摘要：為了解決黏土層間黏結(jié)強(qiáng)度弱，受擾動(dòng)后易開(kāi)裂，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)試驗(yàn)難度較大，并且結(jié)構(gòu)面發(fā)育的硬質(zhì)黏土原位剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)匱乏的問(wèn)題，針對(duì)緩傾角順層結(jié)構(gòu)面發(fā)育的第四系中更新統(tǒng)硬質(zhì)黏土進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同豎向壓力級(jí)別，對(duì)比室內(nèi)剪切試驗(yàn)及室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果，探討結(jié)構(gòu)面發(fā)育的硬質(zhì)黏土剪切強(qiáng)度及剪切破壞模式，合理確定硬質(zhì)黏土的剪切強(qiáng)度。結(jié)果表明：在原位剪切過(guò)程中，硬質(zhì)黏土的剪切強(qiáng)度受結(jié)構(gòu)面控制；綜合分析土體結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)結(jié)果，硬質(zhì)黏土的剪切強(qiáng)度可取內(nèi)摩擦角為14.1°，黏聚力為27kPa；除室內(nèi)三軸試驗(yàn)中的黏聚力外，原位剪切試驗(yàn)硬質(zhì)黏土的剪切強(qiáng)度普遍小于室內(nèi)試驗(yàn)硬質(zhì)黏土的剪切強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：土力學(xué)；剪切強(qiáng)度；原位剪切試驗(yàn)；結(jié)構(gòu)面；黏土

中圖分類號(hào)：TU14

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Tosolvetheproblemofweakbondingstrengthbetweenclaylayersandeasytocrackafterbeingdisturbed，makingitdifficulttotakesamplesatthesiteandindoortests，andresultinginrelativelackofinsitusheartestdataofflintclaywithdevelopmentalstructuralplanes，fieldinsitusheartestswerecarriedoutonquaternarysystemholoceneseriesflintclaydevelopedbyslowinclinationalongstructuralplanes.Shearstrengthandshearfailuremodeofflintclaywithdevelopmentalstructuralplaneswerediscussedbydesigningdifferentverticalpressurelevelsandcomparingresultsofindoorsheartestandindoortriaxialtest，andtheshearstrengthofflintclaywasreasonablydetermined.Theresultsshowthattheshearstrengthofflintclayiscontrolledbythestructuralplanesduringinsitushearing.Basedoncomprehensiveanalysisofsoilstructureandtestresults，theshearstrengthofflintclaycanbetakenasinternalfrictionangleof14.1°andcohesionof27kPa.Inadditiontothecohesionintheindoortriaxialtest，theshearstrengthofflintclayobtainedbyusinginsitusheartestisgenerallylessthanthatobtainedbyusingindoortests.

Keywords：soilmechanics;shearstrength;insitusheartest;structuralplane;clay

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42002257）

第一作者簡(jiǎn)介：陸海玉（1978—），男，山東汶上人。高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)。Email：29442210@qq.com。

通信作者簡(jiǎn)介：王潤(rùn)澤（1994—），男（回族），河南周口人。工程師，碩士，研究方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)。Email：2812017071@qq.com。

網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址：https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.N.20220720.1334.008.html

某水閘工程區(qū)域?yàn)楹喑练e區(qū)域，巖性主要為第四系上更新統(tǒng)硬黏土。該層硬黏土既不屬于一般性質(zhì)的土體，也不屬于成巖作用完成的泥巖，而是介于兩者之間。受沉積環(huán)境影響，土體呈硬塑-堅(jiān)硬狀態(tài)，層狀構(gòu)造，沉積厚度約為15～30cm。黏土結(jié)構(gòu)面以緩傾角順層發(fā)育，層間黏結(jié)強(qiáng)度較弱，受擾動(dòng)后易沿層面開(kāi)裂、滑移，力學(xué)性質(zhì)較復(fù)雜，存在抗滑穩(wěn)定問(wèn)題，因此進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)確定黏土層剪切強(qiáng)度十分必要。

原位剪切試驗(yàn)可以有效地減少土體擾動(dòng)，保持巖土體的天然結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，獲得的巖土體物理力學(xué)參數(shù)更具有代表性。李金［1］對(duì)復(fù)雜層狀巖石抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度受多重因素影響，現(xiàn)場(chǎng)剪切數(shù)據(jù)更符合工程實(shí)際。葛明明等［2］對(duì)南水北調(diào)工程的黃土進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明，原位剪切試驗(yàn)在一定程度上保持了原狀土體的應(yīng)力狀態(tài)，能較真實(shí)地反映所測(cè)土體的剪切強(qiáng)度。楊繼紅等［3］、趙德安等［4］、丁自偉等［5］、油新華等［6］、Pratt等［7］、Brosse等［8］針對(duì)不同類型巖土體進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明，原位剪切試驗(yàn)可以有效地反映巖土體結(jié)構(gòu)特性，相較于室內(nèi)試驗(yàn)，具有更好的工程借鑒意義。除原位剪切試驗(yàn)外，陳鐵林等［9］對(duì)結(jié)構(gòu)型黏土的壓縮和剪切特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性黏土壓縮曲線具有明顯屈服點(diǎn)，土體可抽象為結(jié)構(gòu)體及結(jié)構(gòu)面2種介質(zhì)。張永雙等［10］對(duì)南水北調(diào)中線的第三系膨脹性硬黏土工程特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)大多硬黏土具有膨脹性，并且工程性質(zhì)隨環(huán)境變化而顯著惡化，屬于黏土與泥巖的過(guò)渡類型。熊詩(shī)湖等［11］對(duì)層狀軟巖進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)剪切及載荷等試驗(yàn)，結(jié)果表明，軟巖層面的剪切強(qiáng)度明顯小于三軸試驗(yàn)中巖體的剪切強(qiáng)度。張澤林等［12］、張建華等［13］通過(guò)對(duì)巖體軟弱夾層進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)研究，得出原位剪切試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)所得內(nèi)摩擦角比值為0.77～0.87，黏聚力比值為0.84～0.89，相對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)，原位剪切試驗(yàn)所得原狀黃土剪切強(qiáng)度普遍較小。

以上研究以層狀巖石、巖石結(jié)構(gòu)面、泥化夾層的室內(nèi)試驗(yàn)為代表，而針對(duì)半成巖狀態(tài)結(jié)構(gòu)面發(fā)育的硬質(zhì)黏土及原位剪切試驗(yàn)研究較少［14-21］，因此有必要開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，進(jìn)一步研究黏土結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)性質(zhì)。本文中針對(duì)緩傾角順層結(jié)構(gòu)面的第四系中更新統(tǒng)硬質(zhì)黏土進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同應(yīng)力級(jí)別，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比較，探討硬質(zhì)黏土的剪切強(qiáng)度及剪切破壞模式。

1試驗(yàn)

1.1地質(zhì)概況

以某水閘工程區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)場(chǎng)區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)黏土結(jié)構(gòu)面如圖1所示。該水閘基礎(chǔ)為第四系中更新統(tǒng)黏土，沉積厚度約為15～30cm，黏土結(jié)構(gòu)面主要近水平順層分布，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀傾向?yàn)楸逼珫|5°～17°，傾角為4°～17°。局部地層夾雜灰綠色粉砂薄層，層厚約為0.5～1.0cm，呈互層狀。黏土層間黏結(jié)強(qiáng)度較弱，層狀巖土體受水平力作用形成層間力偶，結(jié)構(gòu)面受內(nèi)外力作用后，巖土體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移，造成結(jié)構(gòu)面上下層錯(cuò)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生巖土體失穩(wěn)。巖土體力學(xué)性質(zhì)較復(fù)雜，取現(xiàn)場(chǎng)原狀試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，獲取原狀黏土物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

1.2試驗(yàn)布置

試驗(yàn)儀器布置示意圖如圖2所示，原位剪切試驗(yàn)布置圖如圖3所示。垂向及水平向加載設(shè)備各采用一臺(tái)50t級(jí)千斤頂，安裝位置在試樣剪切面中線，提供剪切荷載；傳力設(shè)備為長(zhǎng)度是10～50cm的鋼制傳力桿，根據(jù)試樣與反力支架之間的距離，傳力桿之間可通過(guò)螺紋相互搭接調(diào)整間距，從而保證荷載能穩(wěn)定傳遞至反力支架；測(cè)量設(shè)備包括位移傳感器及應(yīng)力傳感器。為了保證試驗(yàn)精度，位移傳感器的量程為20cm，精度為0.01mm，位移傳感器布置于試樣法向及切向的4個(gè)角點(diǎn)，包括4支法向位移傳感器及4支切向位移傳感器；力傳感器安裝于千斤頂前部，量程為50t，精度為1kg，用于測(cè)量法向及切向荷載。所有傳感器數(shù)據(jù)均利用數(shù)據(jù)箱實(shí)時(shí)采集、記錄。反力設(shè)備包括反力支架和輔助設(shè)備等。

基坑開(kāi)挖完成后，沿閘基底高程位置按照矩形布設(shè)原位剪切試驗(yàn)試樣，尺寸為0.71m×0.71m×0.40m（長(zhǎng)度×寬度×高度）。由于土體結(jié)構(gòu)面分布存在不均一性，為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有代表性，減少試驗(yàn)誤差，試樣分為4個(gè)平行試驗(yàn)組，編號(hào)為A、B、C、D。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，水閘最大豎向壓力為300kPa。為了便于試驗(yàn)分級(jí)，試樣上部施加豎向壓力分為80、16、240、320kPa，上覆壓力包括試樣、儀器、施加反力等。根據(jù)豎向壓力分級(jí)，每組試驗(yàn)布置4個(gè)試樣，共布置16個(gè)試樣，試樣間距為1.5m，以減少試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力影響。

該層黏土結(jié)構(gòu)面發(fā)育，垂向及法向強(qiáng)度具有各向異性，采用挖掘機(jī)或松土器等機(jī)械進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，沖擊、震動(dòng)等影響較大，會(huì)造成試樣的層間松動(dòng)、鼓起開(kāi)裂等結(jié)構(gòu)性破壞。由于試樣尺寸較大，因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，試樣采用模具固定預(yù)留保護(hù)層后，通過(guò)人工逐層分級(jí)開(kāi)挖，從而減少土體結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)破壞，保證試樣結(jié)構(gòu)的原始狀態(tài)。達(dá)到所需試樣尺寸后，采用粉砂填充試樣套裝剪切盒和試樣局部存在的縫隙。在試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)設(shè)備進(jìn)行安全檢查及校準(zhǔn)。

1.3試驗(yàn)方案

采用控制應(yīng)變方式測(cè)定土體受法向應(yīng)力條件下沿固定剪切面的剪切強(qiáng)度。采用平推法沿水閘上游向下游剪切，模擬水庫(kù)蓄水后水的推力。采用堆載法模擬上部荷載作用。

剪切設(shè)備布置完成后，對(duì)試樣分級(jí)施加相應(yīng)的豎向壓力，通過(guò)數(shù)據(jù)采集箱實(shí)時(shí)記錄傳感器測(cè)量的法向應(yīng)力及法相位移數(shù)據(jù)。在豎向壓力穩(wěn)定時(shí)，即各測(cè)量?jī)x器連續(xù)2次垂直變形的讀數(shù)相差不超過(guò)0.01mm后，施加剪切荷載。

按照預(yù)估最大值分為8～10級(jí)加載剪切荷載，當(dāng)后一級(jí)荷載的變形量為前一級(jí)的1.5倍以上時(shí)，應(yīng)將級(jí)差減為1/2或1/3進(jìn)行加載。

剪切荷載一般按照2min加載一級(jí)，當(dāng)剪切變形急劇增長(zhǎng)或剪切變形量達(dá)到試樣尺寸的1/10時(shí)，可以認(rèn)為土體破壞。

2結(jié)果與分析

2.1切應(yīng)力-剪切位移曲線

天然狀態(tài)下黏土為多相混合介質(zhì)，力學(xué)特性受黏土本身成分性質(zhì)、顆粒組成等多種因素的影響。在本試驗(yàn)中，場(chǎng)區(qū)黏土土體呈硬塑至堅(jiān)硬狀態(tài)，處于土體與軟巖之間的過(guò)渡類型。黏土結(jié)構(gòu)面較平直連續(xù)，層間黏結(jié)強(qiáng)度弱，是剪切強(qiáng)度評(píng)價(jià)中不可忽略的影響因素。

原位剪切試驗(yàn)4組試樣的切應(yīng)力-剪切位移曲線如圖4所示。對(duì)比吳旭陽(yáng)等［22］的黃土切應(yīng)變?cè)囼?yàn)中對(duì)切應(yīng)力-剪切位移曲線硬化-軟化特征的分類方式，本試驗(yàn)中切應(yīng)力-剪切位移曲線具有如下特征：試樣整體呈現(xiàn)弱軟化性，當(dāng)豎向壓力為240、320kPa時(shí)，試樣呈現(xiàn)一般軟化型。

根據(jù)試驗(yàn)中剪切面受力后的結(jié)構(gòu)變化及裂隙發(fā)展?fàn)顟B(tài)，每個(gè)試樣的切應(yīng)力-剪切位移曲線可分為4個(gè)階段：1）線彈性變形階段。隨著剪切位移的增大，切應(yīng)力近似線性增大。由于試樣土顆粒間存在孔隙，因此在試樣初始受力擠密期間，切應(yīng)力-剪切位移曲線存在一段非線性增長(zhǎng)階段。2）彈塑性變形階段。試樣開(kāi)始出現(xiàn)塑性破壞，可以認(rèn)為試樣內(nèi)土體顆粒出現(xiàn)剪切錯(cuò)動(dòng)，開(kāi)始出現(xiàn)剪切裂隙。3）峰值增長(zhǎng)階段。隨著試樣在極限應(yīng)力條件下破壞，可以認(rèn)為隨著切應(yīng)力的增大，試樣整體剪切位移逐漸增大，內(nèi)部剪切裂隙逐步發(fā)展延伸，互相連接貫通，直至形成完整的剪切破壞面。4）應(yīng)變軟化階段。該階段試樣的切應(yīng)力達(dá)到峰值后，隨著剪切位移的增大，形成完整的連續(xù)剪切破裂面，試樣間產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，切應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸平穩(wěn)略有減小的狀態(tài)。

分析同一組內(nèi)不同荷載分級(jí)的試驗(yàn)，隨著豎向壓力分級(jí)的增大，試樣剪切強(qiáng)度呈增大狀態(tài)，豎向壓力的增大使試樣的彈性模量增大，試樣剪切強(qiáng)度增大。不同分級(jí)條件下原位剪切試驗(yàn)4組試樣的剪切荷載峰值強(qiáng)度如表2所示。

2.2剪切強(qiáng)度取值

根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算公式［23］為

τ=σtanφ+c，（1）

式中：τ為剪切破壞面上的切應(yīng)力；σ為破壞面上的法向應(yīng)力；φ為巖土體的內(nèi)摩擦角；c為巖土體的黏聚力。

根據(jù)不同等級(jí)豎向壓力所對(duì)應(yīng)的切應(yīng)力峰值強(qiáng)度，原位剪切試驗(yàn)4組試樣的切應(yīng)力-豎向壓力曲線如圖5所示，原位剪切試驗(yàn)4組試樣的剪切強(qiáng)度如表3所示。由表可知，內(nèi)摩擦角為13.8°～14.8°，黏聚力為31～50kPa，試樣內(nèi)摩擦角的小值平均值為14.1°，黏聚力的小值平均值為27kPa。為了對(duì)比硬質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)面在不同試驗(yàn)條件下對(duì)剪切強(qiáng)度的影響程度，對(duì)4組試樣所在位置的原狀試樣進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn)及室內(nèi)三軸試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。由表可知：室內(nèi)剪切試驗(yàn)原狀試樣內(nèi)摩擦角的小值平均值為16.1°，黏聚力的小值平均值為45kPa；室內(nèi)三軸試驗(yàn)原狀試樣的內(nèi)摩擦角小值平均值為34.1°，黏聚力的小值平均值為22kPa。原位剪切試驗(yàn)與室內(nèi)剪切試驗(yàn)原狀試樣的內(nèi)摩擦角之比為0.88，黏聚力之比為0.60。原位剪切試驗(yàn)得到的剪切強(qiáng)度（內(nèi)摩擦角、黏聚力）均小于室內(nèi)剪切試驗(yàn)結(jié)果。原位剪切試驗(yàn)所得的內(nèi)摩擦角小于室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果，黏聚力大于室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果。

2.3尺寸效應(yīng)影響

室內(nèi)試驗(yàn)中環(huán)刀直徑為61.8mm，與本次原位剪切試驗(yàn)中剪切盒剪切面尺寸存在巨大差異。試驗(yàn)儀器、方法的局限性使得室內(nèi)試驗(yàn)的試樣經(jīng)過(guò)取樣、運(yùn)輸、制備等多個(gè)環(huán)節(jié)，因此結(jié)構(gòu)面發(fā)育的黏土試樣不易保證試樣的完整性。由于取樣尺寸、位置的限制，無(wú)法有效反映土體存在的結(jié)構(gòu)面特征，因此尺寸效應(yīng)會(huì)影響試驗(yàn)時(shí)結(jié)構(gòu)面的力學(xué)變化響應(yīng)。

沿結(jié)構(gòu)面剪斷的典型剪切破壞面如圖6所示。

從圖中可以看出：剪切面沿天然結(jié)構(gòu)面黏結(jié)強(qiáng)度最弱處被剪斷。試樣強(qiáng)度受剪切面控制，剪切面一般較平坦光滑，呈現(xiàn)蠟狀光澤，存在明顯的擦痕和階步，僅局部剪切面呈鋸齒狀，沿土體本身剪斷。

室內(nèi)試驗(yàn)試樣受到運(yùn)輸擾動(dòng)，剪切面受到試樣取樣位置的影響，并且試樣體積較小，室內(nèi)試驗(yàn)多反映土體本身的性質(zhì)，無(wú)法準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性。原位剪切試驗(yàn)結(jié)果能更有效地反映土體整體的真實(shí)物理力學(xué)性質(zhì)，剪切強(qiáng)度趨于準(zhǔn)確。與原位剪切試驗(yàn)相比，室內(nèi)剪切試驗(yàn)結(jié)果偏大，直接應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)存在一定風(fēng)險(xiǎn)性，因此在采用室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)結(jié)合巖土體的工程特性（永久性或臨時(shí)性）、荷載特性（水平荷載或垂直荷載）、地下水位的影響等因素綜合確定。

3結(jié)論

本文中通過(guò)設(shè)置多組原位剪切試驗(yàn)，探討了結(jié)構(gòu)面發(fā)育的硬質(zhì)黏土剪切強(qiáng)度和應(yīng)力響應(yīng)過(guò)程，通過(guò)對(duì)比室內(nèi)剪切試驗(yàn)及室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果，提出可靠的剪切強(qiáng)度指標(biāo)，為水閘地基的抗滑穩(wěn)定分析提供了依據(jù)，得到以下主要結(jié)論：

1）在原位剪切過(guò)程中，試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)硬質(zhì)黏土剪切破壞主要受原始結(jié)構(gòu)面控制，試樣受荷過(guò)程整體呈現(xiàn)塑性變形特征，表現(xiàn)出全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，包括線彈性變形階段、彈塑性變形階段、峰值增長(zhǎng)階段及應(yīng)變軟化階段。

2）綜合分析土體結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)結(jié)果，硬質(zhì)黏土的剪切強(qiáng)度可取內(nèi)摩擦角為14.1°，黏聚力為27kPa。

3）室內(nèi)剪切試驗(yàn)和室內(nèi)三軸試驗(yàn)所得的剪切強(qiáng)度與原位剪切試驗(yàn)所得的剪切強(qiáng)度相比存在一定差異，原位剪切試驗(yàn)所得的剪切強(qiáng)度均小于室內(nèi)剪切試驗(yàn)結(jié)果。原位剪切試驗(yàn)所得的內(nèi)摩擦角小于室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果，黏聚力大于室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果。試樣尺寸限制使得結(jié)構(gòu)面的空間分布及組合特性在室內(nèi)試驗(yàn)中無(wú)法得到有效復(fù)現(xiàn)和處理。

4）原位剪切試驗(yàn)結(jié)果較客觀、真實(shí)，因此對(duì)于關(guān)鍵性重要工程，建議采用原位剪切試驗(yàn)參數(shù)，并結(jié)合工程影響因素進(jìn)行綜合分析和確定。

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（責(zé)任編輯：王耘）