三门峡原状黄土的大型直剪试验及其尺寸效应

朱云江， 姜彤， 霍继炜， 高宇甲， 张俊然， 赵金玓

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450046; 2.中建七局第四建筑有限公司，陕西 延安 710016)

黄土具有结构疏松、富含大孔隙、垂直节理发育等特征，是典型的第四纪沉积物[1-2]。在工程实践中，黄土的抗剪强度和变形特性是影响工程安全的重要因素[3]。相关学者做了大量的研究工作：张志权等[4]对西安、洛川和兰州等地区的代表性黄土进行了颗粒分析试验、击实试验和直剪试验，通过对比分析得出随着黄土试样的黏性颗粒含量减小，黄土的最大干密度和最优含水率逐渐减小；在同一初始干密度下随着含水量的增加，试样的黏聚力和内摩擦角均逐渐减小。张玉等[5]通过均压固结竖向加载和侧向卸载的平面应变试验，对比得出剪切变形特性和屈服、破坏强度的变化规律，且不同含水率黄土的侧向卸载与竖向加载的剪切变形特性和强度变化规律基本相似。王铁行等[6]、刘小军等[7]采用人工节理黄土试样，通过常规直剪试验对重塑黄土剪切强度等相关性质进行了试验研究，得出节理形态、试样干密度和含水量对黄土节理抗剪强度的影响规律，并建立了该黄土的本构模型。杨继红等[8]通过室内大型直剪试验，探究了不同含石量条件下堆积体抗剪强度特性。SHAKOOR A等[9]通过大型直剪试验研究了砾石含量、粒径以及砾石形状对含砾石质黏土的抗剪强度和无侧限抗压强度的影响规律。韩璞璞[10]利用Shear Trac-Ⅲ大型直剪试验仪器，通过大型直剪试验，研究了不同法向应力和不同混凝土接触面粗糙度对黄土与混凝土界面的力学特性的影响规律。

综上发现，以往原状黄土剪切强度及变形特性试验多以常规直剪试验为主，而针对原状黄土开展的大型直剪试验较少。因此，开展原状黄土的大型直剪试验研究显得非常必要。本文对三门峡原状黄土开展一系列的大型直剪试验，同时结合常规直剪试验分析尺寸效应对原状黄土抗剪强度的影响。

1 黄土基本物理性质试验

黄土试样取自三门峡函谷关，距离黄河南岸1.2 km处，该地为黄土丘陵—黄土梁地貌，黄土层厚度约145 m，地形起伏不平，沟谷深切，山间植被茂盛。其中取样深度距地表4～5 m，为第四系上更新统(Q3)黄土状土，天然干密度为1.47～1.50 g/cm3，天然含水率为8.75%。根据《公路土工试验规程》(JTGE 40—2007)和《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行室内试验。通过试验得出该黄土试样的基本物性指标：相对密度为2.69，液限和塑限含水率分别为26.9%、18.1%，塑性指数为8.8；其中，黄土颗粒级配曲线如图1所示，不均匀系数为12.43，曲率系数为2.57，级配良好。

图1 黄土的颗粒级配曲线

2 大型直剪试验

2.1 试验仪器及试样制备

试验仪器为室内大型应变控制式直剪仪，主要包括垂直加载系统、水平加载系统、剪切盒和数据采集处理系统，该直剪仪剪切盒内试样尺寸为φ504.6 mm×400 mm。其中，数据采集系统包括4个竖向位移传感器和1个水平剪切位移传感器，如图2所示。

图2 大型应变控制式直剪仪

本次试验对工程实践获取准确的强度参数具有重要的意义，因此，开展大型直剪试验之前对取样地点进行了多次实地考察。首先，在三门峡地区进行具有工程代表性的原状黄土选址。然后，采集试样。由于所需试样体积较大，为了避免对原状土的扰动，采用机械和人工配合的方式采集试样，采集后将试样用塑料膜密封。最后，对原状黄土试样进行人工分割，在保持黄土试样节理的上下位置与原始状态吻合的前提下，制成φ500 mm×400 mm的圆柱试样。通过观察试样，可见其在垂直方向上节理较为发育，有蜗牛壳白色菌丝和植物根系。原状黄土的取样和制样过程如图3所示。

图3 原状黄土取样及试样制备

2.2 试验方法

原状黄土试样制作完成后，进行装样。首先，在剪切盒下垫一层5 mm厚松散土层，缓慢进行原状黄土样装样；然后，安装上剪切盒，进行剪切盒四周缝隙填土压密；最后，在试样顶部垫5 mm厚松散土层，缓慢放下剪切盒顶盖，进行剪切试验。因原状黄土试样的含水量较低，故不考虑剪切过程中的排水问题。

有学者采用Shear Trac-Ⅲ大型直剪试验仪进行黄土快剪试验，依次对试样施加50、100、150、200 kPa垂直压力，分析各垂直压力下黄土试样的强度特性[11]。本次试验进一步结合《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)，确定了试样施加的垂直压力σ分别为50、100、200、300 kPa。为了使试验结果更加准确，开展了2组对照试验，耗时10 d，共进行了8个原状黄土大型直剪试样的制备和剪切。根据所施加垂直压力由小到大的顺序对试样进行编号，依次为SY1、SY2、…、SY8。其中大型直剪试验采用快剪法，剪切速率为0.8 mm/min，试样剪切时间约为40 min，待剪切强度稳定后，结束试验。试验后，部分试样的剪切面如图4所示。

图4 大型直剪试样剪切面

2.3 试验结果

原状黄土大型直剪试验的剪应力-剪切位移关系曲线如图5所示，由图5可得到如下结论。

图5 大型直剪试验的剪应力-剪切位移关系曲线

1)当垂直压力σ为50、100 kPa时，大型直剪试验的剪应力-剪切位移关系具有相似性，同一垂直压力下剪应力-剪切位移关系较为接近。在剪切位移小于10 mm时，黄土试样表现出比较强的剪切刚度，其剪切强度随着剪切位移呈线性增长。随着剪切位移的增大，出现强度峰值，然后剪切强度逐渐减小并趋于稳定，呈现剪切软化现象。

2)当垂直压力σ为200、300 kPa时，试样的剪应力-剪切位移关系较为相似。在剪切位移小于10 mm时，与垂直压力σ为50、100 kPa下试验的剪应力-剪切位移关系一致，剪应力均随着剪切位移的增大近似呈线性增长，但斜率较大，黄土试样剪切刚度有所提升。随着剪切位移的进一步增加，剪应力增长的速率逐渐减小并趋于稳定，无强度峰值出现，呈现剪切硬化现象。

通过图5可得原状黄土试样大型直剪试验在各垂直压力下的抗剪强度。当无峰值出现时，选取剪切位移在25 mm(应变=5%)处所产生的剪应力为黄土试样的抗剪强度[1,12]。在50、100、200、300 kPa垂直压力下，两组平行试验所得到的抗剪强度取均值，分别为75.4、95.9、146.1、177.8 kPa。本试验所得抗剪强度结果与刘小军等[10]的大型直剪试验结果较为相近，其在50、100、150、200 kPa垂直压力下得到的原状黄土的抗剪强度范围分别为72.34～88.71 kPa、78.83～106.22 kPa、165.20～199.00 kPa、176.30～234.50 kPa，通过对比，其抗剪强度均值比本文试验得到的略大。汇总本试验抗剪强度结果于表1。

表1 大型剪切试验抗剪强度

3 常规直剪试验

3.1 试验仪器及试样制备

常规直剪试验采用电动应变控制式直接剪切仪，如图6所示。其主要由剪切盒、垂直加压设备、剪切传动装置、测力计以及位移量测系统等组成，其中剪切盒尺寸为φ61.8 mm×20 mm。为了使该试验结果和大型直剪试验结果更具有对比性，削取的黄土试样与大型直剪试验试样所用土体保持性质一致，且试验施加的垂直压力也一致。共制备了8组原状黄土环刀试样，亦按照所施加垂直压力的递增顺序对试样进行编号，依次为sy1、sy2、…、sy8，如图7所示。

图6 应变控制式常规直剪仪

图7 常规直剪试样制备

3.2 试验方法

同大型直剪试验一致，分别在垂直压力σv为50、100、200、300 kPa状态下进行快剪试验，剪切速率为0.8 mm/min，每隔15 s进行一次读数。图8为常规直剪试验下的试样剪切面。

图8 常规直剪试样剪切面

3.3 试验结果

常规直剪试验所获得试样的剪应力-剪切位移关系曲线如图9所示。由图9可知，常规直剪试验得到的剪应力-剪切位移变化规律和大型直剪试验的基本相似。在50、100 kPa垂直压力下,当剪切位移小于1.5 mm时，剪应力先呈现线性增长趋势，然后出现峰值，再缓慢减小，最后逐渐趋于稳定。在200、300 kPa垂直压力下，试样的剪应力-剪切位移关系曲线在剪切位移小于1.5 mm时呈线性增长趋势，然后增长速率逐渐减小，剪应力趋于稳定，呈现剪切硬化现象。根据试验结果，可得出常规直剪试验各垂直压力下原状黄土试样的抗剪强度，见表2。其中，无强度峰值出现时，选取剪切位移为4 mm处所对应的剪应力为黄土试样的抗剪强度[13]。

图9 常规直剪试验的剪应力-剪切位移关系曲线

表2 常规直剪试验的剪切强度结果

4 黄土直剪试验尺寸效应分析

根据试验结果，绘制大型直剪试验和常规直剪试验得到的平均抗剪强度和垂直压力散点图，并对散点图进行线性拟合，结果如图10所示。由图10可知：在同一垂直压力下，常规直剪试验得到的抗剪强度均比大型直剪试验得到的稍大，并且随着垂直压力的逐渐增加，抗剪强度差值逐渐增加。此现象归因于原状黄土的尺寸效应：尺寸较小时，黄土试样的结构性更加完整；而尺寸较大时，试样更能代表工程现场的原状黄土，其具有较多发育的垂直节理和大孔隙。

图10 平均抗剪强度-垂直压力关系曲线

有研究指出，黄土的内摩擦角范围为10°～35°，进一步对比其他大型和常规直剪试验的抗剪强度结果发现，其与本次试验结果较为相近[14-15]。分析试验结果得出：三门峡原状黄土的大型直剪试验的内摩擦角为22.8°，黏聚力在55.2 kPa左右；常规直剪试验的内摩擦角和黏聚力均比大型直剪试验的结果稍大。通过对试验后试样的观察分析发现：大型直剪试验的试样多存在垂直节理面、虫洞和根系孔隙；而常规直剪试样由于试样尺寸较小，试样内部的节理面、虫洞和根系孔隙等较少甚至没有，因此常规直剪试样的强度有所提升。在工程实践中应该充分考虑到尺寸效应对黄土抗剪强度的影响，进一步提高工程的安全性。

5 结语

1)试验测得三门峡原状黄土在两种尺寸下的抗剪强度，该原状黄土在大型直剪试验下的内摩擦角为22.8°，黏聚力为55.2 kPa，常规直剪试验下的内摩擦角为24.7°，黏聚力为57.8 kPa。在同一垂直压力下，常规直剪试验充分排除了节理、大孔隙等不利因素，所得的试样抗剪强度比大型直剪试验的略大。

2)在剪切过程中，两种尺寸的原状黄土的剪应力-剪切位移关系具有一定的相似性。当垂直压力为50、100 kPa时，两种尺寸的试样均出现剪切软化现象，其中大型直剪试验的剪切位移小于10 mm时和常规直剪试验的剪切位移小于1.5 mm时的剪应力-剪切位移关系均近似呈线性增长趋势，剪应力到达峰值后逐渐减小并趋于稳定。当垂直压力为200、300 kPa时，剪应力未出现峰值，呈现剪切硬化现象。

3)大型直剪试验得到的抗剪强度小于常规直剪试验得到的抗剪强度，这种差异随着垂直压力的增大而逐渐显著。在实际工程中，应该将尺寸效应考虑在内，在条件允许的情况下开展大型直剪试验，进而提高原状黄土参数的精度，以提高工程质量。