水量、孔隙比都比較低，乾密度高，呈固態狀態，粘土顆粒沿滑面呈定向排列，用手的力量難以使滑帶土沿原有的剪下面分開;存在多個滑面，大部分可見擦痕或鏡面，所含碎石、角礫呈亞圓狀。滑帶厚度一般為0.5～3.5m，總體呈現出中、前部滑帶土粘粒含量高、厚度大且清晰，後部滑帶土碎石、角礫含量高、厚度小的特點。
試驗分析
現場大剪試驗依照《三峽庫區三期地質災害防治工程地質勘察技術要求》及《岩土工程勘察規範》（GB50021—2001）的有關條款進行，採用平推法。在試坑開挖到試驗層位時，將試塊加工成方形，邊長為50cm，剪下面積為2500cm2，試體高度不小於邊長的1/2，一般為30cm，每組試驗製備試件5塊。待準備工作完成以後，按最大法向荷載大致3等分的1～3倍分別施加於3塊試樣上，最大法向應力為試樣上覆實際荷載在滑帶或剪下面上法向荷載的1.2倍，每級荷載分4次等量施加，每加一次法向荷載間隔5min測讀一次法向變形，即可施加下一級荷載。最後一級荷載施加後，仍按上述時間讀數，當法向變形達到相對穩定時，可開始施加剪下荷載，開始按預估最大剪下荷載的7%或10%分級等量施加，土體按30s施加一級剪下荷載，當剪下變形急劇增長或剪下變形達到試體尺寸的1/10終止試驗，根據剪下位移大於10mm時的試驗成果確定殘餘抗剪強度，最後，將剪下荷載分2～3級卸荷至零，對滑坡Ⅰ區前緣烏江邊的探槽T2C1試驗結果如圖7所示。
從圖7可以看出，剪應力-剪位移曲線具有明顯的峰值，且經過一定剪下位移後殘餘強度才開始出現。上述現象說明，滑帶土在滑坡形成後又受到上覆滑體引起的壓應力作用，使得滑帶土沿滑面有壓密、嵌合的過程，其強度不是沿早期滑動面的殘餘強度。當滑體沿滑動面經大位移剪下滑移後，滑面上部岩體遭到破壞，沿滑面分布的泥質物顆粒變細，顆粒呈定向排列，其強度降至殘餘值，此時滑面所受的應力狀態變為上覆滑體的自重應力場。滑坡形成後，在新環境條件下結構遭到破壞且結構疏鬆的滑帶土，在上覆滑體自重應力作用下發生壓密，其過程與泥質物質在上覆沉積物重力下的脫水、固結和壓密相似，不同的是，滑帶土比泥質物質具有更好的排水條件。因此，滑坡上只要具有一定的滑體厚度，滑帶土結構將沿滑面形成與其環境條件相適應的新的結構，其殘餘強度有一定的恢復特性。試驗表明，法向應力小於120kPa時抗剪強度恢復較為明顯，法向應力越低恢復速度越快，但不能恢復至峰值強度。
許多研究表明，滑帶土殘餘強度與土的應力歷史、原始結構無關，因此可以用土的重塑試樣進行室內試驗求取殘餘強度。對現場鑽孔、探井和探槽勘探採集的滑帶土樣，經室內風乾，研磨過2mm篩，製成接近液限含水量的重塑樣，放入密封塑膠袋內一至數星期，使含水量均勻分布，試驗時取製備好的樣品放入特製的固結儀中，在岩石三軸試驗機上用穩壓器經千斤頂逐級施加法向荷載進行固結試驗，待變形穩定後，卸荷取出試樣，立即取出環刀樣，進行常規直剪，以研究其強度特徵。根據試驗統計資料，得出了Υr與塑性指數Ip的關係曲線，如圖8所示。
由此可見，滑帶土強度參數影響因素較多，建立單因素和多元統計估算式是非常必要的。但是不同地區和成因岩土的物理力學指標差異較大，難以建立有效、方便的估算式。在實驗過程中發現，滑帶土剪應力-剪位移曲線具有明顯的峰值，且經過一定的剪下位移後，殘餘強度才出現，對28組滑帶土試驗資料統計表明，殘餘強度與峰值強度存在良好的線形關係，見圖9。峰值強度是應力-應變曲線上最高點對應的抗剪強度值，能方便直觀地獲得，因此可以有效地用來估算殘餘強度。
結論
1.滑坡的滑動面一般分為主滑段、牽引段和抗滑段，一般滑坡滑體的滑動面比較深，不容易取到滑帶土做試驗確定強度參數，但滑坡邊緣的滑動面比較淺，比較容易通過挖探槽或探井對滑帶土做原位大剪試驗，以確定滑坡牽引段和抗滑段的強度參數，然後再結合反算法得出滑坡主滑段的強度參數。大剪試驗能直觀地觀察滑帶土的物質組成和滑動方向，在沒有擾動的情況下得到的強度參數是較為可靠的，如果沒有條件做試驗，可以根據滑帶土物理力學指標進行類比估算。
2.滑坡滑動面常常穿透不同性質的土層或部分滑動面受地下水浸透，反算法不能全面反應這一客觀情況，通過大剪試驗和反算法相結合，可以確定不同滑段滑帶土的抗剪強度指標，這在大中型滑坡的推力計算和防治中更加符合實際。
