Research on Horizontal Push-shear in-situ Test of Shear Strength of Soil-rock Mixtures
陈玉留① CHEN Yu-liu；吴红刚②③ WU Hong-gang；李慈航②③ LI Ci-hang
（①云南功东高速公路建设指挥部，昆明 655200；②中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000；
③西部环境岩土与场地修复技术工程实验室，兰州 730000）
（①Yunnan Gong Dong Expressway Construction Command，Kunming 655200，China；
②China Northwest Research Institute Co.，Ltd. of CREC，Lanzhou 730000，China；
③Western Environmental Geotechnical and Site Rehabilitation Technology Engineering Laboratory，Lanzhou 730000，China）
摘要：水平挤出法推剪试验是一种在现场进行的原位剪切试验，它比大面积直剪试验更能沿着土的软弱面方向发展，是测定土石混合体强度的一种有效方法。通过对云南省功东高速公路沿线K39~K41工点高边坡地区典型土石混合体试样的现场原位水平推剪试验，采用平均滑动面作为计算滑动面计算得到了该区域土石混合体抗剪指标，有效避免了将土样带回实验室测试对土体造成扰动产生的数据误差。同时，对试样剪切破坏后的破坏面上取样进行了碎石土颗粒粒径分析，分析了土石混合体的尺寸效应对抗剪强度指标的影响，揭示了土石混合体在原位受剪情形下的变形破坏规律。试验表明含石量的不同是影响土石混合体抗剪强度指标的重要因素，含石量较高的土石混合体在水平剪应力达到峰值发生破坏后整体结构尚未丧失，承载力没有明显降低。本次试验为沿线高边坡的稳定性评价提供了有效的参考价值。
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.
关键词：土石混合体；水平推剪试验；强度指标；平均滑动面；尺寸效应
Key words: soil-rock mixture；horizontal push-shear in-situ test；strength index；average sliding surface；size effect
中图分类号：TU413 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）34-0120-06
0 引言
土石混合体广泛分布于我国各个地区，一般是由作为骨料的碎石或者块石和作为填充成分的粘土或砂土组成的一种特殊的工程地质体（图1）。其成因一般较为复杂，主要有坡积成因、崩积成因、冲洪积成因、冰积成因及人工堆填等，并且具有物质成分复杂、结构分布极其不规则的特性，力学性质介于土和岩石之间[1]，钟祖良等[2]为了将土石混合体从传统土的分类体系中分离出来和建立相应物理指标体系和强度特性研究方法，基于文献调研，通过土石强度比、土石阈值和含石量等几个关键物理特性指标的定义将土石混合体划分为一类新的岩土介质体系。
岩土体在受剪状态下的力学响应及其变形破坏特性是岩土体力学特性的一个重要方面，许多人工和自然边坡的滑动及支挡结构的失效都主要由于作用在岩土体上的剪应力超过材料自身抗剪强度而引起的，所以对于土石混合体在受剪状态下表现出来的力学特性的研究显得尤为重要[3]。随着我国“一带一路”计划的发展，西部地区公路交通基础设施的建设越来越被重视，交通运输部在《公路水路交通中长期科技规划发展纲要（2006-2020年）》中将特殊地质情况下的工程勘察设计技术、路基稳定与边坡防护技术作为研发重点[4]。因此针对区域性的不良地质土体进行基础参数研究，为公路工程沿线结构物的稳定性评价及防护结构的选择具有重要意义。由于土石混合体是一种物质成分复杂、结构分布极其不规则的工程地质体，不同地区的土石混合体性质差异较大，目前对于滇黔地区碎石土的研究较少，可查的试验数据和参考资料也相对匮乏，鉴于土石混合体地层在西部地区的普遍性，需要通过大量原位试验对其工程力学特征、地质灾害机理进行研究。
目前，土石混合体的强度参数通常是通过对土体取样进行室内直剪试验，根据室内测得的强度参数乘以一定的折减系数得出[5-6]。由于土石混合体自身特性复杂，这样得到的参数与实际情况往往有着较大差距，难以满足实际工程设计需要，即使通过加大试验仪器尺寸，模拟现场土体粒径进行室内试验得到的结果与现场原位直剪试验得到的结果相比也会存在误差。测定土石混合体抗剪强度指标的现场原位试验通常有水平推剪试验和大型直剪试验。水平推挤法剪出试验仅需通过一个试样就可以得到土体的抗剪强度参数，对洪积坡等混砂砾碎石土层、稍胶结或风化的砂砾岩等内聚力较小或剪断后残余内聚力较小的地层，试验结果较好[7]。因此在土石混合体边坡的稳定性分析时，通常采用原位水平推剪试验来测定其抗剪强度参数。徐文杰等[8-9]对虎跳峡龙蟠右岸地区分布的土石混合体选取6个试验点分别进行了天然状态下和浸水条件下的原位大型水平推剪试验，对研究区分布的土石混合体的强度参数提出合理的参考值；李晓等[10]提出含石量是影响土石混合体强度与破坏形式的重要因素，而尺寸效应也是土石混合体的一个重要力学特性。吴旻硕等[11]在大量现场调查的基础上对三峡库区土石混合体的成因进行了总结，揭示土石混合体在原位受剪情形下的变形与破坏规律。刘新荣等[12]以4种含水率的土石混合体为研究对象，通过室内大型直剪试验和筛分试验，分析土石混合体剪切后的颗粒破碎特征，并建立细观颗粒破碎与宏观力学性质的联系，从而加深对宏观力学性质的认识。上述参考文献详细介绍了水平推剪试验的试验步骤，并且提出了一些有益的结论，但由于在试块制备过程中不可避免会对土体产生扰动，因此需要采用更加合理的试验方式和计算方法来确保试验结果的准确性。
本次试验场地位于云南功东高速公路K39~K41工点处，该路段沿线为人工刷坡形成的碎石土高边坡，边坡已开挖完成，现场试验场地有限，无法采用大量重复试验来确定试验结果，因此对边坡土石混合体进行了现场原位水平推剪试验，进行了详细的研究分析，取得了一些有益的试验成果，为边坡稳定性分析所需的数值模拟与理论分析提供合理的计算依据。
1 试验点选取
试验所在人工边坡位于云南昆明市东川区，高程在海拔1900~2050m之间，该边坡分六级开挖，高约80m，属于典型高边坡。同时昆明地区地处小江断裂带，具有潜在的大地震发生的可能性，沿线高边坡面临世界范围内罕见的高强地震危害问题，加之边坡高度罕见，其工程结构的稳定性成为影响运营期安全的重要因素。因此，开展高边坡底层的抗剪强度原位水平推荐试验为评价边坡稳定性、进行数值模型分析及振动台试验提供了重要依据。
据勘察资料表明，该路堑边坡属中低山剥蚀堆积地貌，路堑区揭露地层为第四系人工成因种植土、第四系中更新统冲洪积粉质黏土、角砾和碎石。此段边坡堆积层成因为冲洪积，其中可能存在连续的薄层黏土等软弱层。边坡表层土石混合体的分布厚度为5.0m~40.0m不等，碎石粒径0.2~4cm居多，其碎石骨料主要由砂岩组成，少量为泥岩、板岩分化碎屑，骨料表面粗糙、形状不规则。开挖前地形地貌及刷坡完成后边坡形状如图1所示。
2 试验方法及步骤
①在选定的试验位置，去掉土层表面浮土，根据试验要求制定试样尺寸，在预定深度处开挖3面临空的长方体试块。正面为水平推力设备（千斤顶）的安置坑，根据设备尺寸确定其宽度；为方便试验操作，减小人为影响因素对试验结果准确性的影响，同时便于观察画面的变形破坏结果，两侧面开挖宽度均为1m宽，深度与试块地面相平的沟槽。沟槽开挖过程中，靠近试块一侧在接近试块位置采用撬棍进行人工修边，避免大型仪器对试块的扰动。将预留的3个临空面利用粘土抹平，粘土厚度约1cm左右。试样土体应满足如下要求：土体的高度大于最大粒径的五倍，土体高度与宽度的比值为1/3~1/4，土体的长度为土体宽度的0.8~1.0倍。根据土石混合体颗粒直径的分析（绝大多数小于6cm）及试验结果的相似性分析，我们采用试样尺寸均为100cm×100cm×30cm（长×宽×高）。
②将试样两侧临空面放置3cm厚的光滑竹胶板对其进行侧向约束，用钢钎及钢丝绳固定钢板，防止其产生侧向位移。钢板靠近试块的一侧应涂抹一层润滑油减小试块发生位移时产生的摩擦阻力，放置钢板时应竖直放置，并与试块侧面紧贴，钢板与试块之间用细砂填充密实。
③采用打入钢板的方式或浇筑混凝土反力墩为试验千斤顶提供反力，本次试验采用打入钢板的方式为试验提供反力支撑。
④在试块的正面分别顺序安装推力钢板（钢板内侧涂抹润滑油并使其与试块正面竖直紧贴，空隙部分利用细砂填充）、标定后的轴力计（测定千斤顶施加的推力）及施加推力的千斤顶（试验采用60T油压千斤顶，油压表精度为0.4级），同时在钢板四角位置安装大量程百分表（量程为5cm，精度为0.01mm）等设备。安装时注意使千斤顶活塞中心与轴力计中心及钢板宽度1/2，高度1/3处保持在同一直线上，相互紧贴密合，试验配置如图2所示。
⑤准备完成后，调节油泵上的油压表控制千斤顶分级施加水平推力，千斤顶加荷载的速率应使试块沿推力水平方向变形速率控制在15~20s内的水平位移在1mm左右。每分钟记录一次百分表及轴力计的读数，当试验轴力计读数达到最大值，继续加压，油泵上所带压力表读数不增加反而降低时，记此时轴力计最大读数为最大水平推力Pmax；打开油泵回油阀，使油压表读数回落到稳定值后继续加压，当油压表读数再次达到某一峰值，此时轴力计读数为最小水平推力Pmin。
⑥拆除试块侧面安装的竹胶板，从侧面观察试块破裂面的位置，从正面开始每隔五公分测量裂缝到试块顶面的垂直距离并绘制滑动面草图。同时用取土容器在试样顶面向下取土测定试验土体的天然重度，将测过天然重度后的试样送至实验室进行粒径筛分试验，为后续的试验结果计算及分析提供依据。
⑦为了便于观察土石混合体的三维破坏面，再次用千斤顶对试块进行反复推挤（侧面无需约束）；拆卸掉试验设备后将推剪产生的上部滑体移掉。最后对三维滑面进行描述、测量并记录三维滑面信息。
3 试验结果与分析
现场共进行了3个试样的原位水平推剪试验，通过该项试验可以确定土石混合体的抗剪强度指标，同时对推剪试验滑动破坏面附近取土样进行了土石混合体的颗粒粒径分析。
3.1 粒径成分分析
土石混合体的粒径级配状况是控制其强度指标的一项重要因素，也是划分土石混合体类型的主要依据。本次粒径筛分试验所用试样取自试块滑动面附近，可以代表试验试块的粒径级配状况，室内筛分试验采用的标准筛的孔径分别为：40，20，10，5，2，1，0.5，0.25，0.075mm。每个试块推挤剪切破坏后均在滑动破坏面处取土进行了颗粒粒径筛分试验，共计3组，筛分取样质量均为4kg。1#、2#、3#试块的粒径筛分试验结果如图3所示。
由图3可知的试验土体中粒径小于2mm的颗粒含量占比均不超过30%，依据《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2001）分类标准，该工点所在区域地层属性属于土石混合体中的碎石土地层。
通过图3（b）的碎石土粒径级配曲线可以得出，场地碎石土有效粒径d10大约为0.25mm，限定粒径d60大约为8.3mm。不均匀系数计算公式见式（1）：
■（1）
可得该试验场地碎石土粒径不均匀系数为33.2。
试验场地碎石土中小于某粒径的质量百分数为30%时的粒径d30约为3.1mm，其曲率系数计算公式见式（2）：
■（2）
可得该试验场地碎石土粒径曲率系数为4.63。
根据以上计算结果可得：该试验场地碎石土的不均匀系数Cu大于5，表明土体颗粒粒径分布范围较大；曲率系数Cc不在1~3之间，说明土体颗粒粒径分布不均匀，颗粒粒径小于20mm占50%以上，均超过了80%，局部可见粒径较大的砾石。
该试验工点土石混合体的含石量（粒径大于等于2mm）约为73%，其中细粒（粒径小于2mm）主要为0.25~2mm之间的砂粒，约占总细粒含量的50%以上。
3.2 试验现象观测与分析
3.2.1 滑面观测现象描述
在试验结束后，取开试块侧向约束可以准确观测到滑动面从试验土体前端根部开始，到试块顶面产生剪出裂缝的位置贯穿形成一道完整的圆弧面。在主滑动面周围还伴随着多条次生裂缝与滑动面贯穿连接的现象。由于该地区碎石土级配不均匀，滑动面的裂缝多发生在碎石颗粒比较密集的区域，在填充有细粒土的位置多发生一些细微的扩展裂缝。
3.2.2 滑动面的确定
由于土石混合体本身具有不均匀性，在推挤剪切产生的破坏面极其不规则，因此试验产生的滑动面沿试块长度方向并不均匀。为了可以得到较为准确的计算结果同时考虑到试样的总体效应，在计算试块强度参数时采用平均滑面作为试块总的计算滑动面[1]。将现场处理得到的三维滑动面如图4所示，沿正面方向每隔10cm测量一滑动断面，然后将测得的各个滑动面的平均，得到平均意义上的滑动面——平均滑动面。
3.3 强度参数的计算
根据现场测量结果得到1#，2#，3#试块滑动面的平均长度分别为水平方向距前端顶部30~40cm之间，从土体前端根部产生裂缝的位置开始，每隔5cm测量一次裂缝距试块底端的距离，分别求出其沿正面方向每隔10cm的数值，取平均值后绘制出1#，2#，3#试块的平均滑动面如图5所示。
根据图5中的平均滑面图，绘制滑动体断面图，按照各滑动体上下界限转折点将其分为若干条块如图6所示，再计算试块的强度参数指标。
由式（3）计算单位宽度土体的重量gi：
■（3）
式中：bi为某条块的长度（m）；hi为某条块的中线高度（m）；γ为土的天然重度。
假定各土块所受水平推力与土块重量成正比，由式（4）计算各条块所受水平推力Qi：■（4）
式中：P为总的水平推力（kN）；G为推剪破坏后滑动土体的总重量（kN），■。
根据图6中水平推挤剪切破坏土体的极限平衡条件见式（5）：
■（5）
式中：B为滑动土体的宽度（m）；li为第i条块滑动土体底面弧线长度（m）。
联立式（3）、（4）、（5）可得：
在试块受到最大水平推力发生破坏时破坏滑块体的极限平衡条件见式（6）：
■（6）
在试块剪切破坏后承受最小水平推力时破坏滑块体的极限平衡条件见式（7）：
■（7）
在式中：φr为剪切破坏后滑动体的残余内摩擦角（°）；cr为剪切破坏后滑动体的残余内聚力（kPa）。
一般情况下，假定滑动体发生剪切破坏前后的内摩擦角值变化很小，认为φr=φ。
本次试验所在路堑边坡工点属于洪坡积混砂砾碎石土地层，利用水平推挤剪切试验进行强度指标计算时可以认为土体在发生剪切破坏后的残余内聚力为0，即cr=0。
从式（6）、（7）可得：
■（8）
■
（9）
根据现场试验数据的记录，计算出不同试块剪切面上的退剪应力和相应的剪切位移，绘制各组试块的推剪应力和剪切位移的关系曲线，如图7所示。根据测定的最大推剪应力、最小推剪应力及剪切滑移体的形状尺寸，通过式（8）、（9）可以分别得出试块1#、2#、3#的抗剪强度指标（c、φ）见表1。土石混合体地层的抗剪强度与其颗粒组成具有较大关系，抗剪强度指标主要受试块的结构特征所控制，一般情况下，是通过颗粒形状、大小和均匀程度等表面特征来起作用的[13]。本次试验所选试块虽然都位于边坡坡脚位置，试块含石量基本一致，均大于70%。但由于土颗粒分布的不均匀性，三组试块测出的抗剪强度指标也有少许差异，但整体上可以代表该工点边坡坡脚位置的抗剪强度指标，三组试块的c值平均为1.63kPa，φ值平均为44.80°。
1#和3#试块的剪应力-位移关系曲线基本一致，随着推剪应力的增大，推剪位移相应增加，到达峰值应力后又逐渐减小，最后趋于稳定。2#试块到达推剪应力峰值时产生的位移明显减小，经过试验过程后对滑动面的观察发现在滑动面上存在一个突出的粒径较大的孤石，随着推剪应力的增大，滑动体被抬升，使试块提前失去强度，发生破坏。
从图中可以看出，试块在推剪试验的过程中剪应力-位移曲线明显存在阶段性，分为应力屈服和塑形变形。在试块初始受力时，主要产生塑性变形，并伴随以少量的弹性变形；随着试块受力进一步增大，土石混合体内剪应力与应变呈线性增长，变形以弹性为主，试块顶面开始产生微小裂缝；剪应力达到一定程度后，试块发生屈服，顶面裂缝继续扩展，剪切位移增加的速率较剪切应力增加的速率有所增大，曲线发展趋于平缓，最终达到最大推剪应力，试块整体发生滑动破坏，裂缝贯通形成主滑动面。之后随着推剪位移的增加，试块所能承受的剪应力减小，由于试块含石量较大，试块发生剪切破坏后土体和岩石之间重新形成交错结构，土石混合体的完整性尚未丧失，故其承载力没有明显降低。
4 结论
通过原位水平推挤剪切试验，探讨了该工点土石混合体地层在剪切情况下的变形特点和强度特征。在现场试验现象和数据的基础上，对该工点路堑边坡坡脚碎石土地层的抗剪强度指标c、φ值和试块在水平推力作用下的应力-应变关系进行了分析，得到如下结论：
①通过本次试验对云南功东高速公路土石混合体地层路堑边坡坡脚进行原位水平推剪试验，获得了该工点土石混合体的强度指标参数参考值，粘聚力c=1.63kPa，内摩擦角φ=44.80°。为进一步评价高速公路建成后该区域高边坡的稳定性奠定了基础。
②从试块发生推挤剪切破坏后的破坏面可以看出试验形成的滑动面并不十分规则，需要采用平均滑动面作为计算滑动面来计算该试块的强度指标，避免试验结果与实际情况相差过大。
③试验表明含石率较高的土石混合体在水平推剪应力达到峰值发生屈服破坏后，随着土体与岩石之间形成新的交错结构，整体结构性尚未丧失，承载力没有明显降低。
④土石混合体存在尺寸效应，同一区域内的土石混合体由于粒径分布及结构特性比较接近，其强度及力学性质也比较接近，但是随着尺度范围的扩大，其整体差别加大。
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