原位剪切试验在工程滑坡勘察中的应用

张祥恒，王 振，曹 凡，王延宁，陈柏林

（1.烟台鲁东勘察测绘有限公司，山东 烟台 264004； 2.山东省地矿局钻探工程技术研究中心，山东 烟台 264004；3.中兵勘察设计研究院有限公司，北京 100053； 4.山东省第三地质矿产勘查院，山东 烟台 264004；5.自然资源部地质灾害自动化监测技术创新中心（重庆地质矿产研究院），重庆 401120）

0 引言

岩土体在剪切作用下所能发挥的抗剪强度，尤其是作为薄弱层的岩体结构面的抗剪强度，在滑坡稳定分析中起着至关重要的作用，是滑坡稳定性定量评价和支挡工程设计时计算下滑力所必需的参数［1］。获取岩土体抗剪强度指标目前常用有3 种方法：（1）自滑坡体或滑坡带采集原状土样，进行室内直剪试验［2-3］或三轴试验［4］；（2）对滑坡体或滑坡带进行现场原位剪切试验［5-8］；（3）基于极限平衡原理的滑面指标反算法［9-10］。室内直剪试验或三轴试验，所采集原状土样已脱离原应力环境［11-12］，试样在室内制取和试验过程中不可避免的会造成扰动，所获取的试验指标和原位应力条件下的抗剪强度往往存在一定差异，在滑坡稳定性分析过程中，会有较大偏差［13-14］。滑面指标反算法从物理意义而言较为明确，且可操作性较强，所反映出的滑坡稳定状态一般较真实，但是具有严格的限制条件［15-16］，应用范围受限制。对于现场原位剪切试验，试样受扰动更小，试验状态与滑坡体内岩土体所处状态较为吻合，得到的参数也更加真实［13］，对于测定边坡内部发育的结构面、岩土层接触面、边坡滑动面，适用性较强，同时也是测定颗粒成分较复杂的混合土层的抗剪强度的重要手段之一［17-19］。

重庆华宇·观澜华府项目工程滑坡勘察，在现场做原位剪切试验的同时，采集原状样品进行室内直剪试验，获取两种不同试验下的抗剪强度参数，分别取用两种参数对不同工况下的滑坡体进行稳定性分析计算，并与滑坡体的实际变形特征进行比较，验证了原位剪切试验确定土体抗剪强度参数的合理性。

1 工程概况

重庆市大渡口区大渡口组团D 分区D10-3-1 地块华宇·观澜华府项目，该项目位于重庆市大渡口区八桥镇，包含16 栋楼，10 栋多层住宅、4 栋高层以及2 栋配套用房，项目总建筑面积21.57 万m2，其中地上建筑面积16.16 万m2，地下建筑面积5.41 万m2，场区地貌类型为山地，地势起伏较大，整体呈北高南低，场区±0 标高为287.2 m，北侧山体标高约290.0～310.0 m，高差约20.0～25.0 m，在场地平整开挖过程中，场地东侧2 号楼北侧出现了滑坡现象，滑坡体位置信息见图1。

1.1 滑坡空间形态

该处滑坡平面形态呈圆弧状，滑坡纵向长约40 m，横向宽约70 m，面积约1800 m2，滑体厚度为5.0～7.1 m，平均厚度约6.2 m，总体积约9500 m3，属中型滑坡，主滑方向228°，滑坡体的总体平面图见图2。

图2 滑坡平面图Fig.2 Plan of the landslide

1.2 滑坡物质组成及结构特征

据勘探揭露，滑体物质主要由第四系全新统残坡积粉质粘土组成，呈褐红、紫褐色，稍湿，可塑状，土质不均，夹有少量砂、泥岩碎块。滑带位于土体与基岩接触处，厚度一般为1～20 cm，主要由紫褐色粉质粘土夹岩石碎块组成，呈软塑状，多呈绿灰、紫褐色，可见滑动镜面。滑床为侏罗系中统沙溪庙组砂质泥岩，纵向沿主滑方向呈拆线形，倾角为3°～14°，横向呈“U”字型，其典型工程地质剖面见图3。

图3 典型工程地质剖面Fig.3 Typical engineering geological section

1.3 滑坡变形特征及形成机制分析

滑坡体范围内未经土石方开挖平场时处于稳定状态，未见变形迹象。土石方开挖导致前缘形成临空面，2017 年1 月10 日开始发现坡体中后缘出现多条平行的张拉裂缝，并有逐渐扩展的趋势，到2017年1 月18 日测量的最大裂缝残余宽0.3 m，深0.5～1.2 m，长10 m，裂缝总体走向呈140°。此后该滑坡体仍处于缓慢整体蠕动变形状态，2017 年1 月22 日施工单位进行了坡前反压处理后变形稳定。

经分析，该滑坡体发育在山体斜坡地带，以第四系坡残积物为主，土石方开挖改变了斜坡原有的应力状态，是本次出现工程滑坡的主要诱因之一。滑坡体后缘有一鱼塘，土石方平场施工过程中将鱼塘挖开后其塘内水体流经滑坡体范围内，沿岩土孔隙或地面洞穴下渗，在第四系残积夹碎石的粉质粘土层和侏罗系中统上沙溪庙组砂质泥层的接触面汇集，改变了滑带内各岩土体的物理力学性质，也导致土体沿滑面产生滑动破坏。综上分析并结合现场滑坡变形特征判定，该处滑坡破坏机制为蠕滑-拉裂。

2 现场原位剪切试验

2.1 试验点布置

土-岩界面原位剪切试验目的主要是提供土-岩界面在天然含水状态下以及人工浸水状态下的抗剪强度指标。本次试验在该滑坡体前缘布置了6 个试验点，编号为TJ1～TJ6，其中试验点TJ1～TJ3 为天然含水状态，试验点TJ4～TJ6 为浸水饱和状态（对试验位置注水24 h，现场采集样品测定饱和度，饱和度＞85 默认为饱和），具体布置参见图2。

原位剪切试验采用2500 cm2剪切仪，剪切面积为2500 cm2，剪切盒内边长50 cm，试块高度为30 cm。以人工开挖的方式进行，试块间距以相互不产生不良应力影响为宜。在预留深度处开挖出略大于预定试样的试件块体，然后再用切割机、钎等工具进行细部人工修正，将试件周围岩土面修凿平整，直至规格为50 cm×50 cm×30 cm。所有试块四周均开挖至滑动面（岩土界面）以下3～5 cm。每个试验点含3 个试块，分别满足法向荷载为140、280、420 kPa时剪切要求。

2.2 试验设备及安装

2.2.1 试验设备

（1）法向荷载系统由HC-30（300 kN）型数显拉拔仪、钢垫板、滚轴排、传力筒等组成。剪切荷载系统由HC-10（100 kN）型数显拉拔仪、前后座钢垫板、传力筒等组成。

（2）测量系统设备由大量程百分表、磁力表座等组成。

2.2.2 设备安装

（1）法向系统安装：在试体顶部铺一层细砂并找平，使试体顶面与预定剪切面平行，然后放上钢垫板，在其上依次安放滚轴排、垫板、千斤顶、传力筒、顶部钢垫板等。整个法向系统垂直于剪切面，法向荷载的作用方向通过预定剪切试块的几何中心。加载的反力装置由现场的工字钢、钢板、砂袋等组成。

（2）水平系统安装：水平推力装置由千斤顶和垫板等组成，在试样制作时应在施加水平荷载一边预留一定距离放置千斤顶和垫板，放置千斤顶时要保持其平衡，并使合力作用点位于剪切面的中心，推力方向与预定剪切方向平行，千斤顶的反力由试槽侧壁提供。

加载过程中，试样的水平位移和垂直位移各采用2 个精度为0.01 mm 的百分表测定。

2.3 荷载施加

试验时先施加垂直荷载，再观测垂直位移，待位移稳定后，保持垂直荷载不变，再施加水平向荷载。

（1）法向荷载施加：3 个试体的最大法向应力分别设定为140、280、420 kPa，为了使试样产生充分应变，以便于详细观察记录应变各阶段特征，按分配法将垂直荷载等分5 级施加于每个试样，每级垂直荷载施加时间间隔为5 min，最后一级荷载施加完成后，每间隔5 min 测读一次垂直位移，当连续两次位移之差≯0.01 mm 时，方可施加水平荷载。

（2）剪切荷载施加：开始按预估最大剪切荷载的10%分级施加剪切荷载，剪切荷载采用时间控制，每间隔5 min 加载一级。当剪切位移增量达到前级位移增量的1.5 倍时，剪切荷载改为5%等量施加。

2.4 试验成果

2.4.1 剪断面特征

现场6 组原位剪切试验均沿预定剪切面剪断，各组试验的结构面两侧岩性一致，且试体剪断面层面一致，剪断方向能代表岩土层潜在滑动方向，各试验位置布置合理，相互间无不良应力影响，较为客观真实的反映了试验层面的剪切性能，其典型剪切面特征见图4、图5。

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

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

2.4.2 试验结果

根据各组试样试验计算抗剪强度指标见表1、表2，典型抗剪强度曲线见图6、图7。由试验结果可知：（1）饱和状态下的抗剪强度参数较天然状态下的抗剪强度参数下降，其中粘聚力c下降约35%，内摩擦角φ下降约20%；（2）残余抗剪强度参数较峰值抗剪强度参数下降，其中粘聚力c下降约29%，内摩擦角φ下降约33%。

表1 天然工况原位剪切试验结果统计Table 1 Statistics of in‑situ shear test results under natural working conditions

表2 饱和工况原位剪切试验结果统计Table 2 Statistics of in‑situ shear test results of saturated working conditions

图6 TJ2（天然）抗剪强度曲线Fig.6 Shear strength curve of TJ2 (natural)

图7 TJ4（饱和）抗剪强度曲线Fig.7 Shear strength curve of TJ4 (saturated)

为了进一步探索剪切过程中岩-土分界面的变形规律，绘制剪切应力-剪切位移关系曲线，见图8、图9。

图8 TJ2（天然）剪应力-剪切位移关系Fig.8 Relationship between shear stress and displacement of TJ2 （natural）

图9 TJ4（饱和）剪应力-剪切位移关系Fig.9 Relationship between shear stress and displacement of TJ4 （saturated）

从曲线中可以看出，各试体不同应力状态下，剪应力-剪切位移关系曲线形态基本保持一致，呈现出较为理想的应力屈服和塑性变形特征。剪应力-位移曲线可划分为4 个明显的阶段：

（1）线弹性变形阶段，即试样受力变形的初始阶段，应变随应力近似呈线性变化，在剪应力-位移曲线中，呈现由直线逐渐变弯的过程，由试验现场观测可知，此阶段试样已开始产生了一些小变形，但仅是局限于试样的底部，尚未形成较明显的贯通剪切面；

（2）弹塑性变形阶段，试样现场可以观测到破裂，但是破裂传播的速度还处于比较缓慢的阶段，说明此阶段试样开始逐步形成剪切面并继续发展；

（3）峰值段，随着所施加应力的继续增大，应变速度相较于上一阶段也出现明显增大，破裂开始在试样内部快速传播，相较于前两阶段，该阶段呈现出小应力增幅，大应变增幅的特征，说明在应变的快速持续增大过程中，试样的极限位置已产生破坏；

（4）应变软化段，此阶段出现在峰值应力点以后，随着应变继续增大，应力逐渐下降到一平稳值，最后形成强度的残余值。

3 室内试验与原位抗剪强度参数对比与分析

3.1 参数对比

为说明原位剪切试验指标和室内剪切试验指标的差异，本次试验还在原位剪切试验试坑中利用刻槽法采集原状土样7 组进行室内试验，并对其试验参数进行了比较，见表3。

从表3 中可以看出，室内试验中测得的指标平均值均较原位大型剪切试验指标平均值高。分析认为造成上述差异的原因主要有以下2 点：

（1）大面积直剪试验剪切试件横截面积为2500 cm2，而室内剪切试验试件面积30 cm2。由于滑动的的岩土成分复杂，剪切面积大，往往更具有代表性。本项目所剪切的滑移面为夹碎石的粉质粘土原状土，原位剪切试验所得实验结果更能代表真实滑动带岩土体抗剪强度特性，而室内直接剪切试验，剪切土样小，土样基本为纯粉质粘土，土体的结构性强，因此所得的抗剪强度参数偏大。

（2）根据本项目特点，滑动带厚度一般为1～20 cm，位于土岩分界面，并且可见明显的绿灰色滑动镜面，呈软塑状，想要在土岩界面精确取样比较困难，实际取样位置位于粉质粘土层中下部，粉质粘土抗剪强度参数并不能代表滑动接触面的抗剪强度参数。

3.2 滑坡体的稳定性分析

根据现场原位剪切试验参数和室内直接快剪试验参数，分别对滑坡稳定性进行自重工况（工况1）及自重+暴雨工况（工况2）下的计算，计算简图见图10，计算方法采用《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2013）中A.0.3 规定的传递系数法，计算结果见表4。

表4 稳定性分析对比Table 4 Comparison of stability analysis

图10 传递系数法计算简图Fig.10 Diagram of transmit coefficient method

根据计算结果可知：现场原位试验抗剪强度参数在工况2 下处于欠稳定状态，在工况1 下处于稳定状态，室内快剪试验抗剪强度参数在工况2 下处于基本稳定状态，在工况1 下处于稳定状态。

由滑坡体的实际变形特征可知，在经历了前期的剧烈滑动之后，大部分势能已经被释放，其后几天时间内均保持缓慢蠕滑状态，处于临界状态-欠稳定状态之间，因此根据现场原位剪切试验抗剪强度参数的计算结果更加符合滑坡体状况的实际表现。

值得说明的是，本项目试验得出室内试验测得的指标平均值均较原位大型剪切试验指标平均值高的结论只针对该项目，并不具有普适性。有关文献曾得出室内试验中二次剪切和饱和残剪测得的指标平均值均较原位大型剪切试验指标平均值低，特别是内摩擦角φ差异较大。也有文献曾得出对于黏聚力，饱和状态下两种试验的结果差异较大，天然状态下则差别不明显；对于内摩擦角，天然状态下前者的试验结果较小，而对于饱和状态，前者的试验结果则大于后者。这恰恰说明传统的室内剪切试验因代表性差结果存在一定差异，因此单凭室内剪切试验结果判定滑坡体的稳定是有局限的。在条件允许的情况下实施原位大型剪切试验，用室内实验结果作为辅助验证是合理的。

4 结论

（1）室内剪切试验结果可能存在较大偏差。主要原因有3 个方面：①滑带土厚度一般规模较小，大多集中在几毫米到几十厘米之间，且处于不同发育阶段的滑动体，其滑带土状态也不同，正在活动或者活动时间不久的滑坡，其滑带土大部分呈软塑状，力学性质软弱，按照常规取样方法，取样难度和样品所受扰动极大；②由于滑带土成分复杂，多为非均质、不连续的结合体，成分的复杂性所带来的是其颗粒级配及孔隙率等指标也各不相同，室内试样由于尺寸较小，不具备客观代表性，因此剪切试验试件的大小在某种程度上影响了试验成果的准确性和适用性；③滑动带除了土材料之外，还包括节理、裂隙等软弱结构面，而室内试验试样难以包含这些软弱结构面。

（2）原位剪切试验对边坡岩土体抗剪强度指标的选取及边坡的工程治理优化具有重要参考价值。不管是从尺寸效应上还是应力状态上，原位剪切试验结果均较室内试验结果有较大优势和可信度建议大型边坡工程勘察治理设计时进行原位大型剪切试验。

（3）原位试验方法和试验结果可靠，可做为该边坡稳定性评价和加固设计的依据。本项目根据原位剪切试验得出滑带土饱和残余抗剪强度参数：c=5.6 kPa、φ=7.9º，由此计算得到的边坡稳定性与实际情况吻合，而采用室内试验结果得出的结论可能存在一定的风险。

（4）原位剪切试验应力-应变曲线具有明显的应力屈服和塑性变形特征，具体可分为4 个阶段，即线弹性变形段、弹塑性变形段、峰值段、应变软化段，可以为考虑滑坡渐进破坏理论的研究提供依据。