殘積土及全風化層土原位水平推剪試驗研究

楊偉強, 梁曉波

(中國電建集團 西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065)

殘積土及全風化層土原位水平推剪試驗研究

楊偉強, 梁曉波

(中國電建集團 西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065)

水平推剪試驗是測定土的抗剪強度指標的大型原位試驗,以厄瓜多爾德爾西水電站工程區(qū)廣泛分布的殘積土及全風化層土為研究對象,通過開展大型原位水平推剪試驗,取得該類土石混合體的抗剪強度參數(shù)c、φ值,并對其變形破壞特征進行研究。試驗結果表明,土石混合體的抗剪強度指標與其含石率、材料強度、結構聯(lián)接強度均有一定程度的關系,其力學特性介于土體和巖體之間,試驗后推剪應力—應變曲線有明顯的階段性,能反映土石混合體的變形特征。相比于室內試驗,在原位進行水平推剪試驗取得的成果更能代表殘積土及全風化片麻巖的抗剪強度特性。

殘積土;全風化層;抗剪強度;水平推剪試驗

在雨量大、溫度高、濕度大的濕熱氣候帶,巖體遭受長期外部條件改造,往往形成較厚的風化殼,風化殼表部的殘積土及全風化層已基本失去或完全失去原巖特征[1],形成一種較特殊的土石混合體,具較差的物理力學性質,物質組成復雜、結構分布不規(guī)則、原狀樣取樣困難及地域性等特征,其力學性質介于土體與碎裂巖體之間[2]。

位于南美洲西北部的厄瓜多爾德爾西(Delsi)水電站工程區(qū)屬熱帶森林氣候,在首部樞紐區(qū)和壓力管道部位廣泛分布該類土石混合體,研究該類土在剪切狀態(tài)下的抗剪強度特性對工程區(qū)人工及開挖邊坡的穩(wěn)定性計算分析、地基承載力特性研究、建筑物地基的變形破壞研究和設計優(yōu)化至關重要。

對于土石混合體的研究,目前尚未建立起一套針對性的試驗體系,多局限于室內試驗及數(shù)值模擬,大型原位試驗尤其是剪切試驗并不常見,對山區(qū)殘積土和全風化層的研究成果比較少,基本沒有可利用的成果,有效的方法和手段也不多見[3]。本文通過在德爾西工程現(xiàn)場殘積土及全風化層進行的7組水平推剪試驗進行研究分析,取得了一定的試驗成果,可用于工程設計。

1 試驗目的及試樣描述

1.1 試驗目的

對土石混合體進行室內直剪或UU三軸試驗受實驗室條件限制,通常試樣規(guī)格小,試樣材料成分基本為細粒土,難以取得具有代表性的原裝試樣,試驗結果不能代表該類土的真實抗剪強度特性。開展現(xiàn)場的水平推剪試驗,由于試件在現(xiàn)場加工,試驗在原位進行,處于天然狀態(tài),能夠更好地代表地基土的實際特性[4],利于深入研究材料的變形特點和力學性質,為建設工程開挖邊坡的穩(wěn)定性分析計算和優(yōu)化設計提供更加符合實際的抗剪強度參數(shù)。

1.2 試驗地點及試樣描述

本次試驗主要在3處地點進行,總共進行了7組。中左、右岸壩肩各2組、壓力管道相關部位3組。其各組試驗所布置的推力方向分為兩種:①由內側向坡體外側施加荷載,有TJ1、TJ2、TJ3、TJ5、TJ6、TJ7試樣;②由上游向下游施加荷載,為TJ4試樣,符合工程實際。分別就各個試驗地點巖土體進行室內試驗取得其物理性質參數(shù),試驗采用的相關試驗程序的規(guī)程規(guī)范有:①ASTM D 4959—2000用直接加熱法測定土壤中含水量的標準試驗方法;②ASTM D6913—2004(2009)用篩分法對土壤粒徑分布(分級)的試驗方法。

結合室內試驗成果,對土體的性質進行描述(見表1)。

表1 水平推剪試驗試樣級配及試點部位土體描述

2 試驗原理及操作程序

2.1 試驗原理

水平推剪試驗的基本原理是對土體施加推力,使土體達到極限強度后失去穩(wěn)定而滑動。當滑動力等于抗滑力時,土石混合體就處于極限平衡狀態(tài),據(jù)此可求出土石混合體的抗剪強度指標。水平推剪試驗的特點是試樣的剪損面處于臨空狀態(tài),不受剪力盒的約束;剪損面的形狀和發(fā)展,取決于土石混合體的性質和內部軟弱結構的狀態(tài)。對無粘性散粒結構的土層試驗結果較穩(wěn)定。水平推剪試驗的目的是更準確地測定土體的強度指標[5]。

2.2 試樣制備及測試方法

(1) 在選定的試驗地點進行試驗坑槽開挖,達到所需試驗深度后,選擇未受開挖擾動的殘積土(或全風化片麻巖)作為試驗位置,平整地面后放線布置。在正側挖施加推力設備的安裝槽,槽的寬度以滿足千斤頂、底座墊板和推土墊板的安裝要求即可。

(2) 在試驗土體的兩側各開挖寬30 cm的邊槽,并用薄鋼板(鋼板內側貼一層涂抹了黃油的厚塑料布)與試樣緊貼,用鋼釬及拉桿固定兩側的鋼板,以限制土體發(fā)生側向位移[6]。本次所采用的試樣尺寸為1.0 m×1.0 m×0.3 m(長×寬×高)。

(3) 為查明滑動面的形狀和規(guī)律,在試樣上沿推力方向每隔10 cm插一排小孔,并注入白色石灰,剪切后當土體滑動,石灰柱在滑移處斷裂,在試驗結束后切開這一位置,即可明顯地判斷出各個切斷點的部位,將其斷點連接后即形成滑移面(見圖1)。

(4) 在試驗體正面槽的前、后方兩個壁面上各放置一塊具有一定厚度及剛度的鋼板和枕木。然后分別在兩鋼板間依次安裝已與油壓表和加壓油泵相連的施加推力的千斤頂(其千斤頂受力點要對準試樣高度的下1/3處),同時安裝好測量位移用的大量程百分表等測試部件。在前推力鋼板的中部及兩側安裝位移百分表,測定試驗其土石混合體的水平變形,位移計表的基座應設置在不受試驗影響的穩(wěn)定體上,裝配完成后如圖2所示。

圖1 制備完成的試驗樣(TJ6)

Fig.1 Experimental sample of preparation(TJ6)

圖2 千斤頂安裝示意圖

Fig.2 Schematic diagram of jack installation

1.試驗土體;2.鋼墊板;3.位移計;4.傳力活塞;5.千斤頂;6.枕木或鋼框架;7.底座鋼板(或墊板)。

(5) 設備安裝完畢后,記錄位移表及壓力表的起始讀數(shù),搖動千斤頂開始對試驗土體分級施加水平推力,其千斤頂加載變形速率控制在1 mm/min。每一分鐘記錄一次壓力表讀數(shù)和土體的水平變形量,即每施加一級荷載,測記推力、位移,不間斷地加壓直至土體出現(xiàn)剪切斷裂面時,出現(xiàn)最大推力讀數(shù),再繼續(xù)施加壓力,其壓力表不增反減,并回落到某一穩(wěn)定的低值,此時判斷土石混合體已經被推剪破壞,試驗過程出現(xiàn)的最大讀數(shù)即為試樣發(fā)生破壞的最大水平推力Pmax。

(6) 松開千斤頂?shù)挠烷y,卸去對土體的推力,然后再次以同樣的方法對試驗土體施加水平推力,直至獲得試驗峰值,則此為試驗的最小水平推力Pmin。

對土石混合體TJ06試件進行推剪試驗后的照片見圖3。

圖3 試驗后的滑移體斷面形態(tài)(TJ06)

Fig.3 Fracture morphology of gliding object after test

3 抗剪參數(shù)的確定和分析

3.1 滑移面的確定

土石混合體的原位水平推剪試驗形成的滑面非常不規(guī)則,為考慮到總體效應,在計算強度參數(shù)時應采用平均滑動面作為計算滑動面[7]。通過對試件解剖觀察,確定斷裂面位置,并量測滑動面上各點的距離和高度,繪制滑動面草圖。

3.2 試驗c、φ值的確定和分析

(1) 根據(jù)滑動面草圖,繪制滑動體斷面,并按滑動體上、下界限的轉折點將其分成若干條塊,如圖4所示。

圖4 滑動體斷面及分析圖

Fig.4 Sliding mass section and analysis chart

(2) 根據(jù)公式①計算單位寬度的每塊土體的重量:

gi=bihiγ

①

式中:gi為某條塊單位寬度上的重力(kN/m);bi為某條塊的長度(m);hi為某條塊的中線高度(m);γ為土的天然重度。

(3) 依據(jù)規(guī)范公式②以及公式③計算出土石混合體的c、φ值。

②

③

式中:Pmax為最大水平推力(kN/m);Pmin為最小水平推力(kN/m);gi為第i條塊的重力(kN/m);G為滑動體總重力(kN/m);αi為第i條塊滑動面與水平面夾角(9°);b為條塊的寬度(m);li為第i塊滑動面在剖面上的線長度(m)。

根據(jù)現(xiàn)場試驗原始記錄,分別計算出剪切面上的推剪應力和相應的剪切位移,繪制出各組的推剪應力與位移關系曲線,見圖6。根據(jù)測定的峰值強度(即最大推剪應力Pmax和最小推剪應力Pmin)。用上述計算公式計算出相應的c值和φ值(見表2)。

土石混合體的抗剪性能與顆粒組成有較大關系,抗剪強度主要受其結構特征所控制,一般情況下,是通過顆粒形狀和大小、均勻程度等表面特征來起作用的[8]。本次進行的7組試驗,除TJ6試樣可劃分為細粒土,其余6組試樣雖含有一定百分比的細粒土成分,總體上均屬粗粒土。通過研究試樣的物質成分特性與計算取得的7組試樣的c、φ值可以得出以下幾個方面的特點:

(1) TJ1與TJ2在左岸壩肩同一試驗位置進行試驗,試樣巖性基本相同,均為全風化片麻巖,兩者的區(qū)別是試樣TJ1的含石率較試樣TJ2的含石率大11.4%,試驗結論得出TJ1的c、φ值較TJ2的大。

表2 現(xiàn)場水平推剪試驗計算成果表

TJ3與TJ4在右岸壩肩同一試驗位置進行試驗,試樣巖性基本相同,均為殘積土層,呈粘質粉砂土、不規(guī)則狀片麻巖碎石塊狀,兩者的區(qū)別是TJ3試樣的含石率較試樣TJ4的含石率大50.4%,但其所含的石料成分性狀較差,分布不均勻,用手捏即變成粉末狀,所形成的剪切面未穿過試樣內部的塊石料,試驗結論得出TJ3的c、φ值較TJ4的大。從受力方向角度來說,殘積土無明顯各向異性特征。

通過對比,說明土石混合體在含石率較大的情況下其c、φ值相對較大。

(2) TJ5位于壓力鋼管位置,含石率與TJ1、TJ2相近,但該組試樣的風化程度相對較低,所含的石塊強度較高,錘砸后呈松散狀,c值明顯較高,φ值略低于TJ1,比TJ1、TJ2平均值較高。說明土石混合體中石料的強度對其整體的c、φ值有一定的影響。

(3) TJ6試樣為殘積粘土層,其細粒成分占64%,粘粒含量較高,結構不均勻,其結構聯(lián)接較強,顆粒之間的摩阻力也較強,故該組試樣φ值較高。

(4) 全風化層三組試樣TJ1、TJ2、TJ5的c值平均為15.942 kPa,φ值平均為46.007°。殘坡積土層四組試樣TJ3、TJ4、TJ6、TJ7的c值平均為13.224 kPa,φ值平均為33.816°。實驗結果符合工程實際,能反映土石混合體的強度特征,也進一步說明土石混合體的材料強度是決定其c、φ值的關鍵因素。

3.3 推剪應力—應變曲線結果分析

根據(jù)現(xiàn)場進行的7組水平推剪試驗、兩階段試驗原始記錄,繪制出各組的推剪應力與剪切變形關系曲線(圖5)。

可以看出,試樣在推剪過程中具有應力屈服和塑性變形特征,剪應力—應變曲線具有明顯的階段性,整體可分為四個階段。

第Ⅰ階段 微孔隙閉合階段,這是土石混合體受力剛開始的階段,這個階段的變形以塑性變形為主,也包含少量的彈性變形,其應力范圍比較小,這個階段不甚明顯,有時難以劃分。

第Ⅱ階段 彈性變形階段,在變形的這個階段中,土石混合體中的孔隙進一步被壓縮,剪應力與剪應變大致呈正比關系,線段呈準直線型式,變形以彈性為主,試樣從底部出現(xiàn)小的變形。對于土石混合體,該段往往從曲線的起始端開始,且發(fā)生過程較短。

第Ⅲ階段 塑性變形與破壞階段,剪應力達到一定程度,試樣產生屈服后在推力的作用下,產生了新的破裂,這一階段曲線上大都出現(xiàn)一些不規(guī)則的變化段。伴隨著剪應力的進一步增大,變形逐漸增加,破裂面進一步發(fā)展,剪應變增加的速率逐漸超過應力增加的速率,曲線開始轉入平緩發(fā)展階段,土體的抗剪能力降低,最終試樣整體滑動破壞,形成了貫通的滑移面,經過該階段土石混合體的變形后剪應力—推剪位移曲線達到峰值。

第Ⅳ階段 破壞后階段,剪應力和剪應變發(fā)生急劇變化,出現(xiàn)剪應力隨著剪應變增大而下降的現(xiàn)象,最終達到強度的殘余值,體現(xiàn)為高塑性材料的變形破壞特征。

7組試樣具有不同的成分和結構特點,有的某個階段并不明顯,或者缺失某個階段。

4 結論

通過現(xiàn)場水平推剪試驗取得殘積土和全風化片麻巖的抗剪強度指標c、φ值的基礎上,對其影響因素進行深入分析和探討,總結這種類型土石混合體的剪應力—應變特征,得出以下幾點結論:

(1) 土石混合體的抗剪強度性能與其結構特征包括顆粒組成、均勻程度、結構聯(lián)接等有較大關系。其中含石率的大小對材料的整體力學特性影響較大,塊碎石含量越多、粒徑越大其剪切強度就相對高。對于細粒土成分含量較高的土石混合體,抗剪強度指標與土體結構聯(lián)接強度關系緊密,顆粒之間的摩阻力較高,具有相對較高的抗剪強度指標。

(2) 全風化層三組試樣TJ1、TJ2、TJ5的c值平均為15.942 kPa,φ值平均為46.007°。殘坡積土層四組試樣TJ3、TJ4、TJ6、TJ7的c值平均為13.224 kPa,φ值平均為33.816°。實驗結果符合工程實際,能反映土石混合體的強度特征,說明土石混合體的材料強度是決定其c、φ值的關鍵因素。

(3) 試樣在推剪過程中具有應力屈服和塑性變形特征,剪應力—應變曲線具有明顯的階段性,整體可分為四個階段,其中有的微孔隙閉合和彈性變形階段不甚明顯,且發(fā)生的過程較短,塑性變形與破壞及破壞后階段均較為顯著。殘積土和全風化層的組成具有成分多樣性和結構的不均勻性,其變形破壞特征即不同于一般土體。

(4) 從現(xiàn)場水平推剪試驗結果來看,殘積土及全風化層的c、φ值明顯大于室內試驗結果。這與兩種試驗樣品尺寸大小相差極大、試驗材料不同有很大的關系。大型的水平推剪試驗更能代表現(xiàn)場土石混合體的自然狀態(tài),其結果也更能代表地基土實際具有的抗剪特性。

圖5 TJ1-TJ7試樣推剪應力—推剪位移關系曲線圖

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

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(責任編輯：陳姣霞)

下期要目預告

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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

楊偉強(1985-),男,工程師,碩士,地質工程專業(yè),從事地質勘察及巖土工程研究工作。E-mail:ywq8588@qq.com

TV223

A

1671-1211(2017)01-0079-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.01.014

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161208.1017.016.html 數(shù)字出版日期:2016-12-08 10:17