土石混合体野外水平推剪试验研究
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发布时间：2022-09-19 03:18
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时间：2023-10-25 00:13
油新华1汤劲松2
（1.北京城建集团 北京 100044
2.石家庄铁道学院土木工程分院，河北 石家庄 050043）
摘要 根据白衣庵滑坡地区的滑带附近*阶地的上部和残坡积层的3个野外大面积水平推剪试验，得出了土石混合体的变形特点和相关的抗剪强度参数，为白衣庵滑坡的稳定性分析提供必要的依据，同时也为其他滑坡类似材料的力学性质研究提供了一个可能的途径，具有很大的参考价值。
关键词 土石混合体 水平推剪试验 含石量
土石混合体一般是由作为骨料的砾石或块石与作为充填料的粘土或砂组成，是介于土体与岩体之间的一种特殊的地质体，目前人们对于它的研究仍处于探索之中，在实际工程中一般都要回避这个问题。因为土石混合体具有物质组成的复杂性、结构分布的不规则性以及试样的难以采集性等特殊性质，从而给研究带来极大的困难。现在一般采取的方法是单独对其中的土进行取样，然后乘以一定的折减系数，从而得出土石混合体的强度变形参数。但是这样得出的参数是极不可靠的，而且折减系数的选取也是随意的。另一种方法就是大型原位试验，最常见的就是剪切试验。对于不同的土体和岩体，有不同的剪切试验方法，这方面的资料和数据比较多［1～3］。但是对于诸如土石混合体之类的山区残坡积和洪积等混砂砾碎石土、稍胶结或风化的砂砾岩等粘聚力较小的岩体，研究成果则比较少，可利用的数据基本没有，有效的方法和手段也不多见。为了更准确地确定土石混合体的抗剪强度指标，为白衣庵滑坡的稳定性分析提供更加符合实际的参数，以及深入仔细地研究土石混合体的变形特点和力学性质，笔者在白衣庵滑坡地区的滑带附近*阶地的上部和残坡积层做了3个野外大面积水平推剪试验。
1 试验操作程序
1.1 试样的制备
（1）开挖试坑，用环刀或取土容器取土测定土的容重。
（2）据试验要求在预定深度处留出一个三面临空的长方形试验土体，土体两边各挖宽20cm的小槽，正面留至少30cm宽的槽，三面都要用粘土抹平（图1）。土体尺寸应满足如下要求：H ＞最大土石颗粒直径的5 倍，H/B＝1/3～1/4，L＝（0.8～1.0）B，其中H，L，B分别代表土体的高、长和宽度。为了试验器材的方便，3个试样都采用 90cm×60cm×30cm的相同尺寸，对应的试验编号为J1，J2，J3。
图1 试验装置图
（3）在无粘聚性的砂砾、碎石土中试验时，确定滑动弧比较困难，试验前可在试样顶面用白石灰画上边长为10cm的网格，两个侧面各画上一组平行的垂线。
（4）在试样土体两边的槽面放置塑料布（或薄铁板），并在其上回填挖出的土，稍加夯实。
1.2 设备的安装
（1）在试样正面槽的前方和后方两个壁面上各放置一块钢板和木板（图2）。
图2 水平挤出法推剪试验示意图
1—枕木；2—钢板；3—千斤顶；4—试样
（2）在两块钢板之间安装已经与油压表和油泵相连的卧式千斤顶，在千斤顶和前面钢板之间加上两块涂有凡士林的白铁皮，用以代替带有滚珠的钢板。调节千斤顶的螺丝，使其与前面的钢板紧密接触。由于本次试验使用双千斤顶加载法，压力点要对准被剪试样土体高度的1/3和宽度的三等分处（设备装置图见图1）。
（3）在千斤顶上安装百分表，指针垂直于前面的钢板，并对准其1/2 处，调节表的读数为零。
1.3 试验程序
将设备安装好后，即摇动千斤顶，徐徐施加水平推力，其加荷速度控制在每15～20 s内的水平位移在3 mm左右。控制百分表的读数，每3 mm读一次压力表的值。当土体开始出现剪切面时，压力表上的读数达最大值，继续加荷，压力表读数不仅不增加，反而下降，此时即认为土已被剪坏，记录压力表上的最大推力数，即为Pmax值。
千斤顶加压到Pmax值后，即停止加压，待油压表读数后退并达到一稳定值。先松开油阀调整行程，然后关上油阀重新加压，以其峰值作为Pmax值。
2 试验资料的整理与分析
2.1 试样的描述
试样的描述见表1。
表1 试样的描述
2.2 土石混合体 c，φ 值的计算
绘制滑动体实测断面图（图3），根据滑动弧的转折点或按等距将滑动体划分成若干条块，计算单位宽度的每块土体的重力。然后根据文献［1］中的2个公式计算土石混合体的c，φ值（计算结果见表2）。
表2 计算结果
注：gi为第i条块的重力；αi为第i条块滑动面与水平面的夹角；li为第i条块滑动线的长度。
在进行J3试验时，开始也是按照水平挤出法进行设计的，但在试验过程中由于土石混合体的抗剪强度非常高，致使千斤顶后面的承载面受到破坏，而试样却没有出现裂纹。于是将试样两边的回填土挖掉，在试样的前面重新开挖一槽，采用一次水平剪切的方法进行试验。
2.3 试验的结果分析
（1）从试样的剪应力-位移曲线（图4）可以看出3个试验都存在峰值强度，同时J3试验存在一定的残余强度，表现为明显的全应力应变曲线。而在试验J1，J2中虽然没有明显的残余强度，但也出现强度下降的趋势，这是因为在试验J1，J2 中千斤顶的行程已经到达极限，虽然试件已经开始破坏，但还未达到完全挤出的状态。所以这时需要松开油泵，重新调整千斤顶的行程和百分表的读数，进行再次加压，直至试件完全破坏为止。
（2）J3是一次水平剪切试验，其破坏属剪断破坏，破坏面基本上是一水平面，只是在中间的部位由于存在两块长约15cm的大石块而使破裂面绕过石块有上弯的现象，见图4（c）。在其他石块小的部位，破裂面可以直接剪断石块而过，这是土石混合体区别于其他材料的一个明显的特点。
图3 试样J1，J2，J3 的滑动实测断面图
图4 试验J1，J2，J3 的剪应力-位移曲线
（3）试验J1和试验J3相比，虽然含石量基本相同，但是其抗剪强度有很大的区别。其原因在于试验J1中所含的石块多为灰岩和泥灰岩块石或碎块石，次棱角状，表面光滑，所以，土体与块石的接触面粘结力小，在受剪应力时，容易滑动，产生破坏。而在J3试件中所含的石块多为姜石，其形状如姜，极不规则，土体与姜石紧密接触，形成一个犬齿交错的交界面，而造成其抗剪强度非常大。可见土石混合体的强度与所含块石的形状、性质以及所含土样的粘结性有密切的关系。
3 讨论
（1）对于碎石土、碎块石土等土石混合体来说，一般不能进行室内剪切试验。在白衣庵滑坡的已有研究中也没有发现有价值的试验资料，一般的数据都是按现场资料反算和参考其他资料得来的。因此，有必要对白衣庵滑坡地区的滑体或滑带物质进行原位大面积剪切试验，为滑坡稳定性分析提供必要的参数。
（2）土石混合体虽然也表现出全应力-应变曲线特征，但是它具有与其他材料明显不同的特点，即其破坏面依据剪切强度的不同，可以直接剪断小的相邻石块，也可以绕过大的石块。要想更深入地研究土石混合体的变形破坏性质必须通过大量的现场原位试验，并进行相关的数值模拟。
参考文献
［1］《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册.北京：中国建筑工业出版社，1992
［2］王钟琦.岩土工程测试技术.北京：中国建筑工业出版社，1986
［3］余光富.梯形试体三向千斤顶直剪试验法.岩土工程学报，2000，22（5）：562～564
