引江济淮试验工程中不同尺寸试样抗剪强度的试验对比研究

李峰, 陈伟, 袁俊平, 毕庆涛, 吴建涛, 曹雪山

(1.安徽省投资集团控股有限公司，安徽 安庆246000； 2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育重点实验室，江苏 南京 210098； 3.河海大学 岩土工程研究所，江苏 南京 210098； 4.华北水利水电大学 资源与环境学院，河南 郑州 450045； 5.河海大学 道路与铁道工程研究所，江苏 南京 210098)

引江济淮试验工程中不同尺寸试样抗剪强度的试验对比研究

李峰1, 陈伟2,3, 袁俊平2,3, 毕庆涛4, 吴建涛5, 曹雪山5

(1.安徽省投资集团控股有限公司，安徽 安庆246000； 2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育重点实验室，江苏 南京 210098； 3.河海大学 岩土工程研究所，江苏 南京 210098； 4.华北水利水电大学 资源与环境学院，河南 郑州 450045； 5.河海大学 道路与铁道工程研究所，江苏 南京 210098)

边坡岩土体的抗剪强度是评估边坡稳定性的关键参数，采用较小尺寸试样可能难以反映岩土体的结构性，导致测试结果偏离实际情况。为研究尺寸效应对不同岩土体抗剪强度参数取值的影响，选取引江济淮试验工程的4种典型岩土层，进行现场原位大型剪切试验与室内小尺寸试样的直剪试验。结果表明：受原位地质条件的影响，进行现场大型剪切试验时，岩土体应力-应变曲线的剪应力峰值更突出，达到峰值以后，经历1%～2%剪应变即达残余剪应力，不同岩土体应力-应变曲线表现出明显的差异性；影响岩土体尺寸效应的因素众多，仅从黏粒含量、膨胀性、取样扰动来分析现场与室内剪切试验的差异性是远远不够的，对于不同地质的实际工程，现场原位剪切试验仍然是获取合理强度参数的关键性试验。基于试验结果，给出了该地区采用室内直剪试验所得的强度参数的建议修正比率。

原位大直剪;室内直剪;试样尺寸;剪切强度

边坡岩土体的抗剪强度是评估边坡稳定性的关键参数，其合理的取值是进行边坡设计、确定坡度的重要前提。获取边坡岩土体强度参数的常用方法主要有室内直剪试验与三轴试验。

天然岩土体中往往含有微裂隙或节理，常规室内试验所用的试样尺寸较小，不能包含足够的微裂隙或节理。同时，取样和运输不可避免地对岩土体造成扰动。因此，室内试验结果往往低估了岩土体的裂隙性[1-2]和结构性，难以真实反映岩土体的实际强度特征[3]。

为解决此问题，已有不少学者采用现场大型剪切试验来研究边坡岩土体的强度特性。江益敏等[4]、张卫民等[5-6]、骆飞等[7]探讨了土的抗剪强度指标对边坡稳定安全系数的影响，认为选取适当的抗剪强度指标对分析计算边坡稳定性十分必要。黄志全等[8]对南阳膨胀土进行了现场剪切试验，对比典型滑坡反算结果，验证了现场试验结果的合理性。周江平等[9]从材料的微观力学性质入手，认为不同尺寸岩土体试样强度的试验结果不同，当土体试样尺寸大于中尺寸时，试验强度的代表性较好。王捷等[10]对驷马山切岭段不同高程膨胀土进行了现场和室内剪切试验，结果显示：现场试验测得的强度低于室内试验结果，而且随着取样高程的降低，两者差距逐渐增大。阳云华等[11]对南水北调中线工程膨胀土进行了现场和室内剪切试验，发现：随着膨胀性的增加，膨胀土的强度折减系数(室内与现场试验结果的比值)逐渐减小。臧德记等[12]则对比了膨胀岩原状样与重塑样的剪切性状，认为原状样的结构性是两者差异的主要原因。程胜国等[13]结合千将坪滑坡原位直剪试验及滑坡抗剪强度参数特征，认为土颗粒定向排列造成岩土体抗剪强度下降是滑坡的主要原因。这些研究结果均有力地说明了现场大尺寸剪切试验结果能较好地反映岩土体的结构性。对于室内常规试验结果，应考虑取样扰动和试样尺寸大小对剪切试验的影响，并进行适当修正，进而确定合理的参数指标。然而，如何进行修正，目前尚少有文献报道。

结合引江济淮试验工程，选择4种典型岩土体，分别进行现场原位大型剪切试验和室内小尺寸试样直剪试验，对比两种试验条件下岩土体的剪切性状及结果的差异，进而归纳出该地区由室内试验结果确定岩土体强度参数指标的修正(折减)系数。

1 工程背景

引江济淮试验工程位于安徽省合肥市蜀山区小庙镇，全程1.5 km，地表沿线大部分为第四系地层覆盖。第四系上更新统(Q3)：广泛出露于试验工程河道地表，厚度一般为10～20 m，以冲积物为主。主要为灰黄、棕黄色、黑色重粉质壤土、粉质黏土、轻粉质壤土夹砂壤土，含钙质结核及铁锰小球。第四系全新统(Q4)：零星分布于河道附近，厚度一般为1～3 m，以冲积物为主。主要为灰黄、灰色重粉质壤土。试验工程揭露的基岩主要为白垩系(K)粉、细砂岩、泥岩、泥质粉砂岩等。试验段中区右岸地层分布如图 1所示。

图1 引江济淮试验段中区右岸地层分布图(单位：m)

2 试验方法

2.1 试验场址与土料

此次选择了引江济淮试验工程裸三区(桩号范围K41+600～K41+700)一级马道、二级坡面和三级坡面4个试验点(图1)进行现场试验，并在各试验点，用环刀切取原状样，进行室内试验。试验所选4种典型岩土体材料的基本性质见表1。

表1 岩土体基本性质指标

2.2 试验设备

现场直剪试验采用华北水利水电大学研制的XZJ-500型现场剪切测试系统，如图2所示。

图2 现场大型原位剪切试验设备

该系统主要由剪切盒、反力框架、水平与竖向加载千斤顶、位移与荷载量测传感器、采集箱等组成。其中，剪切盒直径500 mm，高260 mm；水平和竖向轴力计量程0～100 kN，精度0.1 kN；水平和竖向位移计量程-100～100 mm；数据采集箱，自动采集并记录相关试验数据。

室内直剪试验采用DZ-4型应变控制四联式直剪仪，试样直径61.8 mm，高20 mm。

2.3 试验方案

笔者对试验段4种不同膨胀性的典型岩土层分别进行现场原位大型剪切试验，试验方法为天然快剪。臧德记等[12]、杨和平等[14]指出，膨胀土失稳破坏具有浅层性，不少滑坡深度不超过2 m，认为采用小载荷剪切试验所得强度更接近膨胀岩土切坡实际强度。本试验中最大上覆压力不超过110 kPa，为小载荷剪切。根据规范[15]，试验采用应变控制法，剪切速率控制在3 mm/min，当剪切变形达到试样尺寸的1/10后，终止试验。

根据规范[15]，室内直剪试验设定竖向荷载分别为25、50、75、100 kPa，剪切速率为0.8 mm/min，剪切时间为8 min。

2.4 试验步骤

1)采用人工切削的方式制备剪切试样，并测量试验区不同位置岩土体的天然含水率。

2)安装剪切盒、固定反力框架，控制试样位置与水平千斤顶的合适距离，保证剪切过程中试样始终位于千斤顶量程以内。

3)安装测试仪器，注意所有位移传感器应留有足够的伸缩空间以保证量程；将各类测试仪器与数据采集箱连接，接通电源，将所有传感器数据清零，调试仪器，确保各传感器正常工作。

4)施加竖向载荷至设定值，开始试验，以3 mm/min匀速剪切，直至试验结束。试验过程采用视频录像记录采集箱各项数据变化，在剪应力峰值出现前，试样为剪胀破坏，竖向力呈增大趋势；当达到峰值剪应力后，基本为减缩破坏，竖向力有减小趋势。为保证竖向力始终恒定，试验中时刻观察竖向轴力传感器读数，并通过竖向机械千斤顶及时调整竖向力大小，本试验过程中，竖向力大小与设定载荷间差值不超过±0.2 kN。

3 试验结果分析

3.1 应力-应变关系

图3—6分别给出了黑色重粉质壤土、黄夹灰白色轻粉质壤土、土岩接触带及强风化泥质砂岩的现场原位大型剪切试验与室内小尺寸试样直剪试验的剪应力-应变关系曲线。

图3 黑色重粉质壤土层剪应力-应变关系

图4 黄夹灰白色轻粉质壤土层剪应力-应变关系

图5 土岩接触带剪应力-应变关系

图6 强风化泥质砂岩层剪应力-应变关系

试验结果表明：

1)不管是室内小尺寸试样的直剪试验亦或是现场原位大型剪切试验，所选试样均存在剪应力峰值，达到峰值剪应力后，随着剪应变继续增加，均表现出软化现象。上覆压力越小，软化现象越明显。

2)现场大直剪试验所得的剪应力峰值相对于室内小直剪试验的更加明显。达到峰值剪应力后，土体被剪断，土体结构突然破坏，剪应力迅速衰减，峰值后经历1%～2%应变(即发生0.5～1.0 cm剪切位移)即达到残余剪应力。而对于小直剪试验，由于取样扰动等破坏了土体原有的结构性，试样不会由于结构破坏而使得剪应力突然减小。因此，其剪应力呈逐渐降低趋势，衰减速度缓慢。可见，现场原位试验在较小剪应变状态下即达到残余剪应力。因此，对于岩土体切坡，应合理考虑剪切变形而产生的土体软化、强度降低问题。

3)对剪切试验中强风化泥质砂岩试样进行相应编号，以SY1、SY2、SY3、SY4分别代表上覆压力为31.18、43.68、56.18、106.18 kPa 的剪切试样。试验场地岩层产状为283°∠22°，现场原位试验的剪切方向为141°∠0°。剪切过程中，对于SY1、SY4试样，剪切结束后，剪切面土层被破碎成残渣颗粒状；剪切过程中，试样未从水平面处被剪断，而沿逆产状面发生破坏，且周围地面发生明显裂缝，如图 7、图 8所示。可以推测，当剪应力达到一定值后，周围岩层被破坏，产生相应位移，使得试样未能按计划剪断，剪应力上升速度减缓，剪应力峰值出现晚(如图 6(a)所示)。对于SY2、SY3试样，剪切面无明显产状，剪应力峰值正常出现。

室内试验的试样尺寸小、均匀性好、取样扰动大，试验强度为土块强度；在试验条件下，大的扰动破坏了岩土体的结构性与整体性。不同试样的室内试验应力-应变曲线差异性不明显，不能很好地反映不同岩土层的特殊性。而现场试验的试样尺寸大、扰动小、整体性强、结构完整，土体原状性对试验影响大，不同岩土层试验应力-应变曲线差异性明显，试验结果真实性强。

图7 强风化泥质砂岩剪切后破坏面状态

图8 强风化泥质砂岩剪切面相对位移

3.2 抗剪强度

将几种不同岩土体在自然条件下进行现场及室内剪切试验得到的峰值剪应力与上覆压力的关系采用莫尔-库伦强度准则进行拟合，并将试验结果及试验岩土层的相关参数进行汇总，结果见表2。

1)现场剪切试验后，在剪切面取对应散土样进行颗分试验(红色泥质砂岩：先崩解，再颗分)，结果见表2。对于试验段4种典型岩土层，随着试样高程的降低，岩土体砂粒含量逐渐增大，黏粒含量逐渐减小，岩土体表面粗糙程度加大，内摩擦角呈明显增大趋势。

2)现场直剪试验所得黏聚力依次为室内试验的0.87、1.77、1.68、1.43倍，而内摩擦角依次为室内试验的0.95、0.74、0.87、0.74倍。膨胀土强度受裂隙影响严重，裂隙率越高，分形维度越大，裂隙网越完整，强度越低[16]。就土体而言，膨胀性越高，土体内部裂隙越发育，裂隙网越完整。室内试验的试样尺寸小，试样内部裂隙不完整，只能代表土块强度，难以反映裂隙网对土体强度的影响；而现场原位试验的试样尺寸大，裂隙网完整，裂隙网对土体强度影响大，试验所得土体强度低，因此现场试验与室内试验所得的黏聚力之比(即折减系数)越小。

但若结合岩层考虑，红色泥质砂岩层自由膨胀率低，含砂量高，取样扰动性大，环刀试样结构破坏严重，但其室内试验测得的黏聚力折减系数却小于上层黄夹灰白色土层及土岩接触层。因此，仅从岩土体的黏性、取样扰动以及膨胀性考虑现场与室内直剪试验的差异性是远远不够的。

表2 现场原位大直剪与室内小直剪试验的关系

4 结语

针对引江济淮试验段4种不同膨胀性的典型岩土层进行现场原位大型剪切试验与室内小尺寸试样的直剪试验，并对试验结果进行对比分析，得到如下结论：

1)现场大直剪试验由于试样尺寸大、结构完整，在剪切过程中，当达到剪应力峰值后，试样结构突然破坏，剪应力迅速衰减，达到峰值后，经历1%～2%剪应变(即发生0.5～1.0 cm剪切位移)后即达到残余剪应力；而室内小直剪试验由于取样扰动等破坏了土体原有的结构性，在剪切过程中，达到峰值剪应力后，其剪应力呈缓慢衰减趋势。因此，对于岩土体切坡，应结合现场原位大型剪切试验结果，适当考虑岩土体变形而产生的土体软化、强度降低等问题。

2)仅从岩土体的黏性、取样扰动以及膨胀性考虑现场与室内直剪试验的差异性是远远不够的，现场原位大型剪切试验对于不同地区岩土体切坡强度参数的取值仍至关重要。

3)针对引江济淮试验工程4种典型岩土层进行现场及室内两种不同尺寸的剪切试验，给出对应试验所得的强度参数值，确定了试验区室内试验所得强度指标的修正(折减)系数。

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ComparisonStudyonShearStrengthTestwithDifferentSampleSizesintheYangtze-to-HuaiheWaterDiversionTestingProject

LI Feng1, CHEN Wei2,3, YUAN Junping2,3, Bi Qingtao4, WU Jiantao5, CAO Xueshan5

(1.Anhui Investment Co., Ltd., Anqing 246000, China; 2.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3.Geotechnical Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, China; 4.School of Resources and Environment, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;5.Highway and Railway Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, China)

The shear strength of rock and soil mass is the key parameter to evaluate slope stability. Conducting shear strength tests on small size specimens may cause the test results to deviate from the actual situation, since the small size specimen cannot reflect the insitu structural properties of rock and soil mass. In order to study the influence of size effect on the shear strength parameters of different rock and soil mass, large-scale in-situ direct shear test and the conventional laboratory direct shear test were carried out of four typical rock and soil mass from the Yangtze-to-Huaihe Water Diversion Testing Project. The results show that, in the influence of in-situ geology conditions, the large scale in-situ direct shear test has obvious softening characteristics with respect to the stress-strain relations. Residual shear stress occurs after the shear stress reaches the peak value, with shear strain of 1%～2%. And different rock and soil masses have distinct stress-strain relations. Only considering clay content, expansibility of soil and sampling disturbance are not enough to analyze the difference between in-situ direct shear test and the conventional laboratory direct shear test because many factors affect the size effect of rock and soil mass. So in-situ direct shear test is an essential way to get the reasonable strength parameters in different areas. Based on the experimental results, a correction factor of the strength index is proposed to be applied to the results of the conventional laboratory direct shear test in the area.

large-scale in-situ direct shear; conventional laboratory direct shear; sample size; shear strength

乔翠平)

TV91

A

1002-5634(2017)06-0060-06

2017-09-01

河海大学中央高校基本科研业务费资助项目(2010B03414)；引江济淮试验工程项目(20168011716)。

李峰(1969—),男,安徽安庆人,高级工程师,从事工程管理方面的研究。E-mail:420991327@qq.com。

陈伟(1992—),男,湖南邵阳人,博士研究生,从事裂隙膨胀土尺寸效应方面的研究。E-mail:574956654@qq.com。

袁俊平(1975—),男,湖北麻城人，副教授，博士，从事岩土力学与堤坝工程方面的研究。E-mail:yuan_junph1@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.06.009