泥质页岩-粉质黏土土石混合填料原位水平推剪试验研究

张晓健，龚 辉，艾传井，尚思良，徐炎兵

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

泥质页岩-粉质黏土土石混合填料原位水平推剪试验研究

张晓健，龚 辉，艾传井，尚思良，徐炎兵

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

土石混合料是由土和岩块(碎石)组成的复合体。混合料中土的种类不同，岩块的种类及含量不同，剪切破坏特征亦不同。由于对其剪切破坏机理研究还不够深入，在工程中难以确定这类填料的强度参数。为进一步探明土石混合填料的剪切破坏特征，对泥质页岩-粉质黏土混合填料进行了12个原位大型水平推剪试验，根据现场试验结果，将这类土石混合填料的水平推力-位移曲线划分为5个阶段，并对各个剪切破坏面进行三维还原，为土石混合体内部破坏机理的进一步研究奠定了基础。

土石混合料；水平推剪试验；天然状态；暴雨状态；剪切破坏面

用于测定岩土体力学参数的现场原位剪切试验，从现场布置来看主要有平推法、斜推法、楔形体法和水平推挤法[1]。实际工程中应用最多是平推法和水平推挤法，平推法剪切荷载平行于剪切面，常用于土体的软弱面近于水平的情况，根据莫尔-库仑强度准则，必须经过3～5个法向荷载作用下的试验才能得到强度参数值；水平推挤法主要适用于混砂砾碎石土、稍胶结或风化的砂砾岩和黏性土层，剪切面为曲面，用单试件即可得到抗剪强度[2]。

对于土石混合料这种颗粒成分、组构、颗粒级配极不均匀体，采用水平推挤法剪切试验进行测试，相比需要多试件试验的平推法而言，可操作性更强。虽然试验结果在应用上有一定局限性，但是在许多情况下仍能为一些浅层滑坡或地基稳定性的判别提供试验数据支持。

本次试验点位于云南省某大型土石混填体表层，为了保持挖填方平衡，采用山石破碎后就近回填。为了保证压实质量，填方采用分层碾压压实。随机选点进行12组水平推剪试验，其中1#～7#试验点在天然状态下进行推剪试验，8#～12#试验点在暴雨过后进行试验。试验深度均为地表下0.5 m左右。粗集料为泥质页岩经机械破碎后的碎块，形状各异，颗粒表面参差不齐，细料为高塑性黏土。二者采用挖机拌合后回填、振动碾压、夯实形成填方体，在夯实完成后1个月进行了水平推剪试验。

1 试验原理、设备、试样基本参数

水平推挤试验是在现场选取具有代表性的试验点，开挖成三面临空的半岛形试验体，其试验简图见图1，两侧挖出后与周围土体脱开后，加上限制板后回填土体，保证试验过程中试件在侧向不发生挤胀，受力状态类似于平面应变状态。在前部采用刚度较大的传力板加压，剪切过程中，剪切破坏面为一曲面，这一曲面上竖向荷载为土体自重，水平荷载为试验时的加载。通过试验完成后的破坏面测定、土体自重测定、水平加压时的最大荷载值Pmax和剪断后纯摩擦荷载值Pmin按条分法的极限平衡理论计算得出强度参数值。

图1 水平推挤法试验装置简图Fig.1 Schematic diagram showing the experimental apparatus for the push-shear test 1—后缘支撑体； 2—试件； 3—隔离体； 4—后缘支撑钢板； 5—传力钢板； 6—侧限钢板； 7—位移计； 8—卧式千斤顶

由于无需法向加压，水平推剪试验的加载设备相对简单，图1中1为现场开挖的后缘支撑体，要求其必须能提供足够的反力支撑，且开挖时反力支撑面力求竖直；2为试件，对于试件的尺寸要求，从张年学的解析法算例[3]中可发现，推剪试验并不需要追求试件越大越有代表性，只要判断其大小能代表工程区岩土性质就可以，但是考虑到试验的尺寸效应，高度H>5Dmax，其中Dmax为试件的最大颗粒粒径，且试体的宽高比(B/H)须大于等于2，以消除两侧摩擦力影响。本次试验尺寸选定为108 cm×66 cm×30 cm，土石混合料由于粗集料的存在无法精确修整出标准矩形，所以一边预留出5 cm采用原土回填修平。图中3为隔离体，为了保证试件处于平面应变状态，两侧隔离体在阻断试件与周围土体之间联系的同时还得施加水平约束，避免试件剪切过程中的侧胀现象。为了保证试件受力与现场相近，采用原土回填作为隔离体是一个很好的选择[3～4]，而文献[5]认为采用原土回填具有较大的随机性，发明了一种加载胶囊作为隔离体，试件在剪切时发生的侧胀现象可通过调压阀进行控制，但是现场操作较难。也有学者采用卧式千斤顶施加水平力进行侧限[6～8]，但是具体试验时施加多大的水平力并无依据，所以本次试验仍采用原土回填的方式。 图中4，5和6为加载用钢板，研究成果中[2～7]侧限措施主要有钢化玻璃、木夹板和钢板，木夹板易变形，为了保证试验过程中试件均匀受力，本次试验采用厚钢板作为隔离板和加载板。

剪切施加速率目前使用比较多的有快速法、时间控制法、剪切位移控制法三种，前述研究成果比较普遍的是2 mm/20 s剪切位移控制法，本次推剪试验采用时间控制法。由于土石混合料在空间分布的极不均匀性，真正对试验结果造成影响的主要是剪切面附近的岩土体，所以本次试验在剪切完成后直接取剪切面附近的岩土体取样进行含水率测试和颗粒分析，得到的各试样颗分曲线见图2，含水率、含石量(取规范中规定的5 mm作为土石分界)、级配参数和干重度见表1。

图2 试验点的颗粒分析曲线和各组分百分含量Fig.2 Grain vs size curves for the test mixture

编号含石量/%含水率/%干重度/(kN·m-3)平均粒径/mm不均匀系数大颗粒含量/%(>40mm)1#5460166712333328417822#29141290142737509719353#62691095155322454113224#511510341709530623922395#60267271718418966721376#585014971521334298517697#54671379190243216368668#5792222815954291183823279#515924841638234505882810#4605315814661812129111811#4802291616011911736118612#33732012169218821241124

2 试验结果分析

2.1 水平荷载-剪切位移曲线(推剪过程分析)

12次水平推挤试验的水平荷载-剪切位移曲线见图3，需要说明的是，文献[2]～[7]中给出的是剪应力-剪切位移曲线，在剪切过程中这种提法是欠妥的。因为与直剪试验过程中剪切面固定的情况不同，水平推剪试验在初期剪切面并未形成或并未完全贯通，这从徐文杰的研究成果[4]中剪切面发展图片也可发现，在剪切初期某些局部首先出现裂纹，然后随着裂纹的扩展逐渐贯穿形成完整的滑面，但是在贯穿过程中由于土石混合料成分及其空间分布的非均匀性，有时还伴随多条次生裂纹贯穿的现象，在剪切面完全连通之前剪切面面积是个变量，所以无法精确推算剪应力大小，鉴于此，本文给出的是水平荷载-剪切位移曲线。

图3 试验得到的水平荷载-剪切位移曲线Fig.3 Curves of the horizontal load vs shear displacement of the shear test

2.1.1 推剪过程

共进行了5个水平推剪试验，结合剪切过程中观察到的现象，发现水平荷载-剪切位移曲线具有较明显的分段特性，所得到的水平荷载-剪切位移曲线可分为5个阶段：压实阶段、裂隙内部开展阶段、裂隙贯通阶段、剪切带开展阶段和破坏后阶段(图4)。结合PFC2D软件给出水平推剪试验的分阶段示意图(图5)。相应的各阶段特征如下：

图4 水平推剪水平荷载-剪切位移曲线分段特性Fig.4 Segmentation features for load vs displacement curves of the horizontal push-shear test

图5 水平推剪试验各阶段示意图Fig.5 Schematic diagram for each stage of the horizontal push-shear test

(1)压实阶段(图4OA段)：这一阶段剪切并未开始，在水平荷载作用下，剪切体出现压密。这一阶段水平荷载随水平位移增加很小。这一段在整个剪切曲线所占比例较小，甚至没有。在本次试验中在12#试验的水平荷载-剪切位移曲线中出现了压实阶段。而其他试验压实变形被剪切位移“掩盖”并未在水平荷载-剪切位移曲线显现出来。

(2)裂隙内部开展阶段(图4AB段)：这一阶段剪切在剪切体内部开展，其结果是在剪切体内部出现剪裂纹，但是其规模较小，随着剪切的进行，剪裂纹慢慢延长，并伴生有新的裂纹出现。这一阶段是水平荷载-剪切位移曲线的主体部分。宏观表现是水平荷载随剪切位移呈线性增长，从细观角度分析是随着剪切的进行，剪裂纹慢慢延长，并伴生有新的裂纹出现，介入剪切的剪切体范围在逐渐变大，传力板所受到阻力越来越大。

(3)裂隙贯通阶段(图4BC段)：这一阶段是以剪切体表面出现裂纹为起点，以剪切体表面裂隙全部贯通为终点。在裂隙内部开展阶段，由于混合料自身的极端不均匀性，无论剪裂纹还是张裂隙不可能各处同时到达剪切体表面，往往是先在最薄弱的部分裂纹出现，然后在水平荷载增加的过程中裂纹进一步延长，或者在其他部位产生新裂纹，然后新旧裂纹在剪切过程中延长最终全部贯通。这一阶段水平荷载随剪切位移近似呈线性增长。但是增长的幅度没有裂隙内部发展阶段那么明显。

(4)剪切带形成阶段(图4CD段)：这一阶段是以剪切体表面裂隙全部贯通为起点，以剪切带中碎石块位置调整完成为终点。在此要说明的是，由于现场试验时剪切带中碎石块位置调整过程无法透视，所以以水平荷载达到峰值这种宏观现象作为剪切带中碎石块位置调整完成的表征。这一阶段剪切面已经完全形成，但是由于混合料是经过人工破碎、拖运、随机拌合、碾压、强夯形成，含有岩石碎块，且岩石碎块棱角分明，其颗粒粒径、空间分布、长轴方位都具有很强的随机性，剪切面形成并不意味着剪切体与下部未剪动部分完全脱开。特别是碎块相互嵌固的情形，剪切面形成后，水平荷载并未达到峰值，进一步增加水平荷载使剪切面附近长轴方位与所在位置剪切面方位不一致的岩石碎块发生翻滚、移位，并扰动周边土体，使剪切面由一张面发展成为一个带状体，这就是在剪切体清理时底部有大量小粒径碎块的原因。这个阶段水平荷载随剪切位移呈小幅度上升，剪切位移很大，但是水平荷载上升非常有限。

(5)破坏后阶段(图4DE段)：这一阶段是水平荷载达到峰值后再降低到稳定值的过程。当剪切带中岩石碎块位置调整完成后，水平荷载会急剧下降，这一过程位移很小，但是水平荷载降幅很明显，此时剪切带中岩石碎块长轴方向基本都和所在位置剪切面方向一致。此时剪切体已经和下部岩土体完全脱开，后期二次加载只会导致上部剪切体上抬，剪切带内部岩石碎块也只会沿剪切面平移，剪切体与下部岩土体之间完全呈现一种纯摩擦的受力状态。

在此要特别说明的是，以上水平荷载-剪切位移曲线分段只是基于试验曲线划分的，并不是每个水平推剪试验都会经历这5个阶段，特别是压实阶段。而且各阶段的分界点并不是很明显，特别是裂隙贯通阶段和剪切带形成阶段分界点是极其模糊的，因为在后部剪切面还未贯通的同时有可能前部剪切带已经悄然开展，具体的内部剪切机理需要结合数值模拟的切片功能或者在试验时采用有机玻璃板作为侧限板进行综合分析。

2.1.2 含石量对推剪切过程的影响

由于是随机选点，现场的颗粒粒径、含石量等组成情况具有一定的离散性，图3中的水平荷载-剪切位移曲线影响因素众多，着重体现其影响因素及其规律性。从12个推剪试验中提取2组含水率相当、含石量不同的推剪试验数据进行分析，土石混合料的变形特性受到块石和土的联合控制[6]。当含石量较小时，块石主要是“飘浮”在土体中间，块石之间相互接触的概率不大，变形特性主要由土的特性控制。当含石量较大时，土体充填于块石之间的孔隙当中，变形特性主要由含石量控制，强度参数会随含石量显著增加，但是增加的规律并非线性[2～7]，且还与土所处的状态有关。如图6所示，3#和4#试验点的含水率约10%，在剪切前期水平荷载-剪切位移曲线几近重合，当剪切位移大于3 mm后，含石量对水平荷载-剪切位移曲线的影响才逐渐突显。含石量越大，剪切带中块石含量越多，发生相同位移所需要的荷载值就越大。8#和11#试验点的含水率约23%，剪切一开始含石量对水平荷载-剪切位移曲线的影响就已经很明显。这是因为水平推剪试验剪切面上作用的法向应力主要是由剪切体自重施加，量值较小，剪切带中岩块不易发生剪碎，大部分在荷载作用下发生重新定向，而土体作为填充物对块石有制约。含水率较小时，土体对岩块的约束力较大，含石量的影响相对较小；而含水率增加时，土体“软化”了对岩块的约束力，土体对强度的贡献减少，导致水平荷载-剪切位移曲线对含石量变化的“敏感度”增加。

图6 相近含水率不同含石量情况下的推力-剪切位移曲线Fig.6 Shear force vs displacement curves for the test with different stone content and similar water content

2.1.3 含水率对推剪切过程的影响

土在土石混合料之中充当充填物的作用，如前所述，含水率增加软化了土体对块石的“包裹”力，削弱了颗粒间的相互作用，导致土石混合料的结构性难于发挥，所以含水率较高的土石混合料对应整体抵抗变形和破坏的能力相对较低(图7)。

图7 相近含石量不同含水率情况下的推力-剪切位移曲线Fig.7 Shear force vs displacement curves for the test with different water content and similar stone content

2.2 剪切滑动面分析

剪切完成后，对剪切面进行拍照取样，并采用6 cm×6 cm的网格进行平面定位，测取剪切面深度，将12条测线的结果数据采用matlab自带spline方法三维样条插值生成三维滑动面见图8～图10(限于篇幅仅列部分滑动面)，图中可见剪切破坏面有一点轻微起伏，整体光滑平整，滑动面附近可见块石。剪切滑动面在块石处发生了“绕石”现象，在无法向应力下剪切面上作用的剪切力较小，不足以切碎岩块，而是形成一定厚度的剪切带，存在于剪切带内的岩块在受剪过程中发生滑移、翻滚。

根据徐文杰[4]提出的“平均滑面”的概念，将剖面数据沿宽度方向平均后得图11所见的平均滑面，类似文献[2]中理论计算得出的直线，并未出现文献中明显的“滑面上凸”[4，9～10]和“滑面下切”[11]现象。

图8 1#水平推剪试验剪切面现场采集和三维网络Fig.8 In-situ photo and 3D grid graph of the shear face of 1#

图9 8#水平推剪试验剪切面现场采集和三维网络Fig.9 In-situ photo and 3D grid graph of the shear face of 8#

图10 10#水平推剪试验剪切面现场采集和三维网络Fig.10 In-situ photo and 3D grid graph of the shear face of 10#

图11 水平推剪试验的平均剪切面方向Fig.11 The average profile of the shear face of the horizontal push-shear test

对比三维网格图可发现，采用文献[4]中提出的平均滑面在一定程度上可以反映真实的三维破坏面，通过采用三维极限平衡理论推导发现，采用平均滑面代替三维破坏面计算试样内摩擦角偏小6%，黏聚力基本一致[12]，所以采用平均滑面计算强度参数是偏于安全可行的。

2.3 剪切强度分析

水平推剪试验计算强度参数计算公式如下[1]：

(1)

(2)

式中：Pmax，Pmin——最大、最小水平推力/kN；G——剪切体重力/kN；gi——各条块每单位宽度土的重力/(kN·m)；ai——第i条块滑动面与水平面夹角/(°)；li——第i条块滑动线长度/m；B——滑动体的宽度/m。

在剪切加载过程中，加荷压力表读数不仅不增加，反而下降，此时即认为试样已被剪坏，记录压力表上的最大推力值，即为Pmax。文献中对Pmax的取值是统一的。但是对Pmin的确定则有3个值：(1)观测试样刚开始出现裂隙时的压力表读数；(2)千斤顶加压到Pmax后，即停止加压，使油压表读数后退并达到的稳定值；(3)当千斤顶加压Pmax后，松开油阀，然后关上油阀重新加压后所能确定的峰值。

第一条由于在加载过程中分级加荷，表面裂隙有可能开展时处于两级荷载之间，不易读取准确的荷载值。而且通常试样在试验前半程中自身发生侧向挤压变形就会出现裂缝，此时剪切体后部并未完全脱开，其黏聚力并未完全发挥，取此时的荷载值作为Pmin偏小，代入式(2)中计算得出的黏聚力偏大；第二条和第三条则是假定剪切面贯通后，剪切体已和下部岩土体完全脱开，所以目前水平推剪的Pmin值取值原则存在一定的问题，会造成得出的Pmin值偏大、计算得出的黏聚力值偏小。本次试验结果分析中取第二条和第三条中的较小值作为Pmin来计算强度参数。

将泥质页岩-粉质黏土混合料的试验条件和计算得到的强度参数统计如表2所示，由于现场试验变化因素很多，含石量、含水率、最大颗粒直径、密实度会对剪切试验结果产生综合性影响，再结合表1和图2进行分析，天然状态下2#试验对应的含石量最小，仅29.14%，块石“漂浮”在土中，相互接触概率小，推剪试验得到的内摩擦角最小。而其他6个天然状态下的水平推剪试验得到的内摩擦角均在28°～37°，黏聚力普遍较低，为6.64～10.85 kPa。

表2 页岩混合料水平推剪试验强度分析Table 2 Strength analysis of the horizontal push-shear test on the politic shale-silt clay mixture

暴雨致使含水率升高，强度参数普遍降低，其中10#和11#由于含水率高达30%，土石混合料中土体基本处于软塑状态，推剪时试样主要发生压缩变形而非剪切，强度较低。而8#、9#和12#试样的含水率均有不同程度的增加，增至20%～24%之间，推剪试验得到的内摩擦角减小，为20.50°～26.41°，而黏聚力略有上升。

3 结论及建议

(1)泥质页岩-粉质黏性土混合填料的水平推剪水平荷载-剪切位移曲线可根据剪切过程中的宏观现象分为5个阶段：压密阶段、裂隙内部开展阶段、裂隙贯通阶段、剪切带形成阶段、破坏后阶段。压密阶段出现与否或压密阶段的长度与混合料的整体含水率有关。

(2)由于混合填料大小块石混杂，小尺寸块石可在剪切带发生滑动、翻滚、重定向排列，但是剪切面无法切过尺寸块石，剪切滑动面与理论推导得出的圆弧形有出入。

(3)本次12个滑动面平缓规整，可采用“平均滑动面”来计算强度参数。

(4)混合料的整体内摩擦角、整体黏聚力受含石量、含水率、压实度等因素的综合影响，具体影响规律还需大量的试验验证，并结合数值模拟分析，探明混合料内部的破坏机制。

[1] 《工程地质手册》编辑委员会.工程地质手册[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2007.[Editorial Board of Geological Engineering Handbook. Geological Engineering Handbook[M]. 4th ed. Beijing: China Building Industry Press,2007.(in Chinese)]

[2] 张年学, 李晓, 赫建明,等.无法向荷载推剪试验的解析与应用[J].岩土力学,2010,31(3):863-869.[ZHANG N X, LI X, HE J M,etal. Analysis of push shear test without normal loading and its application[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010,31(3):863-869.(in Chinese)]

[3] 黄向京,王维. 红层软岩土石混合填料体的现场水平推剪试验研究[J].公路工程,2008,33(5):61-64.[HUANG X J, WANG W. Research on horizontal push-shear in-situ test of red layered weak soil filling [J]. Highway Engineering, 2008, 33(5):61-64.(in Chinese)]

[4] 徐文杰,胡瑞林,谭儒蛟，等.虎跳峡龙蟠右岸土石混合料野外试验研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(6):1270-1277.[XU W J, HU R L, TAN R J,etal. Study on field test of rock-soil aggerate on right band Longpan in tiger-leaping gorge area[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006,25(6):1270-1277.(in Chinese)]

[5] 中国科学院力学研究所.用于岩土体现场水平推剪试验的装置:中国,CN200320104310.5[P].2004-12-15.[Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences. A device for horizontal push-shear test on rock and soil: China,CN200320104310.5[P].2004-12-15.(in Chinese)]

[6] 李晓,廖秋林,赫建明,等. 土石混合料力学特性的原位试验研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(12):2377-2384. [LI X, LIAO Q L, HE J M,etal. Study on in-situ tests of mechanical characteristics on soil-rock aggregate[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007,26(12): 2377-2384. (in Chinese)]

[7] 油新华,汤劲松.土石混合料野外水平推剪试验研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(10):1537-1540.[YOU X H, TANG J S. Research on horizontal push-shear in-situ test of soil and rock mixture[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002,21(10):1537-1540. (in Chinese)]

[8] 吴旻硕, 李晓, 赫建明.土石混合料原位水平推剪试验[J].岩土工程技术,2007,21(4):184-189.[WU M S, LI X, HE J M. In-situ direct shear test on rock-soil aggregate[J]. Geotechnical Engineering Technique,2007,21(4): 184-189. (in Chinese)]

[9] Coili N, Berry P, Boldini D. In situ non-conventional shear tests for the mechanical characterization of a bimrock[J]. International Journal of Rock Mechnics & Mining Sciences,2011,48(1):95-102.

[10] Kalender A, Sonmez H, Medley E,etal. An approach to predicting the overall strengths of unwelded bimrocks and bimsoils[J]. Engineering Geology,2014,183(9):65-79.

[11] 王江营,曹文贵,翟友成,等.不同水环境下土石混填地基水平推剪试验研究[J].中南大学学报(自然科学版),2016, 47(2):615-620.[WANG J Y, CAO W G, ZHAI Y C,etal. Horizontal push-shear test of soil-rock mixture filled foundation under different water environments [J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2016,47(2):615-620. (in Chinese)]

[12] 徐文杰,胡瑞林,谭儒蛟.三维极限平衡法在原位水平推剪试验中的应用[J].水文地质工程地质,2006,33(6):43-47. [XU W J, HU R L, TAN R J. Application of 3D limit-equilibrium method for in-situ horizontal push-shear test [J]. Hydrogeology & Engineering Geology,2006,33(6): 43-47. (in Chinese)]

责任编辑：张明霞

Research on horizontal push-shear in-situ test ofpelitic shale-silty clay mixture

ZHANG Xiaojian, GONG Hui, AI Chuanjing, SHANG Siliang, XU Yanbing

(CentralSouthernChinaElectricPowerDesignInstituteofChinaPowerEngineeringConsultingGroup,Wuhan,Hubei430071，China)

Rock-soil aggregate is a special kind of engineering geological body. The type and content of soil or rock can influence the shear failure characteristics of the mixture. Since the mechanism of shear failure is not clear enough, it is difficult to determine the strength parameters of such fillers. Twelve in-situ push shear tests were carried out on the pelitic shale-silty clay mixture in order to further ascertain the rock-soil mixture shear failure characteristics, and some significant results were obtained. Through the in-situ tests, the complete load-displacement curves can be divided into five stages. Meanwhile, the 3D grid graph of the shear failure surface was obtained to establish the foundation of further research on the internal failure mechanism of rock-soil mixture.

soil-rock mixture; horizontal push-shear test; nature state; rainstorm state; shear failure surface

2016-11-08;

2016-12-26

中南电力设计院大型科研课题项目资助(40-1A-KY201510-G01) ；国家自然科学基金项目资助(41630643)；国家自然科学基金面上项目资助(41272305)

张晓健(1979-)，男，博士，主要从事岩土工程勘察和设计工作。E-mail：zhangxiaojian@csepdi.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.03.12

TU413.1

A

1000-3665(2017)03-0079-07