引江濟淮試驗工程中不同尺寸試樣抗剪強度的試驗對比研究

李峰, 陳偉, 袁俊平, 畢慶濤, 吳建濤, 曹雪山

(1.安徽省投資集團控股有限公司，安徽 安慶246000； 2.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育重點實驗室，江蘇 南京 210098； 3.河海大學 巖土工程研究所，江蘇 南京 210098； 4.華北水利水電大學 資源與環(huán)境學院，河南 鄭州 450045； 5.河海大學 道路與鐵道工程研究所，江蘇 南京 210098)

引江濟淮試驗工程中不同尺寸試樣抗剪強度的試驗對比研究

李峰1, 陳偉2,3, 袁俊平2,3, 畢慶濤4, 吳建濤5, 曹雪山5

(1.安徽省投資集團控股有限公司，安徽 安慶246000； 2.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育重點實驗室，江蘇 南京 210098； 3.河海大學 巖土工程研究所，江蘇 南京 210098； 4.華北水利水電大學 資源與環(huán)境學院，河南 鄭州 450045； 5.河海大學 道路與鐵道工程研究所，江蘇 南京 210098)

邊坡巖土體的抗剪強度是評估邊坡穩(wěn)定性的關鍵參數(shù)，采用較小尺寸試樣可能難以反映巖土體的結構性，導致測試結果偏離實際情況。為研究尺寸效應對不同巖土體抗剪強度參數(shù)取值的影響，選取引江濟淮試驗工程的4種典型巖土層，進行現(xiàn)場原位大型剪切試驗與室內(nèi)小尺寸試樣的直剪試驗。結果表明：受原位地質(zhì)條件的影響，進行現(xiàn)場大型剪切試驗時，巖土體應力-應變曲線的剪應力峰值更突出，達到峰值以后，經(jīng)歷1%～2%剪應變即達殘余剪應力，不同巖土體應力-應變曲線表現(xiàn)出明顯的差異性；影響巖土體尺寸效應的因素眾多，僅從黏粒含量、膨脹性、取樣擾動來分析現(xiàn)場與室內(nèi)剪切試驗的差異性是遠遠不夠的，對于不同地質(zhì)的實際工程，現(xiàn)場原位剪切試驗仍然是獲取合理強度參數(shù)的關鍵性試驗?；谠囼灲Y果，給出了該地區(qū)采用室內(nèi)直剪試驗所得的強度參數(shù)的建議修正比率。

原位大直剪;室內(nèi)直剪;試樣尺寸;剪切強度

邊坡巖土體的抗剪強度是評估邊坡穩(wěn)定性的關鍵參數(shù)，其合理的取值是進行邊坡設計、確定坡度的重要前提。獲取邊坡巖土體強度參數(shù)的常用方法主要有室內(nèi)直剪試驗與三軸試驗。

天然巖土體中往往含有微裂隙或節(jié)理，常規(guī)室內(nèi)試驗所用的試樣尺寸較小，不能包含足夠的微裂隙或節(jié)理。同時，取樣和運輸不可避免地對巖土體造成擾動。因此，室內(nèi)試驗結果往往低估了巖土體的裂隙性[1-2]和結構性，難以真實反映巖土體的實際強度特征[3]。

為解決此問題，已有不少學者采用現(xiàn)場大型剪切試驗來研究邊坡巖土體的強度特性。江益敏等[4]、張衛(wèi)民等[5-6]、駱飛等[7]探討了土的抗剪強度指標對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，認為選取適當?shù)目辜魪姸戎笜藢Ψ治鲇嬎氵吰路€(wěn)定性十分必要。黃志全等[8]對南陽膨脹土進行了現(xiàn)場剪切試驗，對比典型滑坡反算結果，驗證了現(xiàn)場試驗結果的合理性。周江平等[9]從材料的微觀力學性質(zhì)入手，認為不同尺寸巖土體試樣強度的試驗結果不同，當土體試樣尺寸大于中尺寸時，試驗強度的代表性較好。王捷等[10]對駟馬山切嶺段不同高程膨脹土進行了現(xiàn)場和室內(nèi)剪切試驗，結果顯示：現(xiàn)場試驗測得的強度低于室內(nèi)試驗結果，而且隨著取樣高程的降低，兩者差距逐漸增大。陽云華等[11]對南水北調(diào)中線工程膨脹土進行了現(xiàn)場和室內(nèi)剪切試驗，發(fā)現(xiàn)：隨著膨脹性的增加，膨脹土的強度折減系數(shù)(室內(nèi)與現(xiàn)場試驗結果的比值)逐漸減小。臧德記等[12]則對比了膨脹巖原狀樣與重塑樣的剪切性狀，認為原狀樣的結構性是兩者差異的主要原因。程勝國等[13]結合千將坪滑坡原位直剪試驗及滑坡抗剪強度參數(shù)特征，認為土顆粒定向排列造成巖土體抗剪強度下降是滑坡的主要原因。這些研究結果均有力地說明了現(xiàn)場大尺寸剪切試驗結果能較好地反映巖土體的結構性。對于室內(nèi)常規(guī)試驗結果，應考慮取樣擾動和試樣尺寸大小對剪切試驗的影響，并進行適當修正，進而確定合理的參數(shù)指標。然而，如何進行修正，目前尚少有文獻報道。

結合引江濟淮試驗工程，選擇4種典型巖土體，分別進行現(xiàn)場原位大型剪切試驗和室內(nèi)小尺寸試樣直剪試驗，對比兩種試驗條件下巖土體的剪切性狀及結果的差異，進而歸納出該地區(qū)由室內(nèi)試驗結果確定巖土體強度參數(shù)指標的修正(折減)系數(shù)。

1 工程背景

引江濟淮試驗工程位于安徽省合肥市蜀山區(qū)小廟鎮(zhèn)，全程1.5 km，地表沿線大部分為第四系地層覆蓋。第四系上更新統(tǒng)(Q3)：廣泛出露于試驗工程河道地表，厚度一般為10～20 m，以沖積物為主。主要為灰黃、棕黃色、黑色重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土、輕粉質(zhì)壤土夾砂壤土，含鈣質(zhì)結核及鐵錳小球。第四系全新統(tǒng)(Q4)：零星分布于河道附近，厚度一般為1～3 m，以沖積物為主。主要為灰黃、灰色重粉質(zhì)壤土。試驗工程揭露的基巖主要為白堊系(K)粉、細砂巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等。試驗段中區(qū)右岸地層分布如圖 1所示。

圖1 引江濟淮試驗段中區(qū)右岸地層分布圖(單位：m)

2 試驗方法

2.1 試驗場址與土料

此次選擇了引江濟淮試驗工程裸三區(qū)(樁號范圍K41+600～K41+700)一級馬道、二級坡面和三級坡面4個試驗點(圖1)進行現(xiàn)場試驗，并在各試驗點，用環(huán)刀切取原狀樣，進行室內(nèi)試驗。試驗所選4種典型巖土體材料的基本性質(zhì)見表1。

表1 巖土體基本性質(zhì)指標

2.2 試驗設備

現(xiàn)場直剪試驗采用華北水利水電大學研制的XZJ-500型現(xiàn)場剪切測試系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場大型原位剪切試驗設備

該系統(tǒng)主要由剪切盒、反力框架、水平與豎向加載千斤頂、位移與荷載量測傳感器、采集箱等組成。其中，剪切盒直徑500 mm，高260 mm；水平和豎向軸力計量程0～100 kN，精度0.1 kN；水平和豎向位移計量程-100～100 mm；數(shù)據(jù)采集箱，自動采集并記錄相關試驗數(shù)據(jù)。

室內(nèi)直剪試驗采用DZ-4型應變控制四聯(lián)式直剪儀，試樣直徑61.8 mm，高20 mm。

2.3 試驗方案

筆者對試驗段4種不同膨脹性的典型巖土層分別進行現(xiàn)場原位大型剪切試驗，試驗方法為天然快剪。臧德記等[12]、楊和平等[14]指出，膨脹土失穩(wěn)破壞具有淺層性，不少滑坡深度不超過2 m，認為采用小載荷剪切試驗所得強度更接近膨脹巖土切坡實際強度。本試驗中最大上覆壓力不超過110 kPa，為小載荷剪切。根據(jù)規(guī)范[15]，試驗采用應變控制法，剪切速率控制在3 mm/min，當剪切變形達到試樣尺寸的1/10后，終止試驗。

根據(jù)規(guī)范[15]，室內(nèi)直剪試驗設定豎向荷載分別為25、50、75、100 kPa，剪切速率為0.8 mm/min，剪切時間為8 min。

2.4 試驗步驟

1)采用人工切削的方式制備剪切試樣，并測量試驗區(qū)不同位置巖土體的天然含水率。

2)安裝剪切盒、固定反力框架，控制試樣位置與水平千斤頂?shù)暮线m距離，保證剪切過程中試樣始終位于千斤頂量程以內(nèi)。

3)安裝測試儀器，注意所有位移傳感器應留有足夠的伸縮空間以保證量程；將各類測試儀器與數(shù)據(jù)采集箱連接，接通電源，將所有傳感器數(shù)據(jù)清零，調(diào)試儀器，確保各傳感器正常工作。

4)施加豎向載荷至設定值，開始試驗，以3 mm/min勻速剪切，直至試驗結束。試驗過程采用視頻錄像記錄采集箱各項數(shù)據(jù)變化，在剪應力峰值出現(xiàn)前，試樣為剪脹破壞，豎向力呈增大趨勢；當達到峰值剪應力后，基本為減縮破壞，豎向力有減小趨勢。為保證豎向力始終恒定，試驗中時刻觀察豎向軸力傳感器讀數(shù)，并通過豎向機械千斤頂及時調(diào)整豎向力大小，本試驗過程中，豎向力大小與設定載荷間差值不超過±0.2 kN。

3 試驗結果分析

3.1 應力-應變關系

圖3—6分別給出了黑色重粉質(zhì)壤土、黃夾灰白色輕粉質(zhì)壤土、土巖接觸帶及強風化泥質(zhì)砂巖的現(xiàn)場原位大型剪切試驗與室內(nèi)小尺寸試樣直剪試驗的剪應力-應變關系曲線。

圖3 黑色重粉質(zhì)壤土層剪應力-應變關系

圖4 黃夾灰白色輕粉質(zhì)壤土層剪應力-應變關系

圖5 土巖接觸帶剪應力-應變關系

圖6 強風化泥質(zhì)砂巖層剪應力-應變關系

試驗結果表明：

1)不管是室內(nèi)小尺寸試樣的直剪試驗亦或是現(xiàn)場原位大型剪切試驗，所選試樣均存在剪應力峰值，達到峰值剪應力后，隨著剪應變繼續(xù)增加，均表現(xiàn)出軟化現(xiàn)象。上覆壓力越小，軟化現(xiàn)象越明顯。

2)現(xiàn)場大直剪試驗所得的剪應力峰值相對于室內(nèi)小直剪試驗的更加明顯。達到峰值剪應力后，土體被剪斷，土體結構突然破壞，剪應力迅速衰減，峰值后經(jīng)歷1%～2%應變(即發(fā)生0.5～1.0 cm剪切位移)即達到殘余剪應力。而對于小直剪試驗，由于取樣擾動等破壞了土體原有的結構性，試樣不會由于結構破壞而使得剪應力突然減小。因此，其剪應力呈逐漸降低趨勢，衰減速度緩慢?？梢?，現(xiàn)場原位試驗在較小剪應變狀態(tài)下即達到殘余剪應力。因此，對于巖土體切坡，應合理考慮剪切變形而產(chǎn)生的土體軟化、強度降低問題。

3)對剪切試驗中強風化泥質(zhì)砂巖試樣進行相應編號，以SY1、SY2、SY3、SY4分別代表上覆壓力為31.18、43.68、56.18、106.18 kPa 的剪切試樣。試驗場地巖層產(chǎn)狀為283°∠22°，現(xiàn)場原位試驗的剪切方向為141°∠0°。剪切過程中，對于SY1、SY4試樣，剪切結束后，剪切面土層被破碎成殘渣顆粒狀；剪切過程中，試樣未從水平面處被剪斷，而沿逆產(chǎn)狀面發(fā)生破壞，且周圍地面發(fā)生明顯裂縫，如圖 7、圖 8所示?？梢酝茰y，當剪應力達到一定值后，周圍巖層被破壞，產(chǎn)生相應位移，使得試樣未能按計劃剪斷，剪應力上升速度減緩，剪應力峰值出現(xiàn)晚(如圖 6(a)所示)。對于SY2、SY3試樣，剪切面無明顯產(chǎn)狀，剪應力峰值正常出現(xiàn)。

室內(nèi)試驗的試樣尺寸小、均勻性好、取樣擾動大，試驗強度為土塊強度；在試驗條件下，大的擾動破壞了巖土體的結構性與整體性。不同試樣的室內(nèi)試驗應力-應變曲線差異性不明顯，不能很好地反映不同巖土層的特殊性。而現(xiàn)場試驗的試樣尺寸大、擾動小、整體性強、結構完整，土體原狀性對試驗影響大，不同巖土層試驗應力-應變曲線差異性明顯，試驗結果真實性強。

圖7 強風化泥質(zhì)砂巖剪切后破壞面狀態(tài)

圖8 強風化泥質(zhì)砂巖剪切面相對位移

3.2 抗剪強度

將幾種不同巖土體在自然條件下進行現(xiàn)場及室內(nèi)剪切試驗得到的峰值剪應力與上覆壓力的關系采用莫爾-庫倫強度準則進行擬合，并將試驗結果及試驗巖土層的相關參數(shù)進行匯總，結果見表2。

1)現(xiàn)場剪切試驗后，在剪切面取對應散土樣進行顆分試驗(紅色泥質(zhì)砂巖：先崩解，再顆分)，結果見表2。對于試驗段4種典型巖土層，隨著試樣高程的降低，巖土體砂粒含量逐漸增大，黏粒含量逐漸減小，巖土體表面粗糙程度加大，內(nèi)摩擦角呈明顯增大趨勢。

2)現(xiàn)場直剪試驗所得黏聚力依次為室內(nèi)試驗的0.87、1.77、1.68、1.43倍，而內(nèi)摩擦角依次為室內(nèi)試驗的0.95、0.74、0.87、0.74倍。膨脹土強度受裂隙影響嚴重，裂隙率越高，分形維度越大，裂隙網(wǎng)越完整，強度越低[16]。就土體而言，膨脹性越高，土體內(nèi)部裂隙越發(fā)育，裂隙網(wǎng)越完整。室內(nèi)試驗的試樣尺寸小，試樣內(nèi)部裂隙不完整，只能代表土塊強度，難以反映裂隙網(wǎng)對土體強度的影響；而現(xiàn)場原位試驗的試樣尺寸大，裂隙網(wǎng)完整，裂隙網(wǎng)對土體強度影響大，試驗所得土體強度低，因此現(xiàn)場試驗與室內(nèi)試驗所得的黏聚力之比(即折減系數(shù))越小。

但若結合巖層考慮，紅色泥質(zhì)砂巖層自由膨脹率低，含砂量高，取樣擾動性大，環(huán)刀試樣結構破壞嚴重，但其室內(nèi)試驗測得的黏聚力折減系數(shù)卻小于上層黃夾灰白色土層及土巖接觸層。因此，僅從巖土體的黏性、取樣擾動以及膨脹性考慮現(xiàn)場與室內(nèi)直剪試驗的差異性是遠遠不夠的。

表2 現(xiàn)場原位大直剪與室內(nèi)小直剪試驗的關系

4 結語

針對引江濟淮試驗段4種不同膨脹性的典型巖土層進行現(xiàn)場原位大型剪切試驗與室內(nèi)小尺寸試樣的直剪試驗，并對試驗結果進行對比分析，得到如下結論：

1)現(xiàn)場大直剪試驗由于試樣尺寸大、結構完整，在剪切過程中，當達到剪應力峰值后，試樣結構突然破壞，剪應力迅速衰減，達到峰值后，經(jīng)歷1%～2%剪應變(即發(fā)生0.5～1.0 cm剪切位移)后即達到殘余剪應力；而室內(nèi)小直剪試驗由于取樣擾動等破壞了土體原有的結構性，在剪切過程中，達到峰值剪應力后，其剪應力呈緩慢衰減趨勢。因此，對于巖土體切坡，應結合現(xiàn)場原位大型剪切試驗結果，適當考慮巖土體變形而產(chǎn)生的土體軟化、強度降低等問題。

2)僅從巖土體的黏性、取樣擾動以及膨脹性考慮現(xiàn)場與室內(nèi)直剪試驗的差異性是遠遠不夠的，現(xiàn)場原位大型剪切試驗對于不同地區(qū)巖土體切坡強度參數(shù)的取值仍至關重要。

3)針對引江濟淮試驗工程4種典型巖土層進行現(xiàn)場及室內(nèi)兩種不同尺寸的剪切試驗，給出對應試驗所得的強度參數(shù)值，確定了試驗區(qū)室內(nèi)試驗所得強度指標的修正(折減)系數(shù)。

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ComparisonStudyonShearStrengthTestwithDifferentSampleSizesintheYangtze-to-HuaiheWaterDiversionTestingProject

LI Feng1, CHEN Wei2,3, YUAN Junping2,3, Bi Qingtao4, WU Jiantao5, CAO Xueshan5

(1.Anhui Investment Co., Ltd., Anqing 246000, China; 2.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3.Geotechnical Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, China; 4.School of Resources and Environment, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;5.Highway and Railway Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, China)

The shear strength of rock and soil mass is the key parameter to evaluate slope stability. Conducting shear strength tests on small size specimens may cause the test results to deviate from the actual situation, since the small size specimen cannot reflect the insitu structural properties of rock and soil mass. In order to study the influence of size effect on the shear strength parameters of different rock and soil mass, large-scale in-situ direct shear test and the conventional laboratory direct shear test were carried out of four typical rock and soil mass from the Yangtze-to-Huaihe Water Diversion Testing Project. The results show that, in the influence of in-situ geology conditions, the large scale in-situ direct shear test has obvious softening characteristics with respect to the stress-strain relations. Residual shear stress occurs after the shear stress reaches the peak value, with shear strain of 1%～2%. And different rock and soil masses have distinct stress-strain relations. Only considering clay content, expansibility of soil and sampling disturbance are not enough to analyze the difference between in-situ direct shear test and the conventional laboratory direct shear test because many factors affect the size effect of rock and soil mass. So in-situ direct shear test is an essential way to get the reasonable strength parameters in different areas. Based on the experimental results, a correction factor of the strength index is proposed to be applied to the results of the conventional laboratory direct shear test in the area.

large-scale in-situ direct shear; conventional laboratory direct shear; sample size; shear strength

喬翠平)

TV91

A

1002-5634(2017)06-0060-06

2017-09-01

河海大學中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助項目(2010B03414)；引江濟淮試驗工程項目(20168011716)。

李峰(1969—),男,安徽安慶人,高級工程師,從事工程管理方面的研究。E-mail:420991327@qq.com。

陳偉(1992—),男,湖南邵陽人,博士研究生,從事裂隙膨脹土尺寸效應方面的研究。E-mail:574956654@qq.com。

袁俊平(1975—),男,湖北麻城人，副教授，博士，從事巖土力學與堤壩工程方面的研究。E-mail:yuan_junph1@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.06.009