残余强度膨胀土的残余强度

膨胀土的残余强度是指以缓慢剪切速率在达到相当大剪切位移条件下的最小剪切强度值。在排水条件下，土的残余强度是岩土工程中的重要参数，它在土体工程特性评价、边坡稳定性分析与设计及老滑坡体的稳定性评价等研究中具有极其重要的意义。

膨胀土是一种易吸水膨胀软化、失水收缩开裂的特殊粘性土，其抗剪强度既是土体抵抗剪切破坏能力的表征，也是计算路堑、路堤、渠道和土坝等斜边坡稳定性以及支挡建筑物土压力的重要参数。在实际工程中，当采用峰值抗剪强度进行边坡设计和计算时，有许多发生滑动的膨胀土边坡是稳定的，而由反算得到滑动面上的平均剪应力却比它们的峰值抗剪强度小得多，这正是因为膨胀土具有峰值强度较高而残余强度较低且表现出一种典型的变动强度特性。膨胀土边坡的变形破坏演变是指边坡土体的抗剪强度由峰值向残余值强度逐渐衰减的过程。因此，在进行膨胀土边坡稳定分析时，应采用残余强度而不是峰值强度。

残余强度残余强度试验

试样制备

1.原状土试样制备。小心开启原状土样包装皮，辨别土样上、下方向，整平土样两端，切土时保持切土方向与天然层次垂直。将内壁涂有薄层凡士林的环刀（直径为6.18cm，高度为2cm）刃口朝下放在土样上；用切土刀将土样切削成稍大于环刀直径的土柱，然后将环刀垂直向下压，边压边削，至土样伸出环刀为止，削去两端余土并修平；擦净环刀外壁，称环刀、土总重（准确至0.1g），并测定含水量。每4个环刀试样为一组，同一组试样的密度差值不大于0.02g/cm³。采用抽气饱和法，用重叠式饱和器对试样进行饱和。

2.击实土试样制备。取一定量风干土样，过2mm筛，均匀加水，将其含水量调配至25%，静置2h后装入玻璃缸内密封盖紧，润湿一昼夜，按照重型击实标准击实后用推土器推出。环刀切样和饱和步骤与原状土样相同。

3.静压土试样制备。取一定量风干土样，过2mm筛，均匀加水，将其含水量调配至25%，静置2h后装入玻璃缸内盖紧，润湿一昼夜。计算（按原状土干密度）并称量压制3cm厚土饼所需土样重量，将土样倒入击实桶内，拂平土样表面，用千斤顶施压将土样压制成3cm厚的土饼，用推土器将其推出。环刀切样和饱和步骤与原状土样相同。

试样剪切

将上、下剪切盒对准，插入固定销，顺次放入饱和的透水板、滤纸，将试样推入剪切盒；再依次放上滤纸、透水板，加压盖板、筐架，并在剪切盒上包以湿棉花，防止水分蒸发；然后测试并记录应力环初始读数。对4个试样分别施加50，100，150，200kPa垂直压力，调节应力环读数至零位，拔出固定销，调节变速箱使剪切速度为0.02mm/min；启动电机，开始剪切，每隔10min测试并记录应力环读数，直到应力环读数稳定；反转电机，以0.1mm/min的速度将下剪切盒反向推至与上盒重合位置，然后进行第2次剪切；如此反复剪切至剪应力与剪切位移关系曲线基本水平时，即停止剪切，取剪切面附近土样，测定其剪后含水量。

试验结果及分析

原状土、击实土、静压土剪应力与剪切位移关系曲线分别如图1～3所示；垂直荷载与剪应力关系拟合分别如图4～6所示。

由图4～6得到原状土、击实土和静压土的抗剪强度指标c，φ值（见表1）。

试验结果表明：

1.从表1可以看出，原状土、静压土与击实土的峰值强度相差很大，而它们的残余强度很接近，通过分析比较，取静压土的残余强度值c=10.43kPa，φ=11.55°作为灰白色膨胀土残余强度的取值；

2.从图1～3可以看出，对某膨胀土进行残余强度试验时，重复剪3次就能获得基本稳定值；

3.原状土和静压土的剪应力与剪切位移曲线没有明显的应变软化现象，从峰值到残余值强度的衰减主要表现在φ值上，c值变化不大；

4.第1次剪切击实土样时其剪应力与剪切位移曲线有明显的峰值，峰值后的应力衰减较大，出现明显应变软化现象，与峰值相比，残余强度参数c，φ值分别下降了70.2%，29.9%，这是因为剪切面附近土体含水量增加和粘粒成分的重新定向排列所致；从第2次剪切开始，剪应力与剪切位移曲线不再有明显的峰值。

残余强度结论

1.环境条件变化引起边坡土体强度衰减是膨胀土边坡被破坏的主要原因，因此，当进行膨胀土边坡的稳定性计算时，应采用残余强度，用峰值强度分析边坡的稳定性是不合适的。某灰白色膨胀土的残余强度可以采用静压土的残余强度。

2.膨胀土的残余强度与它的结构和应力历史没有直接联系，而与它的物质组成和粒度成分相关，这和已有的研究结论一致。在实际工程中，对于原状土样，由于在取样、运输、保存等方面存在着不便，故可采用对重塑土样的残余强度试验得到膨胀土的残余强度。例如某灰白色膨胀土可采用其静压土的残余强度。

3.用直剪仪反复剪切试验确定粘性土的残余强度是可行的，但也有不足之处，主要体现在：水平剪切位移量有限，剪切面积不断变化导致有效法向应力不恒定，剪切盒边缘部分土粒被挤出使得土体的所受法向应力不均匀。

指岩石试件在单轴或三轴抗压、抗剪试验中发生宏观破坏后的最小抵抗应力。是岩石物理力学性质之一。图Ⅰ中σ_r为在刚性试验机上作抗压试验获得的岩石残余强度，在普通材料试验机上作抗压试验，作不出峰值后区应力一应变曲线，不能获得残余强度。图Ⅱ中ι_r为剪切试验中测得的残余强度，亦即岩石发生剪切破坏后剪切面上的摩擦应力。

滑带土是滑坡的重要组成部分，与滑坡的发展变形、稳定性评价有密切的关系，因此滑带土抗剪强度参数的研究是滑坡稳定性计算和抗滑工程设计中的关键问题。滑带土由于受力的特殊性和形成过程中的复杂地质作用，使得其结构特征和物理力学、地球化学等性质与滑坡体中其它部位的岩土存在较大的差别。Skempton认为即使是较老的上万年的滑坡，尽管滑带土经过长期压密、胶结后强度有一定的增大，也可以采用残余强度。有关试验研究表明，对粘性土或泥化层，经过微小的初始位移即可接近残余强度，这个位移在小于600kPa压力条件下为2～10mm，在大于600kPa压力条件下为20～40mm（Skempton，1985）;龙羊峡水库滑坡的滑带土试验表明，位移仅3mm，滑带土强度即接近残余强度（任光明等，1997）。下文结合武隆县县政府滑坡勘察资料，以现场大剪试验和室内试验为主，探讨了滑带土残余强度与峰值强度的关系，建立了残余强度参数Υr与塑性指数Ip的预测公式，对工程实践提供了一定的方便。

残余强度滑坡概况

武隆县县政府滑坡位于县城区内，处于乌江河流右侧岸坡、南溪沟西侧的谷坡之上，整个滑坡平面上呈不规则的扇形，后缘平缓，前缘下临乌江及南溪沟，结合现场地形地貌、航片判释和钻探揭示情况，将滑坡区划分为分区逐次下滑的五个区，滑坡总面积约29×10⁴m²，厚度15～35m，总体积约633.4×10⁴m³，根据可研阶段勘查报告，防治工程等级定为Ⅱ级。滑坡区属中低山侵蚀斜坡，最大高差达百余米，斜坡上陡坎、陡崖与缓坡或平台交错，地形地貌较为复杂，滑坡区内覆土厚度变化大，物质成分杂乱，结构复杂，滑动岩块完整性极不均匀，有多层软弱夹层分布。依据滑体厚度、物质组成、滑面与层面关系、诱发原因、运移形式及滑体体积等滑坡分类条件判定:在河流的长期冲蚀、旁蚀及地下水的软化作用下，受主控节理及顺层制约，在持续降雨、洪水涨落、坍岸、动水压力变化等不利条件组合下，高度临空的岸坡在重力作用下沿软弱面发生滑动，形成了深层、岩质、自然诱因、牵引式、顺层为主的大型古滑坡。滑坡区范围内影响变形发生、发展的主要因素是滑体岩土组成、结构和人为工程活动，大气降雨和地下水的作用则将进一步促进变形的发展和扩大。

残余强度滑带土特征

根据现场钻孔、探槽和探井所揭示的滑面来看，滑带土在表观上有以下3种类型：滑带物质成分以粉质粘土、粘土为主，呈软塑状，局部呈流塑状;滑带土含页岩、煤线、砂质页岩、砂岩角砾、碎石等，含量约5～45%，含水量、孔隙比都比较低，干密度高，呈固态状态，粘土颗粒沿滑面呈定向排列，用手的力量难以使滑带土沿原有的剪切面分开;存在多个滑面，大部分可见擦痕或镜面，所含碎石、角砾呈亚圆状。滑带厚度一般为0.5～3.5m，总体呈现出中、前部滑带土粘粒含量高、厚度大且清晰，后部滑带土碎石、角砾含量高、厚度小的特点。

残余强度试验分析

现场大剪试验依照《三峡库区三期地质灾害防治工程地质勘察技术要求》及《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）的有关条款进行，采用平推法。在试坑开挖到试验层位时，将试块加工成方形，边长为50cm，剪切面积为2500cm²，试体高度不小于边长的1/2，一般为30cm，每组试验制备试件5块。待准备工作完成以后，按最大法向荷载大致3等分的1～3倍分别施加于3块试样上，最大法向应力为试样上覆实际荷载在滑带或剪切面上法向荷载的1.2倍，每级荷载分4次等量施加，每加一次法向荷载间隔5min测读一次法向变形，即可施加下一级荷载。最后一级荷载施加后，仍按上述时间读数，当法向变形达到相对稳定时，可开始施加剪切荷载，开始按预估最大剪切荷载的7%或10%分级等量施加，土体按30s施加一级剪切荷载，当剪切变形急剧增长或剪切变形达到试体尺寸的1/10终止试验，根据剪切位移大于10mm时的试验成果确定残余抗剪强度，最后，将剪切荷载分2～3级卸荷至零，对滑坡Ⅰ区前缘乌江边的探槽T2C1试验结果如图7所示。

从图7可以看出，剪应力-剪位移曲线具有明显的峰值，且经过一定剪切位移后残余强度才开始出现。上述现象说明，滑带土在滑坡形成后又受到上覆滑体引起的压应力作用，使得滑带土沿滑面有压密、嵌合的过程，其强度不是沿早期滑动面的残余强度。当滑体沿滑动面经大位移剪切滑移后，滑面上部岩体遭到破坏，沿滑面分布的泥质物颗粒变细，颗粒呈定向排列，其强度降至残余值，此时滑面所受的应力状态变为上覆滑体的自重应力场。滑坡形成后，在新环境条件下结构遭到破坏且结构疏松的滑带土，在上覆滑体自重应力作用下发生压密，其过程与泥质物质在上覆沉积物重力下的脱水、固结和压密相似，不同的是，滑带土比泥质物质具有更好的排水条件。因此，滑坡上只要具有一定的滑体厚度，滑带土结构将沿滑面形成与其环境条件相适应的新的结构，其残余强度有一定的恢复特性。试验表明，法向应力小于120kPa时抗剪强度恢复较为明显，法向应力越低恢复速度越快，但不能恢复至峰值强度。

许多研究表明，滑带土残余强度与土的应力历史、原始结构无关，因此可以用土的重塑试样进行室内试验求取残余强度。对现场钻孔、探井和探槽勘探采集的滑带土样，经室内风干，研磨过2mm筛，制成接近液限含水量的重塑样，放入密封塑料袋内一至数星期，使含水量均匀分布，试验时取制备好的样品放入特制的固结仪中，在岩石三轴试验机上用稳压器经千斤顶逐级施加法向荷载进行固结试验，待变形稳定后，卸荷取出试样，立即取出环刀样，进行常规直剪，以研究其强度特征。根据试验统计资料，得出了Υr与塑性指数Ip的关系曲线，如图8所示。

由此可见，滑带土强度参数影响因素较多，建立单因素和多元统计估算式是非常必要的。但是不同地区和成因岩土的物理力学指标差异较大，难以建立有效、方便的估算式。在实验过程中发现，滑带土剪应力-剪位移曲线具有明显的峰值，且经过一定的剪切位移后，残余强度才出现，对28组滑带土试验资料统计表明，残余强度与峰值强度存在良好的线形关系，见图9。峰值强度是应力-应变曲线上最高点对应的抗剪强度值，能方便直观地获得，因此可以有效地用来估算残余强度。

残余强度结论

1.滑坡的滑动面一般分为主滑段、牵引段和抗滑段，一般滑坡滑体的滑动面比较深，不容易取到滑带土做试验确定强度参数，但滑坡边缘的滑动面比较浅，比较容易通过挖探槽或探井对滑带土做原位大剪试验，以确定滑坡牵引段和抗滑段的强度参数，然后再结合反算法得出滑坡主滑段的强度参数。大剪试验能直观地观察滑带土的物质组成和滑动方向，在没有扰动的情况下得到的强度参数是较为可靠的，如果没有条件做试验，可以根据滑带土物理力学指标进行类比估算。

2.滑坡滑动面常常穿透不同性质的土层或部分滑动面受地下水浸透，反算法不能全面反应这一客观情况，通过大剪试验和反算法相结合，可以确定不同滑段滑带土的抗剪强度指标，这在大中型滑坡的推力计算和防治中更加符合实际。 2100433B

释文：残余抗剪强度是岩土体的抗剪强度随变形量增大达峰值后，逐渐稳定为一个稳定值。2100433B

岩石抗拉强度是岩石物理力学性质之一。指岩石试件在拉应力作用下破坏时，与拉力垂直的断面上的平均拉应力。由于试件制作和实现单轴拉伸加载的困难，很少采用直接拉伸试验，大多采用劈裂法间接拉伸试验测定岩石抗拉强度，由于岩石中微裂隙在压力下闭合而产生摩擦，用劈裂法测定的抗拉强度略高于直接拉伸试验测定值 。