大型原位直剪试验设备改进研制与应用

胡 伟，闵 弘，陈 健，徐开民

（中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉430071 ）

1 引言

我国西南大型水电库区分布着大量由滑坡堆积、崩坡堆积、残坡堆积等形成的岸坡。这些岸坡一般由土夹碎石或碎石块夹土等土石混合材料组成，物质组成复杂，大粒径组分含量较多，室内试验研究这类材料受限于试样的尺寸，难以得到接近真实赋存环境下的材料特性。由于现场原位剪切试验的试样尺寸大，对土体扰动小，更接近工程受荷变形，能更好地反映岩土体材料强度特性的实际情况。本文介绍了中国科学院武汉岩土力学研究所改进研制的现场大型原位直剪设备，结合水电站库区典型滑坡的原位大型直剪试验，对现场大型直剪试验具体试验方法和试验注意事项做出了说明，并对库区滑坡现场大型直剪试验的结果进行了分析。

2 现场原位剪切试验研究现状

现场原位剪切试验因其操作简单，适用于多种岩土体材料的原位抗剪强度测试，在科研与工程中得到广泛运用。目前常用的原位剪切测试方法可分为直接测试法和间接测试法。

直接测试法：即直剪法，如图1(a)所示，在原状试样上套一刚性筒，然后在试样上施加垂直压力，再对刚性筒施加水平推力直至试样破坏，记录整个过程中的水平推力和位移。通过多次不同垂直压力下的剪切试验，通过摩尔-库仑定律确定土体的抗剪强度。

间接测试法：即推剪法，如图1(b)所示，试验时，首先在被测试土体一端挖坑，用以安装水平推力装置和测量表等，然后在测试土体左、右两侧挖槽，使被测试土体与非测试土体断开，并且在试样左、右两侧支撑挡板防止土体发生侧向位移。测试土体表面应平整，准备就绪后，逐级施加水平推力至土体发生滑动破坏，并测量推力过程中随机测量的推力和位移。通过记录的测试数据，按极限平衡理论，建立平衡方程，分析计算出土体的抗剪强度指标。

目前所开展的原位剪切试验中所采用的剪切设备，多是根据试验方法和试验材料的特点自行设计组装的。吴硕[1]、油新华[2]等使用推剪法对库区滑坡土石混合体开展了大型剪切试验；郭捷等[3]在推剪试验中使用有机玻璃作为两侧挡板来观测土体剪切破坏过程；傅华等[4]通过使用直剪法法研究了堆石料与基岩面的抗剪强度指标；杨继红等[5]采用直剪法对滑坡试验硐内的堆积体进行了原位剪切试验；罗丽娟等[6]使用直剪法对黄土滑坡滑带进行了500 mm×600 mm×800 mm尺寸的大型原位剪切试验，并且对比分析了与室内三轴试验结果的差异。

直接测试法需要测试多个压力级别的试样方能拟合计算出土体强度参数。该方法中试样是在刚性筒与试坑底面之间破坏，由于试坑底面土体没有刚性约束，难以保证剪切破坏面是水平的，且一组中不同压力级别的试样剪切破坏面也难以保持形态上的一致。李沛[7]通过试验证实了直接剪切法中土体剪切破坏面是由直线型和抛物线形组合而成的复杂形态，且表明了只有当剪切破坏面约等于剪盒面积时才可用摩尔-库仑定律计算抗剪强度。

间接测试法仪器简单，只需开展1个试样测试，但数据处理麻烦，不同学者采用不同的分析方法获得的结果也会有差异。该方法中试样上无法施加垂直压力，不能体现土体的真实应力状态。

针对现有大型原位剪切试验方法和设备的不足，有必要开发研制一款符合经典直剪原理且适用性较强的现场原位大型直剪设备。

图1 土体抗剪强度现场测试方法Fig.1 Testing method of in-situ shear strength

3 大型原位直剪设备研制

直剪试验最早在100多年前被Alexandre Collin用于边坡稳定研究[8]。目前，室内直剪仪的开发和研制技术比较成熟，除了常规的小型直剪仪外，国内外均研制出了一些大型直剪仪，剪切盒形式繁多，尺寸大小不一，其中最大为280 cm×280 cm×92 cm[9]。室内直剪仪样式繁多，但基本原理相同，都是将试样装填入剪切盒内，分别在不同的垂直压力下，施加水平剪切力进行剪切，使试样在上、下剪切盒之间的水平面上发生剪切至破坏，得到破坏时的剪切应力τ，根据摩尔-库仑定律确定土的内摩擦角φ和黏聚力c。

根据经典的直剪测试方法原理，闵弘等[10]开发了一款现场、室内两用大型直剪仪。刘小丽等[11]通过对干砂的直剪试验全面测试了该直剪仪的工作性能。冯俊德等[12]使用该直剪设备对云南某铁路的冰碛土开展了原状样、重塑样的循环剪切试验。王新刚等[13]使用该直剪设备对西藏帮铺矿区的碎石土开展了一系列的剪切试验。王光进等[14]使用该直剪设备对粗粒在剪切过程中的破碎现象进行了研究。刘小丽等[15]曾将该直剪设备运到试验现场对泄滩滑坡滑带土开展了一系列的大型剪切试验。

在以上科研试验中，该室内、现场两用直剪仪均表现出了良好的工作性能。但由于该直剪设备主要工作部件需固定在支撑框架上，体积庞大，重量将近4 t，对于场地条件复杂的试验点，该直剪设备难以运输装配，难以实现试样修筑于试坑底部的原位试样的剪切。为了完成复杂场地条件下的大型原位直剪试验，中国科学院武汉岩土力学研究所在室内、现场两用大型直剪仪的剪切盒的基础上，改进研制了一套更加适应现场原位剪切试验条件且符合室内大型直剪仪工作原理的大型原位直剪设备。

该大型原位直剪设备的工作部分可分为：剪切盒、垂直加载系统、水平加载系统、数据测量系统。如图2所示，各部分工作原理如下：

（1）剪切盒

剪切盒为方形，分为上、下两个剪切盒，上、下剪切盒通过滚珠接触。剪切盒由30 mm厚钢板拼接而成，在保证足够刚度的同时方便拆卸运输。

剪切盒结构和尺寸与室内现场两用大型直剪仪的剪切盒[9]一致，净空几何尺寸长×宽×高＝500 mm×500 mm×410 mm。适用于最大粒径小于50 mm的试样，研究表明，当试样中最大粒径小于试样尺寸8～10倍时，可不受剪切盒约束的影响。通过改变滚珠的直径来开设不同宽度的剪切缝以适应不同级配的试样，剪切缝宽度最大可开设为10 mm。

（2）垂直加载系统

该系统包括垂直液压千斤顶、垂直传力盖板、滚轴排及垂直压力传感器。试验过程中，垂直压力通过千斤顶施加，最大法向压力设计为200 kN。在加压的过程中可同时通过液压油表和电脑中数据采集程序读取垂直压力数值。滚轴排可保证在剪切过程中千斤顶不随上剪切盒一起移动。千斤顶靠堆载平台提供反力，为了保证试验过程中堆载平台的稳定性，堆载平台的重量要大于试验中所施加的最大垂直压力。

（3）水平加载系统

该系统包括水平液压千斤顶、电动伺服油泵、水平反力挡板及水平压力传感器。水平推剪力通过电动伺服油泵驱动千斤顶施加，可以通过调节油泵的出油量来改变推进的速率，达到应变控制式直剪试验的效果。

（4）数据测量系统

该系统包括数据采集仪，水平、垂直荷载传感器和位移传感器。数据采集仪可对试验过程中传感器中的数据自动采集，采集频率可以任意设置。荷载传感器的测量精度为0.02 kN。试样的水平和法向位移由位移传感器测定，其测量精度为0.002 mm。数据采集仪可通过连接电脑，实时地显示试验过程中数据的变化。

该大型原位直剪设备的突出优点如下：

（2）采用上、下两个剪切盒，保证试样沿预定剪切面破坏，符合经典直剪仪设计原理。

（3）该直剪设备为应变控制式，可以较好地反映剪切过程中应力-应变关系。

（4）测量系统精度、自动化程度较高，可以实时观测试验中数据的变化。

图2 现场直剪设备示意图Fig.2 Sketch of in-situ direct shear apparatus

4 大型原位直剪试验方法

大型原位直剪试验试样的制备和设备的安装比室内直剪试验困难，在试验场地的选取、试样制备、仪器安装、试验操作观察各个环节都需要认真仔细，方能保证试验安全和有效地进行。以下结合现场大型直剪试验实例，对现场试验的主要环节进行说明。

4.1 试验场地选取

根据相关试验规范[16]要求，每组现场试验需要3～4个性质相近的试样在不同垂直压力下进行剪切。本文中主要以库区滑坡现场大型直剪试验为实例进行相关方法介绍，库区滑坡土体空间变异性较大，往往难以找到平整合适的场地开展试验。对于滑坡堆积体，滑带土的强度特性对滑坡的稳定性分析有着重要的指导意义，因此，开展滑带土的现场直剪试验除了需要知道滑带的位置之外，还要选择能够适合开展滑带土现场剪切试验的场地。

以金沙江向家坝库区赵家湾滑坡为例，从滑坡的地质平面图（见图3）可知，在滑坡的后壁及两侧壁出露有构成滑床的岩层，针对这些部位实地踏勘寻找适合开展滑带土现场大型直剪试验的场地。选择位于赵家湾滑坡前缘左侧一沟谷边缘处作为试验点。图4所示为赵家湾滑坡滑带土现场大型直剪试坑。

图3 赵家湾滑坡工程地质平面图Fig.3 Engineering geological plan of Zhaojiawan landslide

4.2 试样制备

选定场地之后，开挖试坑至指定深度，然后将保留做试样的土墩修筑至剪切盒大小，如图5所示。

对于滑带土的剪切试验，理论上要求沿滑面倾斜方向（平行于滑面上擦痕指向）施加平行于滑动方向的推力。对于近水平滑坡比较容易实现，然而对于试验点处滑动面倾角较大的滑坡，难以制备倾斜试样和组装倾斜剪切的直剪设备，只能满足沿滑坡滑动方向的水平剪切。对于滑坡堆积体、崩塌堆积体的剪切试验，试样剪切方向无明确要求。在本文中所列举的剪切试验中，赵家湾滑坡滑带土剪切试验为倾斜剪切（见图5(a)），其他为水平剪切。

4.3 仪器安装

将下剪切盒框套住试样底部，保证下剪切盒放置水平且固定；在下剪切盒U槽中放置适当大小的滚珠，选择不同直径的滚珠可以开设不同宽度的剪切缝；安装上剪切盒之后修平试样表面，就近获取细土填充试样和剪盒之间的缝隙。水平推力千斤顶放置水平，保证推力方向与剪盒水平，水平推力千斤顶后座安装反力板保证在推剪的过程中有足够的反力支持，使千斤顶不向后移动。测量传感器必须安装牢固，保证在试验过程中不被扰动。设备安装完成后如图6所示。

2.2 两组女性超声声像图特点 静息状态时膀胱颈均位于参考线以上，Valsalva动作时膀胱颈向尾侧移动，对照组膀胱颈均位于参考线上，病例组膀胱颈位于参考线水平附近及参考线下，病例组中46例(约38.33%)可于Valsalva动作时观察到尿道内口开放。

4.4 试验加载与完成条件

垂直压力通过手动油泵操作垂直千斤顶施加，加压的同时观察监测器中垂直压力及垂直位移的变化。对于压力等级较小的试验，可以一次完成加载；对于压力等级较高，垂直位移变化较大的试验，分4～5级压力加载，每级压力下垂直位移稳定之后再进行下一级加载。待垂直压力达到预定值，垂直位移变化趋于稳定之后，开始水平推力加载。水平推力千斤顶通过电动伺服油泵驱动，油泵通过调节出油量来实现水平千斤顶不同速率的推进。

根据相关规范[16]规定，当出现剪力的残余值或剪切变形量达到试体尺寸的1/10时，即可认为试体已经破坏，可停止加载。

5 原位直剪试验常见问题及解决方法

室内直剪试验存在的问题已经被许多学者讨论，其中有些可通过改进直剪仪得到解决，有些是直剪方法本身存在的问题。现场直剪试验由于场地环境复杂，仪器组装困难，会遇到更多意外状况造成试验失败。在此，总结分析以中国科学院武汉岩土力学研究所研制的大型原位直剪设备开展的库区岸坡现场直剪试验中遇到若干试验案例。

5.1 水平反力不足

现场推剪试验及直剪试验中水平推力装置往往以试坑土壁作为反力支撑，剪切过程中，剪力与反作用推力同时作用在试坑土壁上。可以认为，试样和试坑土壁的土性一致，强度大致一样，可以通过在土壁与水平推力装置之间垫放一定面积的钢板，保证在剪切过程中试样先破坏且土壁变形较小。然而在现场直剪试验中，当试样上施加的垂直压力较大、反力土壁厚度不足以及土体强度相差较大时，仍会造成土壁先破坏，试样推剪不动的情况。如图7所示，因为赵家湾滑坡在降雨之后土壁强度降低，从而导致土壁强度降低先于试样破坏。针对以上出现的水平反力不足的问题可以采取以下手段得到一定程度的解决：

（1）设备组装时，选择土壁较厚的一方放置水平推力装置。

（2）可将垂直反力平台主梁压在水平反力土壁的上方，施加一定的垂直压力。

（3）增大反力垫放钢板的面积，在钢板后钉入钢钎增加固定作用力。

图7 反力不足导致的试验失败案例Fig.7 Failure of testing due to lack of reaction

5.2 上、下剪切盒同时移动

在直剪试验中，水平剪力作用在上剪切盒上，下剪切盒固定，强制试样在上、下剪切盒之间破坏。然而滑坡堆积体、崩塌堆积体中往往含有较大颗径的块石超过剪盒的限制粒径，当这些块石正好位于试样上、下剪切盒之间时，就会造成剪切过程中上、下剪切盒整体移动的现象。溪洛渡库区双龙坝崩塌堆积体剪切试验中，由于剪切面之间含有大块石，导致上、下剪切盒同时移动，如图8所示。当上、下剪切盒同时移动时，试样沿下剪切盒与试坑底部交界面剪切破坏，仍可以得到剪切-位移曲线，但与同组其他试样的结果很难拟合。遇到这种状况可采取以下方法解决：

（1）在试验点选址时，先试挖探槽，选择超过剪切盒限制粒径块石较少的地方开展试验。

（2）在修筑试样时，从试样侧壁观察试样中大粒径块石的分布，在安装上、下剪盒时，尽量避免超越限制粒径的块石出现在上、下剪盒之间。

图8 下剪切盒移动导致的试验失败案例Fig.8 Failure of testing due to lower shear box moving

5.3 垂直反力平台失稳

大型原位直剪试验中，当采用倾斜剪切或剪切过程中发生明显剪胀现象时，会使垂直压力千斤顶偏斜，严重时可能使整个垂直反力平台失稳造成安全事故。对于倾斜剪切和出现明显剪胀现象的试验中，要时刻观察试验设备是否安全稳定，避免发生安全事故。

现场试验环境复杂，试样的修筑及设备安装和试验操作中都可能出现各种意外状况，除上述可能出现的问题之外，还有许多可能遇到的不确定因素导致试验失败，例如：试验期间，降雨可能对土体的强度影响较大，导致一组试验中土体性质不同从而难以得到理想的拟合结果。要想获得较理想的大型原位直剪试验结果，必须在试验场地选址、试样制备、设备组装、试验操作等各个环节细心、周全。

6 大型原位直剪试验实例分析

以向家坝库区赵家湾滑坡滑带和滑体、土地垇滑坡滑带现场大型直剪试验为例，对本文中所介绍的大型原位直剪设备的试验结果进行了分析。

6.1 试验场地概况

6.1.1 赵家湾滑坡

赵家湾滑坡位于金沙江干流右岸的绥江县大沙乡，距坝址60.2 km。滑坡区分布的基岩为侏罗系遂宁组（J2sn）地层，岩性为紫红色粉砂质泥岩夹砂岩；岩层产状：300°～310°/NE∠7°～22°，分布于滑坡西侧（后缘）陡坡地带和北侧公路沿线金沙江岸坡段及东侧冲沟沟底。钻孔揭露，滑坡体物质组成为黏土、粉土夹碎块石，下伏基岩产状为40°∠15°。

6.1.2 土地垇滑坡

土地垇滑坡位于四川省屏山县新市镇，金沙江支流中都河出口段右岸，距坝址70.4 km。滑坡分布区中都河流向约180°，河床高程315 m。滑坡发育于侏罗系沙溪庙组（J2s）地层中，岩性为暗紫色泥岩、粉砂岩与长石石英砂岩不等厚互层，夹灰黑色页岩及泥灰岩，滑体周缘出露的基岩产状变化较大。滑体后部在两侧边界表现为较宽的浅沟，滑体外鼓较明显。从区内崩坡积物和阶地堆积物的分布情况分析，该滑坡系一崩坡堆积物和阶地堆积物的滑坡，滑坡组成物质主要为砂质黏土夹碎石和少量块石。

6.2 试验布置

向家坝库区赵家湾滑坡和土地垇滑坡所开展现场大型直剪试验布置见表1。

表1 现场直剪试验布置Table 1 Scheme of in-situ direct shear test

6.3 试验结果分析

使用该大型原位直剪设备对向家坝水电站库区的两个典型滑坡堆积体开展了大型原位直剪试验，对赵家湾滑坡滑带土、滑体土分别开展了1组原位直剪试验，其中滑带土采用斜剪方式；对土地垇滑坡滑带采用水平剪切方式开展了一组原位直剪试验。试验结果及滑坡土体特性见表2，图9为直剪试验剪应力-位移曲线，图10为试样的剪切面照片。

6.3.1 滑带土与滑体土直剪试验比较

赵家湾滑坡开展了滑带土和滑体土的大型原位直剪试验，从图10(a)、10(b)中所展示剪切面形态来看，滑带土结构致密，含石量较少，剪切面比较完整；滑体土结构松散，含砂砾较多，剪切面松散破碎。

在同一地点开展的滑带土和滑体土剪切试验，其含水率变化不大。从试验曲线来看，均表现为应变硬化现象，剪应力随位移增大后保持稳定，无明显峰值。可依据规范[14]说明，取等于剪切盒大小1/10的位移值相对应的剪应力作为试样剪切破坏时的剪应力值。将不同压力等级下土体破坏时剪应力进行拟合可得到抗剪强度参数。其中，滑带土的内摩擦角为24.4°，黏聚力为37 kPa；滑体土的内摩擦角为30.5°，黏聚力为24 kPa。

表2 土体特性与试验结果Table 2 Properties of soil and test results

图9 现场直剪试验曲线Fig.9 Curves of in-situ direct shear test

图10 垂直压力为150 kPa的试样剪切面Fig.10 Shear surfaces under a vertical pressure of 150 kPa

6.3.2 不同滑坡直剪试验比较

赵家湾滑坡和土地垇滑坡相距10 km，地层岩性及滑坡物质组成相似。然而其两个滑坡滑带土所表现出来的剪切特性和强度结果却大不相同。土地垇滑坡滑带土剪切试验中，剪切曲线表现出明显的应变软化现象，在剪应力达到峰值之后快速下降至残余值，然后保持稳定。从剪切曲线来看，每一级压力下的峰值剪应力均比垂直压力要大，在50、100、150、200 kPa压力条件下峰值剪应力是其垂直压力的2.5、1.8、1.5、1.3倍。从拟合得到的抗剪强度参数来看，土地垇滑坡滑带土峰值强度中黏聚力为114 kPa，内摩擦角为35.3°。残余剪应力选取剪应力变化稳定之后的数值，拟合得到的残余强度黏聚力为52 kPa，内摩擦角为27°。残余强度比峰值强度明显要低，尤其是黏聚力减小了62 kPa。赵家湾滑坡滑带土现场大型直剪试验中，每一级压力下的峰值剪应力均比垂直压力小，所拟合得到的滑带土强度参数黏聚力为37 kPa，内摩擦角为24.4°，远比土地垇滑带土强度参数要低。两个滑坡地质条件，滑坡组成物质相似，滑带土基本物理特性接近，试样剪切面均比较完整，但抗剪强度参数及剪切曲线形态却差异较大。

7 结论

（1）本文介绍了一种大型原位直剪设备，该设备结构设计符合经典直剪仪工作原理，具有大尺寸的刚性剪切盒，高精度自动化的数据采集系统，采用应变控制加载能够完整表现土体剪切过程中应力-应变的关系。

（2）结合文中所述的大型原位直剪设备，介绍了大型原位直剪试验的主要方法，以及在大型原位直剪试验可能遇到的问题，对开展大型原位直剪试验具有重要的参考意义。

（3）通过对使用该直剪设备所进行的滑坡滑带、滑体现场大型原位直剪试验结果分析可知，赵家湾滑坡同一试验点滑带土的黏聚力比滑体土高54%左右，而内摩擦角要低23%。同一地区，不同滑坡滑带强度参数可存在较大变化，其剪切曲线也可表现得完全不同，土地垇滑坡滑带土的剪切曲线表现出明显的应变软化现象，其黏聚力将近为赵家湾滑带土的3倍。两个滑坡地层岩性、岸坡物质成分虽相似，但得到的土体强度参数的差异较大。

（4）通过对不同岸坡进行的直剪试验，充分表现了该大型原位直剪设备的优良性能，能够完整表现不同滑坡、不同土体剪切特性的差异性。大型原位直剪试验可以更加真实地反映土体的抗剪强度特性，但对于土体抗剪强度特性差异的内在原因难以解析。

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