残积土及全风化层土原位水平推剪试验研究

杨伟强, 梁晓波

(中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065)

残积土及全风化层土原位水平推剪试验研究

杨伟强, 梁晓波

(中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065)

水平推剪试验是测定土的抗剪强度指标的大型原位试验,以厄瓜多尔德尔西水电站工程区广泛分布的残积土及全风化层土为研究对象,通过开展大型原位水平推剪试验,取得该类土石混合体的抗剪强度参数c、φ值,并对其变形破坏特征进行研究。试验结果表明,土石混合体的抗剪强度指标与其含石率、材料强度、结构联接强度均有一定程度的关系,其力学特性介于土体和岩体之间,试验后推剪应力—应变曲线有明显的阶段性,能反映土石混合体的变形特征。相比于室内试验,在原位进行水平推剪试验取得的成果更能代表残积土及全风化片麻岩的抗剪强度特性。

残积土;全风化层;抗剪强度;水平推剪试验

在雨量大、温度高、湿度大的湿热气候带,岩体遭受长期外部条件改造,往往形成较厚的风化壳,风化壳表部的残积土及全风化层已基本失去或完全失去原岩特征[1],形成一种较特殊的土石混合体,具较差的物理力学性质,物质组成复杂、结构分布不规则、原状样取样困难及地域性等特征,其力学性质介于土体与碎裂岩体之间[2]。

位于南美洲西北部的厄瓜多尔德尔西(Delsi)水电站工程区属热带森林气候,在首部枢纽区和压力管道部位广泛分布该类土石混合体,研究该类土在剪切状态下的抗剪强度特性对工程区人工及开挖边坡的稳定性计算分析、地基承载力特性研究、建筑物地基的变形破坏研究和设计优化至关重要。

对于土石混合体的研究,目前尚未建立起一套针对性的试验体系,多局限于室内试验及数值模拟,大型原位试验尤其是剪切试验并不常见,对山区残积土和全风化层的研究成果比较少,基本没有可利用的成果,有效的方法和手段也不多见[3]。本文通过在德尔西工程现场残积土及全风化层进行的7组水平推剪试验进行研究分析,取得了一定的试验成果,可用于工程设计。

1 试验目的及试样描述

1.1 试验目的

对土石混合体进行室内直剪或UU三轴试验受实验室条件限制,通常试样规格小,试样材料成分基本为细粒土,难以取得具有代表性的原装试样,试验结果不能代表该类土的真实抗剪强度特性。开展现场的水平推剪试验,由于试件在现场加工,试验在原位进行,处于天然状态,能够更好地代表地基土的实际特性[4],利于深入研究材料的变形特点和力学性质,为建设工程开挖边坡的稳定性分析计算和优化设计提供更加符合实际的抗剪强度参数。

1.2 试验地点及试样描述

本次试验主要在3处地点进行,总共进行了7组。中左、右岸坝肩各2组、压力管道相关部位3组。其各组试验所布置的推力方向分为两种:①由内侧向坡体外侧施加荷载,有TJ1、TJ2、TJ3、TJ5、TJ6、TJ7试样;②由上游向下游施加荷载,为TJ4试样,符合工程实际。分别就各个试验地点岩土体进行室内试验取得其物理性质参数,试验采用的相关试验程序的规程规范有:①ASTM D 4959—2000用直接加热法测定土壤中含水量的标准试验方法;②ASTM D6913—2004(2009)用筛分法对土壤粒径分布(分级)的试验方法。

结合室内试验成果,对土体的性质进行描述(见表1)。

表1 水平推剪试验试样级配及试点部位土体描述

2 试验原理及操作程序

2.1 试验原理

水平推剪试验的基本原理是对土体施加推力,使土体达到极限强度后失去稳定而滑动。当滑动力等于抗滑力时,土石混合体就处于极限平衡状态,据此可求出土石混合体的抗剪强度指标。水平推剪试验的特点是试样的剪损面处于临空状态,不受剪力盒的约束;剪损面的形状和发展,取决于土石混合体的性质和内部软弱结构的状态。对无粘性散粒结构的土层试验结果较稳定。水平推剪试验的目的是更准确地测定土体的强度指标[5]。

2.2 试样制备及测试方法

(1) 在选定的试验地点进行试验坑槽开挖,达到所需试验深度后,选择未受开挖扰动的残积土(或全风化片麻岩)作为试验位置,平整地面后放线布置。在正侧挖施加推力设备的安装槽,槽的宽度以满足千斤顶、底座垫板和推土垫板的安装要求即可。

(2) 在试验土体的两侧各开挖宽30 cm的边槽,并用薄钢板(钢板内侧贴一层涂抹了黄油的厚塑料布)与试样紧贴,用钢钎及拉杆固定两侧的钢板,以限制土体发生侧向位移[6]。本次所采用的试样尺寸为1.0 m×1.0 m×0.3 m(长×宽×高)。

(3) 为查明滑动面的形状和规律,在试样上沿推力方向每隔10 cm插一排小孔,并注入白色石灰,剪切后当土体滑动,石灰柱在滑移处断裂,在试验结束后切开这一位置,即可明显地判断出各个切断点的部位,将其断点连接后即形成滑移面(见图1)。

(4) 在试验体正面槽的前、后方两个壁面上各放置一块具有一定厚度及刚度的钢板和枕木。然后分别在两钢板间依次安装已与油压表和加压油泵相连的施加推力的千斤顶(其千斤顶受力点要对准试样高度的下1/3处),同时安装好测量位移用的大量程百分表等测试部件。在前推力钢板的中部及两侧安装位移百分表,测定试验其土石混合体的水平变形,位移计表的基座应设置在不受试验影响的稳定体上,装配完成后如图2所示。

图1 制备完成的试验样(TJ6)

Fig.1 Experimental sample of preparation(TJ6)

图2 千斤顶安装示意图

Fig.2 Schematic diagram of jack installation

1.试验土体;2.钢垫板;3.位移计;4.传力活塞;5.千斤顶;6.枕木或钢框架;7.底座钢板(或垫板)。

(5) 设备安装完毕后,记录位移表及压力表的起始读数,摇动千斤顶开始对试验土体分级施加水平推力,其千斤顶加载变形速率控制在1 mm/min。每一分钟记录一次压力表读数和土体的水平变形量,即每施加一级荷载,测记推力、位移,不间断地加压直至土体出现剪切断裂面时,出现最大推力读数,再继续施加压力,其压力表不增反减,并回落到某一稳定的低值,此时判断土石混合体已经被推剪破坏,试验过程出现的最大读数即为试样发生破坏的最大水平推力Pmax。

(6) 松开千斤顶的油阀,卸去对土体的推力,然后再次以同样的方法对试验土体施加水平推力,直至获得试验峰值,则此为试验的最小水平推力Pmin。

对土石混合体TJ06试件进行推剪试验后的照片见图3。

图3 试验后的滑移体断面形态(TJ06)

Fig.3 Fracture morphology of gliding object after test

3 抗剪参数的确定和分析

3.1 滑移面的确定

土石混合体的原位水平推剪试验形成的滑面非常不规则,为考虑到总体效应,在计算强度参数时应采用平均滑动面作为计算滑动面[7]。通过对试件解剖观察,确定断裂面位置,并量测滑动面上各点的距离和高度,绘制滑动面草图。

3.2 试验c、φ值的确定和分析

(1) 根据滑动面草图,绘制滑动体断面,并按滑动体上、下界限的转折点将其分成若干条块,如图4所示。

图4 滑动体断面及分析图

Fig.4 Sliding mass section and analysis chart

(2) 根据公式①计算单位宽度的每块土体的重量:

gi=bihiγ

①

式中:gi为某条块单位宽度上的重力(kN/m);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。

(3) 依据规范公式②以及公式③计算出土石混合体的c、φ值。

②

③

式中:Pmax为最大水平推力(kN/m);Pmin为最小水平推力(kN/m);gi为第i条块的重力(kN/m);G为滑动体总重力(kN/m);αi为第i条块滑动面与水平面夹角(9°);b为条块的宽度(m);li为第i块滑动面在剖面上的线长度(m)。

根据现场试验原始记录,分别计算出剪切面上的推剪应力和相应的剪切位移,绘制出各组的推剪应力与位移关系曲线,见图6。根据测定的峰值强度(即最大推剪应力Pmax和最小推剪应力Pmin)。用上述计算公式计算出相应的c值和φ值(见表2)。

土石混合体的抗剪性能与颗粒组成有较大关系,抗剪强度主要受其结构特征所控制,一般情况下,是通过颗粒形状和大小、均匀程度等表面特征来起作用的[8]。本次进行的7组试验,除TJ6试样可划分为细粒土,其余6组试样虽含有一定百分比的细粒土成分,总体上均属粗粒土。通过研究试样的物质成分特性与计算取得的7组试样的c、φ值可以得出以下几个方面的特点:

(1) TJ1与TJ2在左岸坝肩同一试验位置进行试验,试样岩性基本相同,均为全风化片麻岩,两者的区别是试样TJ1的含石率较试样TJ2的含石率大11.4%,试验结论得出TJ1的c、φ值较TJ2的大。

表2 现场水平推剪试验计算成果表

TJ3与TJ4在右岸坝肩同一试验位置进行试验,试样岩性基本相同,均为残积土层,呈粘质粉砂土、不规则状片麻岩碎石块状,两者的区别是TJ3试样的含石率较试样TJ4的含石率大50.4%,但其所含的石料成分性状较差,分布不均匀,用手捏即变成粉末状,所形成的剪切面未穿过试样内部的块石料,试验结论得出TJ3的c、φ值较TJ4的大。从受力方向角度来说,残积土无明显各向异性特征。

通过对比,说明土石混合体在含石率较大的情况下其c、φ值相对较大。

(2) TJ5位于压力钢管位置,含石率与TJ1、TJ2相近,但该组试样的风化程度相对较低,所含的石块强度较高,锤砸后呈松散状,c值明显较高,φ值略低于TJ1,比TJ1、TJ2平均值较高。说明土石混合体中石料的强度对其整体的c、φ值有一定的影响。

(3) TJ6试样为残积粘土层,其细粒成分占64%,粘粒含量较高,结构不均匀,其结构联接较强,颗粒之间的摩阻力也较强,故该组试样φ值较高。

(4) 全风化层三组试样TJ1、TJ2、TJ5的c值平均为15.942 kPa,φ值平均为46.007°。残坡积土层四组试样TJ3、TJ4、TJ6、TJ7的c值平均为13.224 kPa,φ值平均为33.816°。实验结果符合工程实际,能反映土石混合体的强度特征,也进一步说明土石混合体的材料强度是决定其c、φ值的关键因素。

3.3 推剪应力—应变曲线结果分析

根据现场进行的7组水平推剪试验、两阶段试验原始记录,绘制出各组的推剪应力与剪切变形关系曲线(图5)。

可以看出,试样在推剪过程中具有应力屈服和塑性变形特征,剪应力—应变曲线具有明显的阶段性,整体可分为四个阶段。

第Ⅰ阶段 微孔隙闭合阶段,这是土石混合体受力刚开始的阶段,这个阶段的变形以塑性变形为主,也包含少量的弹性变形,其应力范围比较小,这个阶段不甚明显,有时难以划分。

第Ⅱ阶段 弹性变形阶段,在变形的这个阶段中,土石混合体中的孔隙进一步被压缩,剪应力与剪应变大致呈正比关系,线段呈准直线型式,变形以弹性为主,试样从底部出现小的变形。对于土石混合体,该段往往从曲线的起始端开始,且发生过程较短。

第Ⅲ阶段 塑性变形与破坏阶段,剪应力达到一定程度,试样产生屈服后在推力的作用下,产生了新的破裂,这一阶段曲线上大都出现一些不规则的变化段。伴随着剪应力的进一步增大,变形逐渐增加,破裂面进一步发展,剪应变增加的速率逐渐超过应力增加的速率,曲线开始转入平缓发展阶段,土体的抗剪能力降低,最终试样整体滑动破坏,形成了贯通的滑移面,经过该阶段土石混合体的变形后剪应力—推剪位移曲线达到峰值。

第Ⅳ阶段 破坏后阶段,剪应力和剪应变发生急剧变化,出现剪应力随着剪应变增大而下降的现象,最终达到强度的残余值,体现为高塑性材料的变形破坏特征。

7组试样具有不同的成分和结构特点,有的某个阶段并不明显,或者缺失某个阶段。

4 结论

通过现场水平推剪试验取得残积土和全风化片麻岩的抗剪强度指标c、φ值的基础上,对其影响因素进行深入分析和探讨,总结这种类型土石混合体的剪应力—应变特征,得出以下几点结论:

(1) 土石混合体的抗剪强度性能与其结构特征包括颗粒组成、均匀程度、结构联接等有较大关系。其中含石率的大小对材料的整体力学特性影响较大,块碎石含量越多、粒径越大其剪切强度就相对高。对于细粒土成分含量较高的土石混合体,抗剪强度指标与土体结构联接强度关系紧密,颗粒之间的摩阻力较高,具有相对较高的抗剪强度指标。

(2) 全风化层三组试样TJ1、TJ2、TJ5的c值平均为15.942 kPa,φ值平均为46.007°。残坡积土层四组试样TJ3、TJ4、TJ6、TJ7的c值平均为13.224 kPa,φ值平均为33.816°。实验结果符合工程实际,能反映土石混合体的强度特征,说明土石混合体的材料强度是决定其c、φ值的关键因素。

(3) 试样在推剪过程中具有应力屈服和塑性变形特征,剪应力—应变曲线具有明显的阶段性,整体可分为四个阶段,其中有的微孔隙闭合和弹性变形阶段不甚明显,且发生的过程较短,塑性变形与破坏及破坏后阶段均较为显著。残积土和全风化层的组成具有成分多样性和结构的不均匀性,其变形破坏特征即不同于一般土体。

(4) 从现场水平推剪试验结果来看,残积土及全风化层的c、φ值明显大于室内试验结果。这与两种试验样品尺寸大小相差极大、试验材料不同有很大的关系。大型的水平推剪试验更能代表现场土石混合体的自然状态,其结果也更能代表地基土实际具有的抗剪特性。

图5 TJ1-TJ7试样推剪应力—推剪位移关系曲线图

Fig.5 Curves of push-shear stress of TJ1-TJ7 sample and push-shear displacement relation

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(责任编辑：陈姣霞)

下期要目预告

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The Research of In-situ Horizontal Push-shear Test of Residual Soil andCompletely Weathering Layer

YANG Weiqiang, LIANG Xiaobo

(NorthwestEngineeringCorporationLimited,Xi’an,Shaanxi710056)

The horizontal push-shear test is a large in-situ test to measure the shear strength index of soil.This article used the residual soil and completely weathering layer that widely distributed in Ecuador Delsi hydropower station as the research object,through conducting large in-situ horizontal push-shear test,the shear strength parametersc,φvalue of rock-soil aggregate can be obtained,and deformation and failure characteristics of it are studied.The test shows that there is a certain degree of relationship between the shear strength parameters of rock-soil aggregate and its stone content,material strength,structural connection strength,the mechanical properties between soil mass and rock mass,the pushing shear stress-strain curve shows obvious periodicity,can reflect the characteristics of deformation of rock-soil aggregate.Compared with the indoor experiment,the result of in-situ horizontal push-shear test can better represent the shear strength properties of residual soil and completely weathered gneiss.

residual soil; completely weathering layer; shear strength; horizontal push-shear test

2016-04-25;改回日期:2016-06-15

杨伟强(1985-),男,工程师,硕士,地质工程专业,从事地质勘察及岩土工程研究工作。E-mail:ywq8588@qq.com

TV223

A

1671-1211(2017)01-0079-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.01.014

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161208.1017.016.html 数字出版日期:2016-12-08 10:17