胡 偉，閔 弘，陳 健，徐開民

（中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430071 ）

1 引言

我國西南大型水電庫區(qū)分布著大量由滑坡堆積、崩坡堆積、殘坡堆積等形成的岸坡。這些岸坡一般由土夾碎石或碎石塊夾土等土石混合材料組成，物質(zhì)組成復(fù)雜，大粒徑組分含量較多，室內(nèi)試驗(yàn)研究這類材料受限于試樣的尺寸，難以得到接近真實(shí)賦存環(huán)境下的材料特性。由于現(xiàn)場原位剪切試驗(yàn)的試樣尺寸大，對土體擾動小，更接近工程受荷變形，能更好地反映巖土體材料強(qiáng)度特性的實(shí)際情況。本文介紹了中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所改進(jìn)研制的現(xiàn)場大型原位直剪設(shè)備，結(jié)合水電站庫區(qū)典型滑坡的原位大型直剪試驗(yàn)，對現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)具體試驗(yàn)方法和試驗(yàn)注意事項(xiàng)做出了說明，并對庫區(qū)滑坡現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了分析。

2 現(xiàn)場原位剪切試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)場原位剪切試驗(yàn)因其操作簡單，適用于多種巖土體材料的原位抗剪強(qiáng)度測試，在科研與工程中得到廣泛運(yùn)用。目前常用的原位剪切測試方法可分為直接測試法和間接測試法。

直接測試法：即直剪法，如圖1(a)所示，在原狀試樣上套一剛性筒，然后在試樣上施加垂直壓力，再對剛性筒施加水平推力直至試樣破壞，記錄整個過程中的水平推力和位移。通過多次不同垂直壓力下的剪切試驗(yàn)，通過摩爾-庫侖定律確定土體的抗剪強(qiáng)度。

間接測試法：即推剪法，如圖1(b)所示，試驗(yàn)時，首先在被測試土體一端挖坑，用以安裝水平推力裝置和測量表等，然后在測試土體左、右兩側(cè)挖槽，使被測試土體與非測試土體斷開，并且在試樣左、右兩側(cè)支撐擋板防止土體發(fā)生側(cè)向位移。測試土體表面應(yīng)平整，準(zhǔn)備就緒后，逐級施加水平推力至土體發(fā)生滑動破壞，并測量推力過程中隨機(jī)測量的推力和位移。通過記錄的測試數(shù)據(jù)，按極限平衡理論，建立平衡方程，分析計(jì)算出土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

目前所開展的原位剪切試驗(yàn)中所采用的剪切設(shè)備，多是根據(jù)試驗(yàn)方法和試驗(yàn)材料的特點(diǎn)自行設(shè)計(jì)組裝的。吳碩[1]、油新華[2]等使用推剪法對庫區(qū)滑坡土石混合體開展了大型剪切試驗(yàn)；郭捷等[3]在推剪試驗(yàn)中使用有機(jī)玻璃作為兩側(cè)擋板來觀測土體剪切破壞過程；傅華等[4]通過使用直剪法法研究了堆石料與基巖面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；楊繼紅等[5]采用直剪法對滑坡試驗(yàn)硐內(nèi)的堆積體進(jìn)行了原位剪切試驗(yàn)；羅麗娟等[6]使用直剪法對黃土滑坡滑帶進(jìn)行了500 mm×600 mm×800 mm尺寸的大型原位剪切試驗(yàn)，并且對比分析了與室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果的差異。

直接測試法需要測試多個壓力級別的試樣方能擬合計(jì)算出土體強(qiáng)度參數(shù)。該方法中試樣是在剛性筒與試坑底面之間破壞，由于試坑底面土體沒有剛性約束，難以保證剪切破壞面是水平的，且一組中不同壓力級別的試樣剪切破壞面也難以保持形態(tài)上的一致。李沛[7]通過試驗(yàn)證實(shí)了直接剪切法中土體剪切破壞面是由直線型和拋物線形組合而成的復(fù)雜形態(tài)，且表明了只有當(dāng)剪切破壞面約等于剪盒面積時才可用摩爾-庫侖定律計(jì)算抗剪強(qiáng)度。

間接測試法儀器簡單，只需開展1個試樣測試，但數(shù)據(jù)處理麻煩，不同學(xué)者采用不同的分析方法獲得的結(jié)果也會有差異。該方法中試樣上無法施加垂直壓力，不能體現(xiàn)土體的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)。

針對現(xiàn)有大型原位剪切試驗(yàn)方法和設(shè)備的不足，有必要開發(fā)研制一款符合經(jīng)典直剪原理且適用性較強(qiáng)的現(xiàn)場原位大型直剪設(shè)備。

圖1 土體抗剪強(qiáng)度現(xiàn)場測試方法Fig.1 Testing method of in-situ shear strength

3 大型原位直剪設(shè)備研制

直剪試驗(yàn)最早在100多年前被Alexandre Collin用于邊坡穩(wěn)定研究[8]。目前，室內(nèi)直剪儀的開發(fā)和研制技術(shù)比較成熟，除了常規(guī)的小型直剪儀外，國內(nèi)外均研制出了一些大型直剪儀，剪切盒形式繁多，尺寸大小不一，其中最大為280 cm×280 cm×92 cm[9]。室內(nèi)直剪儀樣式繁多，但基本原理相同，都是將試樣裝填入剪切盒內(nèi)，分別在不同的垂直壓力下，施加水平剪切力進(jìn)行剪切，使試樣在上、下剪切盒之間的水平面上發(fā)生剪切至破壞，得到破壞時的剪切應(yīng)力τ，根據(jù)摩爾-庫侖定律確定土的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c。

根據(jù)經(jīng)典的直剪測試方法原理，閔弘等[10]開發(fā)了一款現(xiàn)場、室內(nèi)兩用大型直剪儀。劉小麗等[11]通過對干砂的直剪試驗(yàn)全面測試了該直剪儀的工作性能。馮俊德等[12]使用該直剪設(shè)備對云南某鐵路的冰磧土開展了原狀樣、重塑樣的循環(huán)剪切試驗(yàn)。王新剛等[13]使用該直剪設(shè)備對西藏幫鋪礦區(qū)的碎石土開展了一系列的剪切試驗(yàn)。王光進(jìn)等[14]使用該直剪設(shè)備對粗粒在剪切過程中的破碎現(xiàn)象進(jìn)行了研究。劉小麗等[15]曾將該直剪設(shè)備運(yùn)到試驗(yàn)現(xiàn)場對泄灘滑坡滑帶土開展了一系列的大型剪切試驗(yàn)。

在以上科研試驗(yàn)中，該室內(nèi)、現(xiàn)場兩用直剪儀均表現(xiàn)出了良好的工作性能。但由于該直剪設(shè)備主要工作部件需固定在支撐框架上，體積龐大，重量將近4 t，對于場地條件復(fù)雜的試驗(yàn)點(diǎn)，該直剪設(shè)備難以運(yùn)輸裝配，難以實(shí)現(xiàn)試樣修筑于試坑底部的原位試樣的剪切。為了完成復(fù)雜場地條件下的大型原位直剪試驗(yàn)，中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所在室內(nèi)、現(xiàn)場兩用大型直剪儀的剪切盒的基礎(chǔ)上，改進(jìn)研制了一套更加適應(yīng)現(xiàn)場原位剪切試驗(yàn)條件且符合室內(nèi)大型直剪儀工作原理的大型原位直剪設(shè)備。

該大型原位直剪設(shè)備的工作部分可分為：剪切盒、垂直加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)。如圖2所示，各部分工作原理如下：

（1）剪切盒

剪切盒為方形，分為上、下兩個剪切盒，上、下剪切盒通過滾珠接觸。剪切盒由30 mm厚鋼板拼接而成，在保證足夠剛度的同時方便拆卸運(yùn)輸。

剪切盒結(jié)構(gòu)和尺寸與室內(nèi)現(xiàn)場兩用大型直剪儀的剪切盒[9]一致，凈空幾何尺寸長×寬×高＝500 mm×500 mm×410 mm。適用于最大粒徑小于50 mm的試樣，研究表明，當(dāng)試樣中最大粒徑小于試樣尺寸8～10倍時，可不受剪切盒約束的影響。通過改變滾珠的直徑來開設(shè)不同寬度的剪切縫以適應(yīng)不同級配的試樣，剪切縫寬度最大可開設(shè)為10 mm。

（2）垂直加載系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括垂直液壓千斤頂、垂直傳力蓋板、滾軸排及垂直壓力傳感器。試驗(yàn)過程中，垂直壓力通過千斤頂施加，最大法向壓力設(shè)計(jì)為200 kN。在加壓的過程中可同時通過液壓油表和電腦中數(shù)據(jù)采集程序讀取垂直壓力數(shù)值。滾軸排可保證在剪切過程中千斤頂不隨上剪切盒一起移動。千斤頂靠堆載平臺提供反力，為了保證試驗(yàn)過程中堆載平臺的穩(wěn)定性，堆載平臺的重量要大于試驗(yàn)中所施加的最大垂直壓力。

（3）水平加載系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括水平液壓千斤頂、電動伺服油泵、水平反力擋板及水平壓力傳感器。水平推剪力通過電動伺服油泵驅(qū)動千斤頂施加，可以通過調(diào)節(jié)油泵的出油量來改變推進(jìn)的速率，達(dá)到應(yīng)變控制式直剪試驗(yàn)的效果。

（4）數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集儀，水平、垂直荷載傳感器和位移傳感器。數(shù)據(jù)采集儀可對試驗(yàn)過程中傳感器中的數(shù)據(jù)自動采集，采集頻率可以任意設(shè)置。荷載傳感器的測量精度為0.02 kN。試樣的水平和法向位移由位移傳感器測定，其測量精度為0.002 mm。數(shù)據(jù)采集儀可通過連接電腦，實(shí)時地顯示試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的變化。

該大型原位直剪設(shè)備的突出優(yōu)點(diǎn)如下：

（2）采用上、下兩個剪切盒，保證試樣沿預(yù)定剪切面破壞，符合經(jīng)典直剪儀設(shè)計(jì)原理。

（3）該直剪設(shè)備為應(yīng)變控制式，可以較好地反映剪切過程中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

（4）測量系統(tǒng)精度、自動化程度較高，可以實(shí)時觀測試驗(yàn)中數(shù)據(jù)的變化。

圖2 現(xiàn)場直剪設(shè)備示意圖Fig.2 Sketch of in-situ direct shear apparatus

4 大型原位直剪試驗(yàn)方法

大型原位直剪試驗(yàn)試樣的制備和設(shè)備的安裝比室內(nèi)直剪試驗(yàn)困難，在試驗(yàn)場地的選取、試樣制備、儀器安裝、試驗(yàn)操作觀察各個環(huán)節(jié)都需要認(rèn)真仔細(xì)，方能保證試驗(yàn)安全和有效地進(jìn)行。以下結(jié)合現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)實(shí)例，對現(xiàn)場試驗(yàn)的主要環(huán)節(jié)進(jìn)行說明。

4.1 試驗(yàn)場地選取

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范[16]要求，每組現(xiàn)場試驗(yàn)需要3～4個性質(zhì)相近的試樣在不同垂直壓力下進(jìn)行剪切。本文中主要以庫區(qū)滑坡現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)為實(shí)例進(jìn)行相關(guān)方法介紹，庫區(qū)滑坡土體空間變異性較大，往往難以找到平整合適的場地開展試驗(yàn)。對于滑坡堆積體，滑帶土的強(qiáng)度特性對滑坡的穩(wěn)定性分析有著重要的指導(dǎo)意義，因此，開展滑帶土的現(xiàn)場直剪試驗(yàn)除了需要知道滑帶的位置之外，還要選擇能夠適合開展滑帶土現(xiàn)場剪切試驗(yàn)的場地。

以金沙江向家壩庫區(qū)趙家灣滑坡為例，從滑坡的地質(zhì)平面圖（見圖3）可知，在滑坡的后壁及兩側(cè)壁出露有構(gòu)成滑床的巖層，針對這些部位實(shí)地踏勘尋找適合開展滑帶土現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)的場地。選擇位于趙家灣滑坡前緣左側(cè)一溝谷邊緣處作為試驗(yàn)點(diǎn)。圖4所示為趙家灣滑坡滑帶土現(xiàn)場大型直剪試坑。

圖3 趙家灣滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.3 Engineering geological plan of Zhaojiawan landslide

4.2 試樣制備

選定場地之后，開挖試坑至指定深度，然后將保留做試樣的土墩修筑至剪切盒大小，如圖5所示。

對于滑帶土的剪切試驗(yàn)，理論上要求沿滑面傾斜方向（平行于滑面上擦痕指向）施加平行于滑動方向的推力。對于近水平滑坡比較容易實(shí)現(xiàn)，然而對于試驗(yàn)點(diǎn)處滑動面傾角較大的滑坡，難以制備傾斜試樣和組裝傾斜剪切的直剪設(shè)備，只能滿足沿滑坡滑動方向的水平剪切。對于滑坡堆積體、崩塌堆積體的剪切試驗(yàn)，試樣剪切方向無明確要求。在本文中所列舉的剪切試驗(yàn)中，趙家灣滑坡滑帶土剪切試驗(yàn)為傾斜剪切（見圖5(a)），其他為水平剪切。

4.3 儀器安裝

將下剪切盒框套住試樣底部，保證下剪切盒放置水平且固定；在下剪切盒U槽中放置適當(dāng)大小的滾珠，選擇不同直徑的滾珠可以開設(shè)不同寬度的剪切縫；安裝上剪切盒之后修平試樣表面，就近獲取細(xì)土填充試樣和剪盒之間的縫隙。水平推力千斤頂放置水平，保證推力方向與剪盒水平，水平推力千斤頂后座安裝反力板保證在推剪的過程中有足夠的反力支持，使千斤頂不向后移動。測量傳感器必須安裝牢固，保證在試驗(yàn)過程中不被擾動。設(shè)備安裝完成后如圖6所示。

2.2 兩組女性超聲聲像圖特點(diǎn) 靜息狀態(tài)時膀胱頸均位于參考線以上，Valsalva動作時膀胱頸向尾側(cè)移動，對照組膀胱頸均位于參考線上，病例組膀胱頸位于參考線水平附近及參考線下，病例組中46例(約38.33%)可于Valsalva動作時觀察到尿道內(nèi)口開放。

4.4 試驗(yàn)加載與完成條件

垂直壓力通過手動油泵操作垂直千斤頂施加，加壓的同時觀察監(jiān)測器中垂直壓力及垂直位移的變化。對于壓力等級較小的試驗(yàn)，可以一次完成加載；對于壓力等級較高，垂直位移變化較大的試驗(yàn)，分4～5級壓力加載，每級壓力下垂直位移穩(wěn)定之后再進(jìn)行下一級加載。待垂直壓力達(dá)到預(yù)定值，垂直位移變化趨于穩(wěn)定之后，開始水平推力加載。水平推力千斤頂通過電動伺服油泵驅(qū)動，油泵通過調(diào)節(jié)出油量來實(shí)現(xiàn)水平千斤頂不同速率的推進(jìn)。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[16]規(guī)定，當(dāng)出現(xiàn)剪力的殘余值或剪切變形量達(dá)到試體尺寸的1/10時，即可認(rèn)為試體已經(jīng)破壞，可停止加載。

5 原位直剪試驗(yàn)常見問題及解決方法

室內(nèi)直剪試驗(yàn)存在的問題已經(jīng)被許多學(xué)者討論，其中有些可通過改進(jìn)直剪儀得到解決，有些是直剪方法本身存在的問題?，F(xiàn)場直剪試驗(yàn)由于場地環(huán)境復(fù)雜，儀器組裝困難，會遇到更多意外狀況造成試驗(yàn)失敗。在此，總結(jié)分析以中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的大型原位直剪設(shè)備開展的庫區(qū)岸坡現(xiàn)場直剪試驗(yàn)中遇到若干試驗(yàn)案例。

5.1 水平反力不足

現(xiàn)場推剪試驗(yàn)及直剪試驗(yàn)中水平推力裝置往往以試坑土壁作為反力支撐，剪切過程中，剪力與反作用推力同時作用在試坑土壁上?？梢哉J(rèn)為，試樣和試坑土壁的土性一致，強(qiáng)度大致一樣，可以通過在土壁與水平推力裝置之間墊放一定面積的鋼板，保證在剪切過程中試樣先破壞且土壁變形較小。然而在現(xiàn)場直剪試驗(yàn)中，當(dāng)試樣上施加的垂直壓力較大、反力土壁厚度不足以及土體強(qiáng)度相差較大時，仍會造成土壁先破壞，試樣推剪不動的情況。如圖7所示，因?yàn)橼w家灣滑坡在降雨之后土壁強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致土壁強(qiáng)度降低先于試樣破壞。針對以上出現(xiàn)的水平反力不足的問題可以采取以下手段得到一定程度的解決：

（1）設(shè)備組裝時，選擇土壁較厚的一方放置水平推力裝置。

（2）可將垂直反力平臺主梁壓在水平反力土壁的上方，施加一定的垂直壓力。

（3）增大反力墊放鋼板的面積，在鋼板后釘入鋼釬增加固定作用力。

圖7 反力不足導(dǎo)致的試驗(yàn)失敗案例Fig.7 Failure of testing due to lack of reaction

5.2 上、下剪切盒同時移動

在直剪試驗(yàn)中，水平剪力作用在上剪切盒上，下剪切盒固定，強(qiáng)制試樣在上、下剪切盒之間破壞。然而滑坡堆積體、崩塌堆積體中往往含有較大顆徑的塊石超過剪盒的限制粒徑，當(dāng)這些塊石正好位于試樣上、下剪切盒之間時，就會造成剪切過程中上、下剪切盒整體移動的現(xiàn)象。溪洛渡庫區(qū)雙龍壩崩塌堆積體剪切試驗(yàn)中，由于剪切面之間含有大塊石，導(dǎo)致上、下剪切盒同時移動，如圖8所示。當(dāng)上、下剪切盒同時移動時，試樣沿下剪切盒與試坑底部交界面剪切破壞，仍可以得到剪切-位移曲線，但與同組其他試樣的結(jié)果很難擬合。遇到這種狀況可采取以下方法解決：

（1）在試驗(yàn)點(diǎn)選址時，先試挖探槽，選擇超過剪切盒限制粒徑塊石較少的地方開展試驗(yàn)。

（2）在修筑試樣時，從試樣側(cè)壁觀察試樣中大粒徑塊石的分布，在安裝上、下剪盒時，盡量避免超越限制粒徑的塊石出現(xiàn)在上、下剪盒之間。

圖8 下剪切盒移動導(dǎo)致的試驗(yàn)失敗案例Fig.8 Failure of testing due to lower shear box moving

5.3 垂直反力平臺失穩(wěn)

大型原位直剪試驗(yàn)中，當(dāng)采用傾斜剪切或剪切過程中發(fā)生明顯剪脹現(xiàn)象時，會使垂直壓力千斤頂偏斜，嚴(yán)重時可能使整個垂直反力平臺失穩(wěn)造成安全事故。對于傾斜剪切和出現(xiàn)明顯剪脹現(xiàn)象的試驗(yàn)中，要時刻觀察試驗(yàn)設(shè)備是否安全穩(wěn)定，避免發(fā)生安全事故。

現(xiàn)場試驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜，試樣的修筑及設(shè)備安裝和試驗(yàn)操作中都可能出現(xiàn)各種意外狀況，除上述可能出現(xiàn)的問題之外，還有許多可能遇到的不確定因素導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，例如：試驗(yàn)期間，降雨可能對土體的強(qiáng)度影響較大，導(dǎo)致一組試驗(yàn)中土體性質(zhì)不同從而難以得到理想的擬合結(jié)果。要想獲得較理想的大型原位直剪試驗(yàn)結(jié)果，必須在試驗(yàn)場地選址、試樣制備、設(shè)備組裝、試驗(yàn)操作等各個環(huán)節(jié)細(xì)心、周全。

6 大型原位直剪試驗(yàn)實(shí)例分析

以向家壩庫區(qū)趙家灣滑坡滑帶和滑體、土地垇滑坡滑帶現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)為例，對本文中所介紹的大型原位直剪設(shè)備的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

6.1 試驗(yàn)場地概況

6.1.1 趙家灣滑坡

趙家灣滑坡位于金沙江干流右岸的綏江縣大沙鄉(xiāng)，距壩址60.2 km。滑坡區(qū)分布的基巖為侏羅系遂寧組（J2sn）地層，巖性為紫紅色粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖；巖層產(chǎn)狀：300°～310°/NE∠7°～22°，分布于滑坡西側(cè)（后緣）陡坡地帶和北側(cè)公路沿線金沙江岸坡段及東側(cè)沖溝溝底。鉆孔揭露，滑坡體物質(zhì)組成為黏土、粉土夾碎塊石，下伏基巖產(chǎn)狀為40°∠15°。

6.1.2 土地垇滑坡

土地垇滑坡位于四川省屏山縣新市鎮(zhèn)，金沙江支流中都河出口段右岸，距壩址70.4 km。滑坡分布區(qū)中都河流向約180°，河床高程315 m?；掳l(fā)育于侏羅系沙溪廟組（J2s）地層中，巖性為暗紫色泥巖、粉砂巖與長石石英砂巖不等厚互層，夾灰黑色頁巖及泥灰?guī)r，滑體周緣出露的基巖產(chǎn)狀變化較大。滑體后部在兩側(cè)邊界表現(xiàn)為較寬的淺溝，滑體外鼓較明顯。從區(qū)內(nèi)崩坡積物和階地堆積物的分布情況分析，該滑坡系一崩坡堆積物和階地堆積物的滑坡，滑坡組成物質(zhì)主要為砂質(zhì)黏土夾碎石和少量塊石。

6.2 試驗(yàn)布置

向家壩庫區(qū)趙家灣滑坡和土地垇滑坡所開展現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)布置見表1。

表1 現(xiàn)場直剪試驗(yàn)布置Table 1 Scheme of in-situ direct shear test

6.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

使用該大型原位直剪設(shè)備對向家壩水電站庫區(qū)的兩個典型滑坡堆積體開展了大型原位直剪試驗(yàn)，對趙家灣滑坡滑帶土、滑體土分別開展了1組原位直剪試驗(yàn)，其中滑帶土采用斜剪方式；對土地垇滑坡滑帶采用水平剪切方式開展了一組原位直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果及滑坡土體特性見表2，圖9為直剪試驗(yàn)剪應(yīng)力-位移曲線，圖10為試樣的剪切面照片。

6.3.1 滑帶土與滑體土直剪試驗(yàn)比較

趙家灣滑坡開展了滑帶土和滑體土的大型原位直剪試驗(yàn)，從圖10(a)、10(b)中所展示剪切面形態(tài)來看，滑帶土結(jié)構(gòu)致密，含石量較少，剪切面比較完整；滑體土結(jié)構(gòu)松散，含砂礫較多，剪切面松散破碎。

在同一地點(diǎn)開展的滑帶土和滑體土剪切試驗(yàn)，其含水率變化不大。從試驗(yàn)曲線來看，均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化現(xiàn)象，剪應(yīng)力隨位移增大后保持穩(wěn)定，無明顯峰值?？梢罁?jù)規(guī)范[14]說明，取等于剪切盒大小1/10的位移值相對應(yīng)的剪應(yīng)力作為試樣剪切破壞時的剪應(yīng)力值。將不同壓力等級下土體破壞時剪應(yīng)力進(jìn)行擬合可得到抗剪強(qiáng)度參數(shù)。其中，滑帶土的內(nèi)摩擦角為24.4°，黏聚力為37 kPa；滑體土的內(nèi)摩擦角為30.5°，黏聚力為24 kPa。

表2 土體特性與試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Properties of soil and test results

圖9 現(xiàn)場直剪試驗(yàn)曲線Fig.9 Curves of in-situ direct shear test

圖10 垂直壓力為150 kPa的試樣剪切面Fig.10 Shear surfaces under a vertical pressure of 150 kPa

6.3.2 不同滑坡直剪試驗(yàn)比較

趙家灣滑坡和土地垇滑坡相距10 km，地層巖性及滑坡物質(zhì)組成相似。然而其兩個滑坡滑帶土所表現(xiàn)出來的剪切特性和強(qiáng)度結(jié)果卻大不相同。土地垇滑坡滑帶土剪切試驗(yàn)中，剪切曲線表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，在剪應(yīng)力達(dá)到峰值之后快速下降至殘余值，然后保持穩(wěn)定。從剪切曲線來看，每一級壓力下的峰值剪應(yīng)力均比垂直壓力要大，在50、100、150、200 kPa壓力條件下峰值剪應(yīng)力是其垂直壓力的2.5、1.8、1.5、1.3倍。從擬合得到的抗剪強(qiáng)度參數(shù)來看，土地垇滑坡滑帶土峰值強(qiáng)度中黏聚力為114 kPa，內(nèi)摩擦角為35.3°。殘余剪應(yīng)力選取剪應(yīng)力變化穩(wěn)定之后的數(shù)值，擬合得到的殘余強(qiáng)度黏聚力為52 kPa，內(nèi)摩擦角為27°。殘余強(qiáng)度比峰值強(qiáng)度明顯要低，尤其是黏聚力減小了62 kPa。趙家灣滑坡滑帶土現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)中，每一級壓力下的峰值剪應(yīng)力均比垂直壓力小，所擬合得到的滑帶土強(qiáng)度參數(shù)黏聚力為37 kPa，內(nèi)摩擦角為24.4°，遠(yuǎn)比土地垇滑帶土強(qiáng)度參數(shù)要低。兩個滑坡地質(zhì)條件，滑坡組成物質(zhì)相似，滑帶土基本物理特性接近，試樣剪切面均比較完整，但抗剪強(qiáng)度參數(shù)及剪切曲線形態(tài)卻差異較大。

7 結(jié)論

（1）本文介紹了一種大型原位直剪設(shè)備，該設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合經(jīng)典直剪儀工作原理，具有大尺寸的剛性剪切盒，高精度自動化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用應(yīng)變控制加載能夠完整表現(xiàn)土體剪切過程中應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系。

（2）結(jié)合文中所述的大型原位直剪設(shè)備，介紹了大型原位直剪試驗(yàn)的主要方法，以及在大型原位直剪試驗(yàn)可能遇到的問題，對開展大型原位直剪試驗(yàn)具有重要的參考意義。

（3）通過對使用該直剪設(shè)備所進(jìn)行的滑坡滑帶、滑體現(xiàn)場大型原位直剪試驗(yàn)結(jié)果分析可知，趙家灣滑坡同一試驗(yàn)點(diǎn)滑帶土的黏聚力比滑體土高54%左右，而內(nèi)摩擦角要低23%。同一地區(qū)，不同滑坡滑帶強(qiáng)度參數(shù)可存在較大變化，其剪切曲線也可表現(xiàn)得完全不同，土地垇滑坡滑帶土的剪切曲線表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，其黏聚力將近為趙家灣滑帶土的3倍。兩個滑坡地層巖性、岸坡物質(zhì)成分雖相似，但得到的土體強(qiáng)度參數(shù)的差異較大。

（4）通過對不同岸坡進(jìn)行的直剪試驗(yàn)，充分表現(xiàn)了該大型原位直剪設(shè)備的優(yōu)良性能，能夠完整表現(xiàn)不同滑坡、不同土體剪切特性的差異性。大型原位直剪試驗(yàn)可以更加真實(shí)地反映土體的抗剪強(qiáng)度特性，但對于土體抗剪強(qiáng)度特性差異的內(nèi)在原因難以解析。

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