土石混合體抗剪強度原位水平推剪試驗研究

陳玉留 吳紅剛 李慈航

摘要：水平擠出法推剪試驗是一種在現(xiàn)場進行的原位剪切試驗，它比大面積直剪試驗更能沿著土的軟弱面方向發(fā)展，是測定土石混合體強度的一種有效方法。通過對云南省功東高速公路沿線K39～K41工點高邊坡地區(qū)典型土石混合體試樣的現(xiàn)場原位水平推剪試驗，采用平均滑動面作為計算滑動面計算得到了該區(qū)域土石混合體抗剪指標，有效避免了將土樣帶回實驗室測試對土體造成擾動產生的數(shù)據(jù)誤差。同時，對試樣剪切破壞后的破壞面上取樣進行了碎石土顆粒粒徑分析，分析了土石混合體的尺寸效應對抗剪強度指標的影響，揭示了土石混合體在原位受剪情形下的變形破壞規(guī)律。試驗表明含石量的不同是影響土石混合體抗剪強度指標的重要因素，含石量較高的土石混合體在水平剪應力達到峰值發(fā)生破壞后整體結構尚未喪失，承載力沒有明顯降低。本次試驗為沿線高邊坡的穩(wěn)定性評價提供了有效的參考價值。

Abstract： Horizontal push-shear in-situ test is a kind of in-situ shear test， it can develop along the weak side of soil better than large area direct shear tests， it is an effective method for measuring the strength of soil-rock mixture. The horizontal push-shear in-situ test of typical soil-rock mixture samples in high slope area of K39～K41 works along Gong Dong Expressway in Yunnan province was carried out to obtain the shear strength index of soil and rock mixtures， the average sliding surface was used as the calculation of the sliding surface to calculate the shear index of the soil rock mixture in this area， which effectively avoids the data error caused by the soil sample brought back to the soil by the laboratory test. At the same time， the particle size of gravel soil was analyzed by sampling on the failure surface after shear failure to analyze the effect of size effect of soil-rock mixture on shear strength index， and the law of deformation and failure of soil-rock mixture under horizontal push-shear in-situ test is revealed. The test shows that the difference of rock content is an important factor affecting the shear strength of the soil and rock mixtures， after the peak shear stress of the high rock mass， the overall structure has not been lost and the bearing capacity is not obviously reduced. This test provides an effective reference value for the stability evaluation of the high slope along the line.

關鍵詞：土石混合體;水平推剪試驗;強度指標;平均滑動面;尺寸效應

Key words： soil-rock mixture;horizontal push-shear in-situ test;strength index;average sliding surface;size effect

中圖分類號：TU413? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）34-0120-06

0? 引言

土石混合體廣泛分布于我國各個地區(qū)，一般是由作為骨料的碎石或者塊石和作為填充成分的粘土或砂土組成的一種特殊的工程地質體（圖1）。其成因一般較為復雜，主要有坡積成因、崩積成因、沖洪積成因、冰積成因及人工堆填等，并且具有物質成分復雜、結構分布極其不規(guī)則的特性，力學性質介于土和巖石之間[1]，鐘祖良等[2]為了將土石混合體從傳統(tǒng)土的分類體系中分離出來和建立相應物理指標體系和強度特性研究方法，基于文獻調研，通過土石強度比、土石閾值和含石量等幾個關鍵物理特性指標的定義將土石混合體劃分為一類新的巖土介質體系。

巖土體在受剪狀態(tài)下的力學響應及其變形破壞特性是巖土體力學特性的一個重要方面，許多人工和自然邊坡的滑動及支擋結構的失效都主要由于作用在巖土體上的剪應力超過材料自身抗剪強度而引起的，所以對于土石混合體在受剪狀態(tài)下表現(xiàn)出來的力學特性的研究顯得尤為重要[3]。隨著我國“一帶一路”計劃的發(fā)展，西部地區(qū)公路交通基礎設施的建設越來越被重視，交通運輸部在《公路水路交通中長期科技規(guī)劃發(fā)展綱要（2006-2020年）》中將特殊地質情況下的工程勘察設計技術、路基穩(wěn)定與邊坡防護技術作為研發(fā)重點[4]。因此針對區(qū)域性的不良地質土體進行基礎參數(shù)研究，為公路工程沿線結構物的穩(wěn)定性評價及防護結構的選擇具有重要意義。由于土石混合體是一種物質成分復雜、結構分布極其不規(guī)則的工程地質體，不同地區(qū)的土石混合體性質差異較大，目前對于滇黔地區(qū)碎石土的研究較少，可查的試驗數(shù)據(jù)和參考資料也相對匱乏，鑒于土石混合體地層在西部地區(qū)的普遍性，需要通過大量原位試驗對其工程力學特征、地質災害機理進行研究。

目前，土石混合體的強度參數(shù)通常是通過對土體取樣進行室內直剪試驗，根據(jù)室內測得的強度參數(shù)乘以一定的折減系數(shù)得出[5-6]。由于土石混合體自身特性復雜，這樣得到的參數(shù)與實際情況往往有著較大差距，難以滿足實際工程設計需要，即使通過加大試驗儀器尺寸，模擬現(xiàn)場土體粒徑進行室內試驗得到的結果與現(xiàn)場原位直剪試驗得到的結果相比也會存在誤差。測定土石混合體抗剪強度指標的現(xiàn)場原位試驗通常有水平推剪試驗和大型直剪試驗。水平推擠法剪出試驗僅需通過一個試樣就可以得到土體的抗剪強度參數(shù)，對洪積坡等混砂礫碎石土層、稍膠結或風化的砂礫巖等內聚力較小或剪斷后殘余內聚力較小的地層，試驗結果較好[7]。因此在土石混合體邊坡的穩(wěn)定性分析時，通常采用原位水平推剪試驗來測定其抗剪強度參數(shù)。徐文杰等[8-9]對虎跳峽龍蟠右岸地區(qū)分布的土石混合體選取6個試驗點分別進行了天然狀態(tài)下和浸水條件下的原位大型水平推剪試驗，對研究區(qū)分布的土石混合體的強度參數(shù)提出合理的參考值;李曉等[10]提出含石量是影響土石混合體強度與破壞形式的重要因素，而尺寸效應也是土石混合體的一個重要力學特性。吳旻碩等[11]在大量現(xiàn)場調查的基礎上對三峽庫區(qū)土石混合體的成因進行了總結，揭示土石混合體在原位受剪情形下的變形與破壞規(guī)律。劉新榮等[12]以4種含水率的土石混合體為研究對象，通過室內大型直剪試驗和篩分試驗，分析土石混合體剪切后的顆粒破碎特征，并建立細觀顆粒破碎與宏觀力學性質的聯(lián)系，從而加深對宏觀力學性質的認識。上述參考文獻詳細介紹了水平推剪試驗的試驗步驟，并且提出了一些有益的結論，但由于在試塊制備過程中不可避免會對土體產生擾動，因此需要采用更加合理的試驗方式和計算方法來確保試驗結果的準確性。

本次試驗場地位于云南功東高速公路K39～K41工點處，該路段沿線為人工刷坡形成的碎石土高邊坡，邊坡已開挖完成，現(xiàn)場試驗場地有限，無法采用大量重復試驗來確定試驗結果，因此對邊坡土石混合體進行了現(xiàn)場原位水平推剪試驗，進行了詳細的研究分析，取得了一些有益的試驗成果，為邊坡穩(wěn)定性分析所需的數(shù)值模擬與理論分析提供合理的計算依據(jù)。

1? 試驗點選取

試驗所在人工邊坡位于云南昆明市東川區(qū)，高程在海拔1900～2050m之間，該邊坡分六級開挖，高約80m，屬于典型高邊坡。同時昆明地區(qū)地處小江斷裂帶，具有潛在的大地震發(fā)生的可能性，沿線高邊坡面臨世界范圍內罕見的高強地震危害問題，加之邊坡高度罕見，其工程結構的穩(wěn)定性成為影響運營期安全的重要因素。因此，開展高邊坡底層的抗剪強度原位水平推薦試驗為評價邊坡穩(wěn)定性、進行數(shù)值模型分析及振動臺試驗提供了重要依據(jù)。

據(jù)勘察資料表明，該路塹邊坡屬中低山剝蝕堆積地貌，路塹區(qū)揭露地層為第四系人工成因種植土、第四系中更新統(tǒng)沖洪積粉質黏土、角礫和碎石。此段邊坡堆積層成因為沖洪積，其中可能存在連續(xù)的薄層黏土等軟弱層。邊坡表層土石混合體的分布厚度為5.0m～40.0m不等，碎石粒徑0.2～4cm居多，其碎石骨料主要由砂巖組成，少量為泥巖、板巖分化碎屑，骨料表面粗糙、形狀不規(guī)則。開挖前地形地貌及刷坡完成后邊坡形狀如圖1所示。

2? 試驗方法及步驟

①在選定的試驗位置，去掉土層表面浮土，根據(jù)試驗要求制定試樣尺寸，在預定深度處開挖3面臨空的長方體試塊。正面為水平推力設備（千斤頂）的安置坑，根據(jù)設備尺寸確定其寬度;為方便試驗操作，減小人為影響因素對試驗結果準確性的影響，同時便于觀察畫面的變形破壞結果，兩側面開挖寬度均為1m寬，深度與試塊地面相平的溝槽。溝槽開挖過程中，靠近試塊一側在接近試塊位置采用撬棍進行人工修邊，避免大型儀器對試塊的擾動。將預留的3個臨空面利用粘土抹平，粘土厚度約1cm左右。試樣土體應滿足如下要求：土體的高度大于最大粒徑的五倍，土體高度與寬度的比值為1/3～1/4，土體的長度為土體寬度的0.8～1.0倍。根據(jù)土石混合體顆粒直徑的分析（絕大多數(shù)小于6cm）及試驗結果的相似性分析，我們采用試樣尺寸均為100cm×100cm×30cm（長×寬×高）。

②將試樣兩側臨空面放置3cm厚的光滑竹膠板對其進行側向約束，用鋼釬及鋼絲繩固定鋼板，防止其產生側向位移。鋼板靠近試塊的一側應涂抹一層潤滑油減小試塊發(fā)生位移時產生的摩擦阻力，放置鋼板時應豎直放置，并與試塊側面緊貼，鋼板與試塊之間用細砂填充密實。

③采用打入鋼板的方式或澆筑混凝土反力墩為試驗千斤頂提供反力，本次試驗采用打入鋼板的方式為試驗提供反力支撐。

④在試塊的正面分別順序安裝推力鋼板（鋼板內側涂抹潤滑油并使其與試塊正面豎直緊貼，空隙部分利用細砂填充）、標定后的軸力計（測定千斤頂施加的推力）及施加推力的千斤頂（試驗采用60T油壓千斤頂，油壓表精度為0.4級），同時在鋼板四角位置安裝大量程百分表（量程為5cm，精度為0.01mm）等設備。安裝時注意使千斤頂活塞中心與軸力計中心及鋼板寬度1/2，高度1/3處保持在同一直線上，相互緊貼密合，試驗配置如圖2所示。

⑤準備完成后，調節(jié)油泵上的油壓表控制千斤頂分級施加水平推力，千斤頂加荷載的速率應使試塊沿推力水平方向變形速率控制在15～20s內的水平位移在1mm左右。每分鐘記錄一次百分表及軸力計的讀數(shù)，當試驗軸力計讀數(shù)達到最大值，繼續(xù)加壓，油泵上所帶壓力表讀數(shù)不增加反而降低時，記此時軸力計最大讀數(shù)為最大水平推力Pmax;打開油泵回油閥，使油壓表讀數(shù)回落到穩(wěn)定值后繼續(xù)加壓，當油壓表讀數(shù)再次達到某一峰值，此時軸力計讀數(shù)為最小水平推力Pmin。

⑥拆除試塊側面安裝的竹膠板，從側面觀察試塊破裂面的位置，從正面開始每隔五公分測量裂縫到試塊頂面的垂直距離并繪制滑動面草圖。同時用取土容器在試樣頂面向下取土測定試驗土體的天然重度，將測過天然重度后的試樣送至實驗室進行粒徑篩分試驗，為后續(xù)的試驗結果計算及分析提供依據(jù)。

⑦為了便于觀察土石混合體的三維破壞面，再次用千斤頂對試塊進行反復推擠（側面無需約束）;拆卸掉試驗設備后將推剪產生的上部滑體移掉。最后對三維滑面進行描述、測量并記錄三維滑面信息。

3? 試驗結果與分析

現(xiàn)場共進行了3個試樣的原位水平推剪試驗，通過該項試驗可以確定土石混合體的抗剪強度指標，同時對推剪試驗滑動破壞面附近取土樣進行了土石混合體的顆粒粒徑分析。

3.1 粒徑成分分析

土石混合體的粒徑級配狀況是控制其強度指標的一項重要因素，也是劃分土石混合體類型的主要依據(jù)。本次粒徑篩分試驗所用試樣取自試塊滑動面附近，可以代表試驗試塊的粒徑級配狀況，室內篩分試驗采用的標準篩的孔徑分別為：40，20，10，5，2，1，0.5，0.25，0.075mm。每個試塊推擠剪切破壞后均在滑動破壞面處取土進行了顆粒粒徑篩分試驗，共計3組，篩分取樣質量均為4kg。1#、2#、3#試塊的粒徑篩分試驗結果如圖3所示。

由圖3可知的試驗土體中粒徑小于2mm的顆粒含量占比均不超過30%，依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2001）分類標準，該工點所在區(qū)域地層屬性屬于土石混合體中的碎石土地層。

通過圖3（b）的碎石土粒徑級配曲線可以得出，場地碎石土有效粒徑d10大約為0.25mm，限定粒徑d60大約為8.3mm。不均勻系數(shù)計算公式見式（1）：

可得該試驗場地碎石土粒徑不均勻系數(shù)為33.2。

試驗場地碎石土中小于某粒徑的質量百分數(shù)為30%時的粒徑d30約為3.1mm，其曲率系數(shù)計算公式見式（2）：

可得該試驗場地碎石土粒徑曲率系數(shù)為4.63。

根據(jù)以上計算結果可得：該試驗場地碎石土的不均勻系數(shù)Cu大于5，表明土體顆粒粒徑分布范圍較大;曲率系數(shù)Cc不在1～3之間，說明土體顆粒粒徑分布不均勻，顆粒粒徑小于20mm占50%以上，均超過了80%，局部可見粒徑較大的礫石。

該試驗工點土石混合體的含石量（粒徑大于等于2mm）約為73%，其中細粒（粒徑小于2mm）主要為0.25～2mm之間的砂粒，約占總細粒含量的50%以上。

3.2 試驗現(xiàn)象觀測與分析

3.2.1 滑面觀測現(xiàn)象描述

在試驗結束后，取開試塊側向約束可以準確觀測到滑動面從試驗土體前端根部開始，到試塊頂面產生剪出裂縫的位置貫穿形成一道完整的圓弧面。在主滑動面周圍還伴隨著多條次生裂縫與滑動面貫穿連接的現(xiàn)象。由于該地區(qū)碎石土級配不均勻，滑動面的裂縫多發(fā)生在碎石顆粒比較密集的區(qū)域，在填充有細粒土的位置多發(fā)生一些細微的擴展裂縫。

3.2.2 滑動面的確定

由于土石混合體本身具有不均勻性，在推擠剪切產生的破壞面極其不規(guī)則，因此試驗產生的滑動面沿試塊長度方向并不均勻。為了可以得到較為準確的計算結果同時考慮到試樣的總體效應，在計算試塊強度參數(shù)時采用平均滑面作為試塊總的計算滑動面[1]。將現(xiàn)場處理得到的三維滑動面如圖4所示，沿正面方向每隔10cm測量一滑動斷面，然后將測得的各個滑動面的平均，得到平均意義上的滑動面——平均滑動面。

3.3 強度參數(shù)的計算

根據(jù)現(xiàn)場測量結果得到1#，2#，3#試塊滑動面的平均長度分別為水平方向距前端頂部30～40cm之間，從土體前端根部產生裂縫的位置開始，每隔5cm測量一次裂縫距試塊底端的距離，分別求出其沿正面方向每隔10cm的數(shù)值，取平均值后繪制出1#，2#，3#試塊的平均滑動面如圖5所示。

根據(jù)圖5中的平均滑面圖，繪制滑動體斷面圖，按照各滑動體上下界限轉折點將其分為若干條塊如圖6所示，再計算試塊的強度參數(shù)指標。

由式（3）計算單位寬度土體的重量gi：

在式中：φr為剪切破壞后滑動體的殘余內摩擦角（°）;cr為剪切破壞后滑動體的殘余內聚力（kPa）。

一般情況下，假定滑動體發(fā)生剪切破壞前后的內摩擦角值變化很小，認為φr=φ。

本次試驗所在路塹邊坡工點屬于洪坡積混砂礫碎石土地層，利用水平推擠剪切試驗進行強度指標計算時可以認為土體在發(fā)生剪切破壞后的殘余內聚力為0，即cr=0。

從式（6）、（7）可得：

（9）

根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的記錄，計算出不同試塊剪切面上的退剪應力和相應的剪切位移，繪制各組試塊的推剪應力和剪切位移的關系曲線，如圖7所示。根據(jù)測定的最大推剪應力、最小推剪應力及剪切滑移體的形狀尺寸，通過式（8）、（9）可以分別得出試塊1#、2#、3#的抗剪強度指標（c、φ）見表1。土石混合體地層的抗剪強度與其顆粒組成具有較大關系，抗剪強度指標主要受試塊的結構特征所控制，一般情況下，是通過顆粒形狀、大小和均勻程度等表面特征來起作用的[13]。本次試驗所選試塊雖然都位于邊坡坡腳位置，試塊含石量基本一致，均大于70%。但由于土顆粒分布的不均勻性，三組試塊測出的抗剪強度指標也有少許差異，但整體上可以代表該工點邊坡坡腳位置的抗剪強度指標，三組試塊的c值平均為1.63kPa，φ值平均為44.80°。

1#和3#試塊的剪應力-位移關系曲線基本一致，隨著推剪應力的增大，推剪位移相應增加，到達峰值應力后又逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。2#試塊到達推剪應力峰值時產生的位移明顯減小，經過試驗過程后對滑動面的觀察發(fā)現(xiàn)在滑動面上存在一個突出的粒徑較大的孤石，隨著推剪應力的增大，滑動體被抬升，使試塊提前失去強度，發(fā)生破壞。

從圖中可以看出，試塊在推剪試驗的過程中剪應力-位移曲線明顯存在階段性，分為應力屈服和塑形變形。在試塊初始受力時，主要產生塑性變形，并伴隨以少量的彈性變形;隨著試塊受力進一步增大，土石混合體內剪應力與應變呈線性增長，變形以彈性為主，試塊頂面開始產生微小裂縫;剪應力達到一定程度后，試塊發(fā)生屈服，頂面裂縫繼續(xù)擴展，剪切位移增加的速率較剪切應力增加的速率有所增大，曲線發(fā)展趨于平緩，最終達到最大推剪應力，試塊整體發(fā)生滑動破壞，裂縫貫通形成主滑動面。之后隨著推剪位移的增加，試塊所能承受的剪應力減小，由于試塊含石量較大，試塊發(fā)生剪切破壞后土體和巖石之間重新形成交錯結構，土石混合體的完整性尚未喪失，故其承載力沒有明顯降低。

4? 結論

通過原位水平推擠剪切試驗，探討了該工點土石混合體地層在剪切情況下的變形特點和強度特征。在現(xiàn)場試驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的基礎上，對該工點路塹邊坡坡腳碎石土地層的抗剪強度指標c、φ值和試塊在水平推力作用下的應力-應變關系進行了分析，得到如下結論：

①通過本次試驗對云南功東高速公路土石混合體地層路塹邊坡坡腳進行原位水平推剪試驗，獲得了該工點土石混合體的強度指標參數(shù)參考值，粘聚力c=1.63kPa，內摩擦角φ=44.80°。為進一步評價高速公路建成后該區(qū)域高邊坡的穩(wěn)定性奠定了基礎。

②從試塊發(fā)生推擠剪切破壞后的破壞面可以看出試驗形成的滑動面并不十分規(guī)則，需要采用平均滑動面作為計算滑動面來計算該試塊的強度指標，避免試驗結果與實際情況相差過大。

③試驗表明含石率較高的土石混合體在水平推剪應力達到峰值發(fā)生屈服破壞后，隨著土體與巖石之間形成新的交錯結構，整體結構性尚未喪失，承載力沒有明顯降低。

④土石混合體存在尺寸效應，同一區(qū)域內的土石混合體由于粒徑分布及結構特性比較接近，其強度及力學性質也比較接近，但是隨著尺度范圍的擴大，其整體差別加大。

參考文獻：

[1]徐文杰，胡瑞林，曾如意.水下土石混合體的原位大型水平推剪試驗研究[J].巖土工程學報，2006（07）：814-818.

[2]鐘祖良，涂義亮，何曉勇，馮儉華，王占魯.土石混合體物理指標及強度特性研究進展[J].地下空間與工程學報，2016，12（04）：1135-1144.

[3]王參松.貴州玄武巖殘積土工程力學特性試驗研究[D].武漢科技大學，2012.

[4]常士驃，張?zhí)K民主編.工程地質手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[5]廖秋林，李曉，郝釗，等.土石混合體的研究現(xiàn)狀及研究展望[J].工程地質學報，2006（06）：800-807.

[6]油新華，湯勁松.土石混合體野外水平推剪試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2002（10）：1537-1540.

[7]張?zhí)K民.關于水平擠出法推剪試驗計算方法的討論[J].勘察科學技術，1992（05）：12-14.

[8]徐文杰，胡瑞林，譚儒蛟，曾如意，于火青.虎跳峽龍蟠右岸土石混合體野外試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2006（06）：1270-1277.

[9]徐文杰，胡瑞林.循環(huán)荷載下土石混合體力學特性野外試驗研究[J].工程地質學報，2008（01）：63-69.

[10]李曉，廖秋林，赫建明，陳劍.土石混合體力學特性的原位試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2007（12）：2377-2384.

[11]吳旻碩，李曉，赫健明.土石混合體原位水平推剪試驗[J].巖土工程技術，2007（04）：184-189.

[12]劉新榮，涂義亮，王鵬，鐘祖良，唐文斌，杜立兵.基于大型直剪試驗的土石混合體顆粒破碎特征研究[J].巖土工程學報，2017，39（08）：1425-1434.

[13]黃文勝.土的抗剪強度試驗成果與其它指標的關系及影響因素分析[J].西北水電，2011（03）：82-85.