原位剪切試驗在工程滑坡勘察中的應用

張祥恒，王 振，曹 凡，王延寧，陳柏林

（1.煙臺魯東勘察測繪有限公司，山東 煙臺 264004； 2.山東省地礦局鉆探工程技術(shù)研究中心，山東 煙臺 264004；3.中兵勘察設計研究院有限公司，北京 100053； 4.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264004；5.自然資源部地質(zhì)災害自動化監(jiān)測技術(shù)創(chuàng)新中心（重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院），重慶 401120）

0 引言

巖土體在剪切作用下所能發(fā)揮的抗剪強度，尤其是作為薄弱層的巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪強度，在滑坡穩(wěn)定分析中起著至關(guān)重要的作用，是滑坡穩(wěn)定性定量評價和支擋工程設計時計算下滑力所必需的參數(shù)［1］。獲取巖土體抗剪強度指標目前常用有3 種方法：（1）自滑坡體或滑坡帶采集原狀土樣，進行室內(nèi)直剪試驗［2-3］或三軸試驗［4］；（2）對滑坡體或滑坡帶進行現(xiàn)場原位剪切試驗［5-8］；（3）基于極限平衡原理的滑面指標反算法［9-10］。室內(nèi)直剪試驗或三軸試驗，所采集原狀土樣已脫離原應力環(huán)境［11-12］，試樣在室內(nèi)制取和試驗過程中不可避免的會造成擾動，所獲取的試驗指標和原位應力條件下的抗剪強度往往存在一定差異，在滑坡穩(wěn)定性分析過程中，會有較大偏差［13-14］?；嬷笜朔此惴◤奈锢硪饬x而言較為明確，且可操作性較強，所反映出的滑坡穩(wěn)定狀態(tài)一般較真實，但是具有嚴格的限制條件［15-16］，應用范圍受限制。對于現(xiàn)場原位剪切試驗，試樣受擾動更小，試驗狀態(tài)與滑坡體內(nèi)巖土體所處狀態(tài)較為吻合，得到的參數(shù)也更加真實［13］，對于測定邊坡內(nèi)部發(fā)育的結(jié)構(gòu)面、巖土層接觸面、邊坡滑動面，適用性較強，同時也是測定顆粒成分較復雜的混合土層的抗剪強度的重要手段之一［17-19］。

重慶華宇·觀瀾華府項目工程滑坡勘察，在現(xiàn)場做原位剪切試驗的同時，采集原狀樣品進行室內(nèi)直剪試驗，獲取兩種不同試驗下的抗剪強度參數(shù)，分別取用兩種參數(shù)對不同工況下的滑坡體進行穩(wěn)定性分析計算，并與滑坡體的實際變形特征進行比較，驗證了原位剪切試驗確定土體抗剪強度參數(shù)的合理性。

1 工程概況

重慶市大渡口區(qū)大渡口組團D 分區(qū)D10-3-1 地塊華宇·觀瀾華府項目，該項目位于重慶市大渡口區(qū)八橋鎮(zhèn)，包含16 棟樓，10 棟多層住宅、4 棟高層以及2 棟配套用房，項目總建筑面積21.57 萬m2，其中地上建筑面積16.16 萬m2，地下建筑面積5.41 萬m2，場區(qū)地貌類型為山地，地勢起伏較大，整體呈北高南低，場區(qū)±0 標高為287.2 m，北側(cè)山體標高約290.0～310.0 m，高差約20.0～25.0 m，在場地平整開挖過程中，場地東側(cè)2 號樓北側(cè)出現(xiàn)了滑坡現(xiàn)象，滑坡體位置信息見圖1。

1.1 滑坡空間形態(tài)

該處滑坡平面形態(tài)呈圓弧狀，滑坡縱向長約40 m，橫向?qū)捈s70 m，面積約1800 m2，滑體厚度為5.0～7.1 m，平均厚度約6.2 m，總體積約9500 m3，屬中型滑坡，主滑方向228°，滑坡體的總體平面圖見圖2。

圖2 滑坡平面圖Fig.2 Plan of the landslide

1.2 滑坡物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征

據(jù)勘探揭露，滑體物質(zhì)主要由第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)粘土組成，呈褐紅、紫褐色，稍濕，可塑狀，土質(zhì)不均，夾有少量砂、泥巖碎塊?；瑤挥谕馏w與基巖接觸處，厚度一般為1～20 cm，主要由紫褐色粉質(zhì)粘土夾巖石碎塊組成，呈軟塑狀，多呈綠灰、紫褐色，可見滑動鏡面?；矠橘_系中統(tǒng)沙溪廟組砂質(zhì)泥巖，縱向沿主滑方向呈拆線形，傾角為3°～14°，橫向呈“U”字型，其典型工程地質(zhì)剖面見圖3。

圖3 典型工程地質(zhì)剖面Fig.3 Typical engineering geological section

1.3 滑坡變形特征及形成機制分析

滑坡體范圍內(nèi)未經(jīng)土石方開挖平場時處于穩(wěn)定狀態(tài)，未見變形跡象。土石方開挖導致前緣形成臨空面，2017 年1 月10 日開始發(fā)現(xiàn)坡體中后緣出現(xiàn)多條平行的張拉裂縫，并有逐漸擴展的趨勢，到2017年1 月18 日測量的最大裂縫殘余寬0.3 m，深0.5～1.2 m，長10 m，裂縫總體走向呈140°。此后該滑坡體仍處于緩慢整體蠕動變形狀態(tài)，2017 年1 月22 日施工單位進行了坡前反壓處理后變形穩(wěn)定。

經(jīng)分析，該滑坡體發(fā)育在山體斜坡地帶，以第四系坡殘積物為主，土石方開挖改變了斜坡原有的應力狀態(tài)，是本次出現(xiàn)工程滑坡的主要誘因之一?；麦w后緣有一魚塘，土石方平場施工過程中將魚塘挖開后其塘內(nèi)水體流經(jīng)滑坡體范圍內(nèi)，沿巖土孔隙或地面洞穴下滲，在第四系殘積夾碎石的粉質(zhì)粘土層和侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組砂質(zhì)泥層的接觸面匯集，改變了滑帶內(nèi)各巖土體的物理力學性質(zhì)，也導致土體沿滑面產(chǎn)生滑動破壞。綜上分析并結(jié)合現(xiàn)場滑坡變形特征判定，該處滑坡破壞機制為蠕滑-拉裂。

2 現(xiàn)場原位剪切試驗

2.1 試驗點布置

土-巖界面原位剪切試驗目的主要是提供土-巖界面在天然含水狀態(tài)下以及人工浸水狀態(tài)下的抗剪強度指標。本次試驗在該滑坡體前緣布置了6 個試驗點，編號為TJ1～TJ6，其中試驗點TJ1～TJ3 為天然含水狀態(tài)，試驗點TJ4～TJ6 為浸水飽和狀態(tài)（對試驗位置注水24 h，現(xiàn)場采集樣品測定飽和度，飽和度＞85 默認為飽和），具體布置參見圖2。

原位剪切試驗采用2500 cm2剪切儀，剪切面積為2500 cm2，剪切盒內(nèi)邊長50 cm，試塊高度為30 cm。以人工開挖的方式進行，試塊間距以相互不產(chǎn)生不良應力影響為宜。在預留深度處開挖出略大于預定試樣的試件塊體，然后再用切割機、釬等工具進行細部人工修正，將試件周圍巖土面修鑿平整，直至規(guī)格為50 cm×50 cm×30 cm。所有試塊四周均開挖至滑動面（巖土界面）以下3～5 cm。每個試驗點含3 個試塊，分別滿足法向荷載為140、280、420 kPa時剪切要求。

2.2 試驗設備及安裝

2.2.1 試驗設備

（1）法向荷載系統(tǒng)由HC-30（300 kN）型數(shù)顯拉拔儀、鋼墊板、滾軸排、傳力筒等組成。剪切荷載系統(tǒng)由HC-10（100 kN）型數(shù)顯拉拔儀、前后座鋼墊板、傳力筒等組成。

（2）測量系統(tǒng)設備由大量程百分表、磁力表座等組成。

2.2.2 設備安裝

（1）法向系統(tǒng)安裝：在試體頂部鋪一層細砂并找平，使試體頂面與預定剪切面平行，然后放上鋼墊板，在其上依次安放滾軸排、墊板、千斤頂、傳力筒、頂部鋼墊板等。整個法向系統(tǒng)垂直于剪切面，法向荷載的作用方向通過預定剪切試塊的幾何中心。加載的反力裝置由現(xiàn)場的工字鋼、鋼板、砂袋等組成。

（2）水平系統(tǒng)安裝：水平推力裝置由千斤頂和墊板等組成，在試樣制作時應在施加水平荷載一邊預留一定距離放置千斤頂和墊板，放置千斤頂時要保持其平衡，并使合力作用點位于剪切面的中心，推力方向與預定剪切方向平行，千斤頂?shù)姆戳τ稍嚥蹅?cè)壁提供。

加載過程中，試樣的水平位移和垂直位移各采用2 個精度為0.01 mm 的百分表測定。

2.3 荷載施加

試驗時先施加垂直荷載，再觀測垂直位移，待位移穩(wěn)定后，保持垂直荷載不變，再施加水平向荷載。

（1）法向荷載施加：3 個試體的最大法向應力分別設定為140、280、420 kPa，為了使試樣產(chǎn)生充分應變，以便于詳細觀察記錄應變各階段特征，按分配法將垂直荷載等分5 級施加于每個試樣，每級垂直荷載施加時間間隔為5 min，最后一級荷載施加完成后，每間隔5 min 測讀一次垂直位移，當連續(xù)兩次位移之差≯0.01 mm 時，方可施加水平荷載。

（2）剪切荷載施加：開始按預估最大剪切荷載的10%分級施加剪切荷載，剪切荷載采用時間控制，每間隔5 min 加載一級。當剪切位移增量達到前級位移增量的1.5 倍時，剪切荷載改為5%等量施加。

2.4 試驗成果

2.4.1 剪斷面特征

現(xiàn)場6 組原位剪切試驗均沿預定剪切面剪斷，各組試驗的結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖性一致，且試體剪斷面層面一致，剪斷方向能代表巖土層潛在滑動方向，各試驗位置布置合理，相互間無不良應力影響，較為客觀真實的反映了試驗層面的剪切性能，其典型剪切面特征見圖4、圖5。

圖4 TJ2 剪切面Fig.4 Shearing surface of TJ2

圖5 TJ4 剪切面Fig.5 Shearing surface of TJ4

2.4.2 試驗結(jié)果

根據(jù)各組試樣試驗計算抗剪強度指標見表1、表2，典型抗剪強度曲線見圖6、圖7。由試驗結(jié)果可知：（1）飽和狀態(tài)下的抗剪強度參數(shù)較天然狀態(tài)下的抗剪強度參數(shù)下降，其中粘聚力c下降約35%，內(nèi)摩擦角φ下降約20%；（2）殘余抗剪強度參數(shù)較峰值抗剪強度參數(shù)下降，其中粘聚力c下降約29%，內(nèi)摩擦角φ下降約33%。

表1 天然工況原位剪切試驗結(jié)果統(tǒng)計Table 1 Statistics of in?situ shear test results under natural working conditions

表2 飽和工況原位剪切試驗結(jié)果統(tǒng)計Table 2 Statistics of in?situ shear test results of saturated working conditions

圖6 TJ2（天然）抗剪強度曲線Fig.6 Shear strength curve of TJ2 (natural)

圖7 TJ4（飽和）抗剪強度曲線Fig.7 Shear strength curve of TJ4 (saturated)

為了進一步探索剪切過程中巖-土分界面的變形規(guī)律，繪制剪切應力-剪切位移關(guān)系曲線，見圖8、圖9。

圖8 TJ2（天然）剪應力-剪切位移關(guān)系Fig.8 Relationship between shear stress and displacement of TJ2 （natural）

圖9 TJ4（飽和）剪應力-剪切位移關(guān)系Fig.9 Relationship between shear stress and displacement of TJ4 （saturated）

從曲線中可以看出，各試體不同應力狀態(tài)下，剪應力-剪切位移關(guān)系曲線形態(tài)基本保持一致，呈現(xiàn)出較為理想的應力屈服和塑性變形特征。剪應力-位移曲線可劃分為4 個明顯的階段：

（1）線彈性變形階段，即試樣受力變形的初始階段，應變隨應力近似呈線性變化，在剪應力-位移曲線中，呈現(xiàn)由直線逐漸變彎的過程，由試驗現(xiàn)場觀測可知，此階段試樣已開始產(chǎn)生了一些小變形，但僅是局限于試樣的底部，尚未形成較明顯的貫通剪切面；

（2）彈塑性變形階段，試樣現(xiàn)場可以觀測到破裂，但是破裂傳播的速度還處于比較緩慢的階段，說明此階段試樣開始逐步形成剪切面并繼續(xù)發(fā)展；

（3）峰值段，隨著所施加應力的繼續(xù)增大，應變速度相較于上一階段也出現(xiàn)明顯增大，破裂開始在試樣內(nèi)部快速傳播，相較于前兩階段，該階段呈現(xiàn)出小應力增幅，大應變增幅的特征，說明在應變的快速持續(xù)增大過程中，試樣的極限位置已產(chǎn)生破壞；

（4）應變軟化段，此階段出現(xiàn)在峰值應力點以后，隨著應變繼續(xù)增大，應力逐漸下降到一平穩(wěn)值，最后形成強度的殘余值。

3 室內(nèi)試驗與原位抗剪強度參數(shù)對比與分析

3.1 參數(shù)對比

為說明原位剪切試驗指標和室內(nèi)剪切試驗指標的差異，本次試驗還在原位剪切試驗試坑中利用刻槽法采集原狀土樣7 組進行室內(nèi)試驗，并對其試驗參數(shù)進行了比較，見表3。

從表3 中可以看出，室內(nèi)試驗中測得的指標平均值均較原位大型剪切試驗指標平均值高。分析認為造成上述差異的原因主要有以下2 點：

（1）大面積直剪試驗剪切試件橫截面積為2500 cm2，而室內(nèi)剪切試驗試件面積30 cm2。由于滑動的的巖土成分復雜，剪切面積大，往往更具有代表性。本項目所剪切的滑移面為夾碎石的粉質(zhì)粘土原狀土，原位剪切試驗所得實驗結(jié)果更能代表真實滑動帶巖土體抗剪強度特性，而室內(nèi)直接剪切試驗，剪切土樣小，土樣基本為純粉質(zhì)粘土，土體的結(jié)構(gòu)性強，因此所得的抗剪強度參數(shù)偏大。

（2）根據(jù)本項目特點，滑動帶厚度一般為1～20 cm，位于土巖分界面，并且可見明顯的綠灰色滑動鏡面，呈軟塑狀，想要在土巖界面精確取樣比較困難，實際取樣位置位于粉質(zhì)粘土層中下部，粉質(zhì)粘土抗剪強度參數(shù)并不能代表滑動接觸面的抗剪強度參數(shù)。

3.2 滑坡體的穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場原位剪切試驗參數(shù)和室內(nèi)直接快剪試驗參數(shù)，分別對滑坡穩(wěn)定性進行自重工況（工況1）及自重+暴雨工況（工況2）下的計算，計算簡圖見圖10，計算方法采用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）中A.0.3 規(guī)定的傳遞系數(shù)法，計算結(jié)果見表4。

表4 穩(wěn)定性分析對比Table 4 Comparison of stability analysis

圖10 傳遞系數(shù)法計算簡圖Fig.10 Diagram of transmit coefficient method

根據(jù)計算結(jié)果可知：現(xiàn)場原位試驗抗剪強度參數(shù)在工況2 下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在工況1 下處于穩(wěn)定狀態(tài)，室內(nèi)快剪試驗抗剪強度參數(shù)在工況2 下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在工況1 下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由滑坡體的實際變形特征可知，在經(jīng)歷了前期的劇烈滑動之后，大部分勢能已經(jīng)被釋放，其后幾天時間內(nèi)均保持緩慢蠕滑狀態(tài)，處于臨界狀態(tài)-欠穩(wěn)定狀態(tài)之間，因此根據(jù)現(xiàn)場原位剪切試驗抗剪強度參數(shù)的計算結(jié)果更加符合滑坡體狀況的實際表現(xiàn)。

值得說明的是，本項目試驗得出室內(nèi)試驗測得的指標平均值均較原位大型剪切試驗指標平均值高的結(jié)論只針對該項目，并不具有普適性。有關(guān)文獻曾得出室內(nèi)試驗中二次剪切和飽和殘剪測得的指標平均值均較原位大型剪切試驗指標平均值低，特別是內(nèi)摩擦角φ差異較大。也有文獻曾得出對于黏聚力，飽和狀態(tài)下兩種試驗的結(jié)果差異較大，天然狀態(tài)下則差別不明顯；對于內(nèi)摩擦角，天然狀態(tài)下前者的試驗結(jié)果較小，而對于飽和狀態(tài)，前者的試驗結(jié)果則大于后者。這恰恰說明傳統(tǒng)的室內(nèi)剪切試驗因代表性差結(jié)果存在一定差異，因此單憑室內(nèi)剪切試驗結(jié)果判定滑坡體的穩(wěn)定是有局限的。在條件允許的情況下實施原位大型剪切試驗，用室內(nèi)實驗結(jié)果作為輔助驗證是合理的。

4 結(jié)論

（1）室內(nèi)剪切試驗結(jié)果可能存在較大偏差。主要原因有3 個方面：①滑帶土厚度一般規(guī)模較小，大多集中在幾毫米到幾十厘米之間，且處于不同發(fā)育階段的滑動體，其滑帶土狀態(tài)也不同，正在活動或者活動時間不久的滑坡，其滑帶土大部分呈軟塑狀，力學性質(zhì)軟弱，按照常規(guī)取樣方法，取樣難度和樣品所受擾動極大；②由于滑帶土成分復雜，多為非均質(zhì)、不連續(xù)的結(jié)合體，成分的復雜性所帶來的是其顆粒級配及孔隙率等指標也各不相同，室內(nèi)試樣由于尺寸較小，不具備客觀代表性，因此剪切試驗試件的大小在某種程度上影響了試驗成果的準確性和適用性；③滑動帶除了土材料之外，還包括節(jié)理、裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面，而室內(nèi)試驗試樣難以包含這些軟弱結(jié)構(gòu)面。

（2）原位剪切試驗對邊坡巖土體抗剪強度指標的選取及邊坡的工程治理優(yōu)化具有重要參考價值。不管是從尺寸效應上還是應力狀態(tài)上，原位剪切試驗結(jié)果均較室內(nèi)試驗結(jié)果有較大優(yōu)勢和可信度建議大型邊坡工程勘察治理設計時進行原位大型剪切試驗。

（3）原位試驗方法和試驗結(jié)果可靠，可做為該邊坡穩(wěn)定性評價和加固設計的依據(jù)。本項目根據(jù)原位剪切試驗得出滑帶土飽和殘余抗剪強度參數(shù)：c=5.6 kPa、φ=7.9o，由此計算得到的邊坡穩(wěn)定性與實際情況吻合，而采用室內(nèi)試驗結(jié)果得出的結(jié)論可能存在一定的風險。

（4）原位剪切試驗應力-應變曲線具有明顯的應力屈服和塑性變形特征，具體可分為4 個階段，即線彈性變形段、彈塑性變形段、峰值段、應變軟化段，可以為考慮滑坡漸進破壞理論的研究提供依據(jù)。