龐忠華

（廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

巖土體強度是邊坡穩(wěn)定分析與支護方案設(shè)計中的重要參數(shù)，受結(jié)構(gòu)面、地下水等多種因素影響，其參數(shù)取值一直是困擾工程設(shè)計人員的難題。一般來說，強度參數(shù)可以通過現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗以及工程類比等方法確定［1］。室內(nèi)試驗獲取的強度參數(shù)受試樣擾動、試樣尺寸等因素的影響很大，與工程現(xiàn)場巖土體所體現(xiàn)出的力學特性有所相差?，F(xiàn)場試驗對巖土體擾動小，巖土體的結(jié)構(gòu)性、含水率以及部分軟弱面都能在現(xiàn)場試樣中體現(xiàn)，所測得的力學參數(shù)具有較強的工程參考價值，許多國內(nèi)外重要工程的設(shè)計分析都是基于現(xiàn)場試驗所得力學參數(shù)。

邢皓楓等人［2］針對南水北調(diào)工程中復雜的沿線地質(zhì)條件，選取了幾個典型地段進行了現(xiàn)場大型直剪試驗，闡述了現(xiàn)場直剪試驗的方法和過程，并對剪應力與位移和正應力與剪應力間的關(guān)系曲線進行了分析和總結(jié)，提出了反映巖石不同狀態(tài)下的抗剪斷強度和抗剪強度，并以此參數(shù)和室內(nèi)試驗參數(shù)分別對邊坡穩(wěn)定進行分析對比，結(jié)果表明現(xiàn)場大型直剪試驗獲得的力學參數(shù)不僅真實可靠，而且對邊坡穩(wěn)定性分析與優(yōu)化設(shè)計也是至關(guān)重要的。劉斯宏等人［3］采用了一種新型現(xiàn)場直剪試驗法用于獲取宜興抽水蓄能電站上庫堆石料的抗剪強度，該方法通過鏈條張拉剪切框從而使試樣受剪，能克服剪切框內(nèi)壁摩擦對剪切面上正應力的影響，能更精確地測定試樣的抗剪強度。徐曉斌等人［4］對強風化花崗巖進行了原位直剪試驗，獲得了直剪試驗的剪應力-應變關(guān)系曲線，同時對其剪切強度性質(zhì)進行了相應的理論分析，最終得出工程設(shè)計所需參數(shù)c、φ值。程東幸等人［5］為了得到粗顆粒鹽漬土的強度特性，在地層結(jié)構(gòu)、易溶鹽、地基土顆粒分析的基礎(chǔ)上，選擇甘肅河西走廊一在建電廠的典型粗顆粒鹽漬土場地進行了現(xiàn)場和室內(nèi)剪切試驗研究。徐寧等人［6］對碾壓成型后的建筑垃圾進行篩分試驗，分析了建筑垃圾級配，得到了建筑垃圾顆粒破碎的分維，并根據(jù)現(xiàn)場大型直剪試驗結(jié)果，得到了不同正應力下剪應力-剪切位移和剪應力-正應力的關(guān)系曲線，確定了建筑垃圾剪切強度的峰值和殘余值參數(shù)。侯光榮［7］為了驗證填方邊坡的穩(wěn)定性，采用了現(xiàn)場直剪試驗測定填土的實際c、φ值。該填土的地基處理采用分層填土碾壓及分層強夯的地基處理方法，以保證邊坡的穩(wěn)定和滿足坡頂建筑物的承載力和沉降要求。黃劍宇［8］先通過試驗量測粘性土的土水特征曲線，后利用土水特征曲線預測土的抗剪強度，并將預測值與等吸力直剪抗剪強度值進行對比分析。徐曉宇等人［9］以廣州地區(qū)花崗巖殘積土為研究對象，進行了一系列室內(nèi)直剪試驗，分析了試驗中剪切速率、加載級數(shù)和破壞值選取的綜合影響。

本文對廣東省惠州市博羅縣某建筑邊坡工程中的全風化花崗巖進行了不同正應力下的現(xiàn)場直剪試驗，了解其力學特性，分析了土體在受力過程中的應力應變特征，并獲得了其強度參數(shù)，為邊坡穩(wěn)定分析與工程設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試樣與試驗方案

1.1 試樣

未擾動全風化花崗巖試樣位于惠州市博羅縣某建筑邊坡，取樣深度5.0 m，如圖1所示，需要注意的是圖1 中地面并非原地面。根據(jù)地勘報告，土體母巖為燕山晚期花崗巖（r53）。土樣主要呈黃褐、肉紅、灰白等色，并夾雜著黑點。未擾動土樣原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，但尚可辨認，有殘余結(jié)構(gòu)強度，可用鎬挖，干鉆可鉆進，標貫擊數(shù)N=37，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范：GB 50021—2001》［10］表A.0.3 的分類標準，該土樣風化程度為全風化。

圖1 土樣現(xiàn)場Fig.1 Soil Sample Site

1.2 試驗裝置

本次試驗采用上部堆載的方式施加法向荷載，剪切荷載通過一支撐在側(cè)向土壁上的千斤頂施加，直剪試驗簡圖如圖2?所示，現(xiàn)場局部如圖2?所示。

圖2 現(xiàn)場直剪試驗及裝置局部Fig.2 Field Shearing Test and Partial of the Device

土樣尺寸為長×寬×高=600 mm×500 mm×350 mm，剪切盒由4 塊20 mm 厚的鋼板拼接而成，尺寸為長×寬×高=600 mm×500 mm×300 mm。法向荷載和切向荷載通過2 個獨立的千斤頂分別進行施加，法向千斤頂位于土樣頂中心位置處，為了防止土樣頂部被局部壓壞，在千斤頂與土樣之間放置1 塊厚度20 mm 的鋼墊板，切向千斤頂位于剪切盒側(cè)面1/3高度處，剪切荷載直接施加于剪切盒側(cè)板。試驗過程中通過2個對稱放置于土樣頂面墊板上的百分表來測量土樣的法向位移，并通過2 個對稱放置于剪切盒后側(cè)板的百分表來測量土樣的切向位移，如圖2?所示。

1.3 試驗方法

現(xiàn)場開挖2 個試坑，每個試坑的5 個土樣為1 組，共2 組試驗。開挖制備土樣時參考文獻［1］的開挖方法，用小鎬與手工鋸先將土樣修割成上小下大的四棱柱狀，再將拼接好的剪切盒套在土樣頂部，然后一邊修整下部土體一邊將剪切盒逐漸往下套入，直到達到預定位置。需要注意的是，為了使剪切盒與土樣緊密接觸，試驗前在剪切盒與土樣間灌入風干的細砂，并用膠錘輕輕敲擊剪切盒側(cè)板使細砂更加密實。

每組的5個土樣分別在法向荷載0 kN、15 kN、30 kN、45 kN、60 kN下進行剪切，即正應力分別為0 kPa、50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。法向荷載分5 級等荷施加，每一級荷載作用下土樣豎向位移在任意5 min 內(nèi)小于0.01 mm，即認為穩(wěn)定，即可施加下一級荷載直至預定值。隨后保持法向荷載不變，通過切向千斤頂采用應力控制的方式對土樣施加剪切荷載。剪切荷載按預估最大荷載的10%分級等荷施加，每一級荷載作用下的土樣剪切位移在任意5 min 內(nèi)小于1 mm 認為其穩(wěn)定，即可施加下一級荷載直至土樣破壞。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 剪應力-剪應變關(guān)系

2 組試驗的剪應力-剪應變關(guān)系曲線如圖3 所示，圖3中標注的壓力值為土樣所受正應力。

圖3 2組土樣不同法向荷載作用下剪應力-剪應變關(guān)系曲線Fig.3 The Shear Stress-shear Strain Relation Curves under Different Normal Stress of Soil Specimen

可以看出，在剪切初始階段，剪切面上的剪應力隨著剪應變的逐漸發(fā)展而不斷增大，土體呈應變硬化；當剪應變增大到一定時，剪應力達到最大，隨后隨著剪應變的增加，各試樣剪應力呈現(xiàn)出不同程度的下降，呈應變軟化，最終趨于某一穩(wěn)定值。土樣承受的正應力越大，峰值剪應力也越大。值得注意的是，第1組土樣在不同正應力水平下的峰值剪應力對應的剪應變略高于第2 組土樣，這表明第1 組土樣有著更好的塑性。

2.2 法向位移-剪應變關(guān)系

2 組試驗剪切過程中的法向位移-剪應變關(guān)系曲線如圖4所示，土樣頂面位移向下（剪縮）為正，位移向上（剪脹）為負。

圖4 2組土樣不同法向荷載作用下法向位移-剪應變關(guān)系曲線Fig.4 The Normal Deformation-shear Strain Relation Curves under Different Normal Stress of Soil Specimen

可以看出，當土樣所受正應力較小時（0 kPa、50 kPa），剪切過程中土樣頂面位移一直向上，即土樣一直呈剪脹狀態(tài)；隨著正應力的不斷增大，土樣逐漸從一直剪脹漸變到先剪縮后剪脹，達到壓力為200 kPa 時，第二組試驗中的土樣呈現(xiàn)出一直剪縮的變形特征。這在一定程度上表明土樣所受正應力大小決定了剪切過程中土樣法向變形特征。

2.3 土樣破壞包線

將2組試驗中各土樣在不同法向荷載作用下剪切面上的峰值剪應力-正應力繪制如圖5所示。

圖5 2組土樣不同法向荷載作用下峰值剪應力-正應力數(shù)據(jù)點線性擬合Fig.5 The Peak Shear Stress-normal Stress under Different Normal Stress of Soil Specimen

可以看出，2 組試驗中土樣的峰值剪應力τmax-正應力σ試驗點均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，線性擬合結(jié)果如下：

第一組試驗：τ=1.137 2σ+76.14（R2=0.907 3）⑴

第二組試驗：τ=2.346σ+45.2（R2=0.992 6） ⑵

從式⑴、式⑵可以得出，第一組試驗土樣的粘聚力c=76.14 kPa，內(nèi)摩擦角φ=48.7°；第二組試驗土樣的粘聚力c=45.2 kPa，內(nèi)摩擦角φ=66.9°。

3 結(jié)論

本文對惠州地區(qū)未擾動全風化花崗巖進行了不同正應力水平下的現(xiàn)場直剪試驗，得出以下結(jié)論：

⑴不同正應力水平下，未擾動全風化花崗巖在剪切過程中達到峰值剪應力后均呈現(xiàn)出不同程度的應變軟化，土樣所受正應力越大，其峰值剪應力也越大。

⑵土樣所受正應力大小決定了剪切過程中法向變形特性，正應力較小時，土樣一直呈剪脹，隨著正應力不斷增大，土樣從一直剪脹逐漸過渡為先剪縮后剪脹。

⑶土樣強度準則可采用摩爾-庫倫準則，不同正應力條件下的峰值剪應力-正應力數(shù)據(jù)點線性擬合良好，得出的強度參數(shù)c、φ可為邊坡穩(wěn)定分析及設(shè)計優(yōu)化提供參考。