三門(mén)峽原狀黃土的大型直剪試驗(yàn)及其尺寸效應(yīng)

朱云江， 姜彤， 霍繼煒， 高宇甲， 張俊然， 趙金玓

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046; 2.中建七局第四建筑有限公司，陜西 延安 710016)

黃土具有結(jié)構(gòu)疏松、富含大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育等特征，是典型的第四紀(jì)沉積物[1-2]。在工程實(shí)踐中，黃土的抗剪強(qiáng)度和變形特性是影響工程安全的重要因素[3]。相關(guān)學(xué)者做了大量的研究工作：張志權(quán)等[4]對(duì)西安、洛川和蘭州等地區(qū)的代表性黃土進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析得出隨著黃土試樣的黏性顆粒含量減小，黃土的最大干密度和最優(yōu)含水率逐漸減??；在同一初始干密度下隨著含水量的增加，試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角均逐漸減小。張玉等[5]通過(guò)均壓固結(jié)豎向加載和側(cè)向卸載的平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)，對(duì)比得出剪切變形特性和屈服、破壞強(qiáng)度的變化規(guī)律，且不同含水率黃土的側(cè)向卸載與豎向加載的剪切變形特性和強(qiáng)度變化規(guī)律基本相似。王鐵行等[6]、劉小軍等[7]采用人工節(jié)理黃土試樣，通過(guò)常規(guī)直剪試驗(yàn)對(duì)重塑黃土剪切強(qiáng)度等相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出節(jié)理形態(tài)、試樣干密度和含水量對(duì)黃土節(jié)理抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，并建立了該黃土的本構(gòu)模型。楊繼紅等[8]通過(guò)室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)，探究了不同含石量條件下堆積體抗剪強(qiáng)度特性。SHAKOOR A等[9]通過(guò)大型直剪試驗(yàn)研究了礫石含量、粒徑以及礫石形狀對(duì)含礫石質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。韓璞璞[10]利用Shear Trac-Ⅲ大型直剪試驗(yàn)儀器，通過(guò)大型直剪試驗(yàn)，研究了不同法向應(yīng)力和不同混凝土接觸面粗糙度對(duì)黃土與混凝土界面的力學(xué)特性的影響規(guī)律。

綜上發(fā)現(xiàn)，以往原狀黃土剪切強(qiáng)度及變形特性試驗(yàn)多以常規(guī)直剪試驗(yàn)為主，而針對(duì)原狀黃土開(kāi)展的大型直剪試驗(yàn)較少。因此，開(kāi)展原狀黃土的大型直剪試驗(yàn)研究顯得非常必要。本文對(duì)三門(mén)峽原狀黃土開(kāi)展一系列的大型直剪試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合常規(guī)直剪試驗(yàn)分析尺寸效應(yīng)對(duì)原狀黃土抗剪強(qiáng)度的影響。

1 黃土基本物理性質(zhì)試驗(yàn)

黃土試樣取自三門(mén)峽函谷關(guān)，距離黃河南岸1.2 km處，該地為黃土丘陵—黃土梁地貌，黃土層厚度約145 m，地形起伏不平，溝谷深切，山間植被茂盛。其中取樣深度距地表4～5 m，為第四系上更新統(tǒng)(Q3)黃土狀土，天然干密度為1.47～1.50 g/cm3，天然含水率為8.75%。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE 40—2007)和《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)得出該黃土試樣的基本物性指標(biāo)：相對(duì)密度為2.69，液限和塑限含水率分別為26.9%、18.1%，塑性指數(shù)為8.8；其中，黃土顆粒級(jí)配曲線如圖1所示，不均勻系數(shù)為12.43，曲率系數(shù)為2.57，級(jí)配良好。

圖1 黃土的顆粒級(jí)配曲線

2 大型直剪試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器及試樣制備

試驗(yàn)儀器為室內(nèi)大型應(yīng)變控制式直剪儀，主要包括垂直加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)、剪切盒和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，該直剪儀剪切盒內(nèi)試樣尺寸為φ504.6 mm×400 mm。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括4個(gè)豎向位移傳感器和1個(gè)水平剪切位移傳感器，如圖2所示。

圖2 大型應(yīng)變控制式直剪儀

本次試驗(yàn)對(duì)工程實(shí)踐獲取準(zhǔn)確的強(qiáng)度參數(shù)具有重要的意義，因此，開(kāi)展大型直剪試驗(yàn)之前對(duì)取樣地點(diǎn)進(jìn)行了多次實(shí)地考察。首先，在三門(mén)峽地區(qū)進(jìn)行具有工程代表性的原狀黃土選址。然后，采集試樣。由于所需試樣體積較大，為了避免對(duì)原狀土的擾動(dòng)，采用機(jī)械和人工配合的方式采集試樣，采集后將試樣用塑料膜密封。最后，對(duì)原狀黃土試樣進(jìn)行人工分割，在保持黃土試樣節(jié)理的上下位置與原始狀態(tài)吻合的前提下，制成φ500 mm×400 mm的圓柱試樣。通過(guò)觀察試樣，可見(jiàn)其在垂直方向上節(jié)理較為發(fā)育，有蝸牛殼白色菌絲和植物根系。原狀黃土的取樣和制樣過(guò)程如圖3所示。

圖3 原狀黃土取樣及試樣制備

2.2 試驗(yàn)方法

原狀黃土試樣制作完成后，進(jìn)行裝樣。首先，在剪切盒下墊一層5 mm厚松散土層，緩慢進(jìn)行原狀黃土樣裝樣；然后，安裝上剪切盒，進(jìn)行剪切盒四周縫隙填土壓密；最后，在試樣頂部墊5 mm厚松散土層，緩慢放下剪切盒頂蓋，進(jìn)行剪切試驗(yàn)。因原狀黃土試樣的含水量較低，故不考慮剪切過(guò)程中的排水問(wèn)題。

有學(xué)者采用Shear Trac-Ⅲ大型直剪試驗(yàn)儀進(jìn)行黃土快剪試驗(yàn)，依次對(duì)試樣施加50、100、150、200 kPa垂直壓力，分析各垂直壓力下黃土試樣的強(qiáng)度特性[11]。本次試驗(yàn)進(jìn)一步結(jié)合《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)，確定了試樣施加的垂直壓力σ分別為50、100、200、300 kPa。為了使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，開(kāi)展了2組對(duì)照試驗(yàn)，耗時(shí)10 d，共進(jìn)行了8個(gè)原狀黃土大型直剪試樣的制備和剪切。根據(jù)所施加垂直壓力由小到大的順序?qū)υ嚇舆M(jìn)行編號(hào)，依次為SY1、SY2、…、SY8。其中大型直剪試驗(yàn)采用快剪法，剪切速率為0.8 mm/min，試樣剪切時(shí)間約為40 min，待剪切強(qiáng)度穩(wěn)定后，結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)后，部分試樣的剪切面如圖4所示。

圖4 大型直剪試樣剪切面

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

原狀黃土大型直剪試驗(yàn)的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖5所示，由圖5可得到如下結(jié)論。

圖5 大型直剪試驗(yàn)的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

1)當(dāng)垂直壓力σ為50、100 kPa時(shí)，大型直剪試驗(yàn)的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系具有相似性，同一垂直壓力下剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系較為接近。在剪切位移小于10 mm時(shí)，黃土試樣表現(xiàn)出比較強(qiáng)的剪切剛度，其剪切強(qiáng)度隨著剪切位移呈線性增長(zhǎng)。隨著剪切位移的增大，出現(xiàn)強(qiáng)度峰值，然后剪切強(qiáng)度逐漸減小并趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)剪切軟化現(xiàn)象。

2)當(dāng)垂直壓力σ為200、300 kPa時(shí)，試樣的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系較為相似。在剪切位移小于10 mm時(shí)，與垂直壓力σ為50、100 kPa下試驗(yàn)的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系一致，剪應(yīng)力均隨著剪切位移的增大近似呈線性增長(zhǎng)，但斜率較大，黃土試樣剪切剛度有所提升。隨著剪切位移的進(jìn)一步增加，剪應(yīng)力增長(zhǎng)的速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定，無(wú)強(qiáng)度峰值出現(xiàn)，呈現(xiàn)剪切硬化現(xiàn)象。

通過(guò)圖5可得原狀黃土試樣大型直剪試驗(yàn)在各垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)無(wú)峰值出現(xiàn)時(shí)，選取剪切位移在25 mm(應(yīng)變=5%)處所產(chǎn)生的剪應(yīng)力為黃土試樣的抗剪強(qiáng)度[1,12]。在50、100、200、300 kPa垂直壓力下，兩組平行試驗(yàn)所得到的抗剪強(qiáng)度取均值，分別為75.4、95.9、146.1、177.8 kPa。本試驗(yàn)所得抗剪強(qiáng)度結(jié)果與劉小軍等[10]的大型直剪試驗(yàn)結(jié)果較為相近，其在50、100、150、200 kPa垂直壓力下得到的原狀黃土的抗剪強(qiáng)度范圍分別為72.34～88.71 kPa、78.83～106.22 kPa、165.20～199.00 kPa、176.30～234.50 kPa，通過(guò)對(duì)比，其抗剪強(qiáng)度均值比本文試驗(yàn)得到的略大。匯總本試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度結(jié)果于表1。

表1 大型剪切試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度

3 常規(guī)直剪試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)儀器及試樣制備

常規(guī)直剪試驗(yàn)采用電動(dòng)應(yīng)變控制式直接剪切儀，如圖6所示。其主要由剪切盒、垂直加壓設(shè)備、剪切傳動(dòng)裝置、測(cè)力計(jì)以及位移量測(cè)系統(tǒng)等組成，其中剪切盒尺寸為φ61.8 mm×20 mm。為了使該試驗(yàn)結(jié)果和大型直剪試驗(yàn)結(jié)果更具有對(duì)比性，削取的黃土試樣與大型直剪試驗(yàn)試樣所用土體保持性質(zhì)一致，且試驗(yàn)施加的垂直壓力也一致。共制備了8組原狀黃土環(huán)刀試樣，亦按照所施加垂直壓力的遞增順序?qū)υ嚇舆M(jìn)行編號(hào)，依次為sy1、sy2、…、sy8，如圖7所示。

圖6 應(yīng)變控制式常規(guī)直剪儀

圖7 常規(guī)直剪試樣制備

3.2 試驗(yàn)方法

同大型直剪試驗(yàn)一致，分別在垂直壓力σv為50、100、200、300 kPa狀態(tài)下進(jìn)行快剪試驗(yàn)，剪切速率為0.8 mm/min，每隔15 s進(jìn)行一次讀數(shù)。圖8為常規(guī)直剪試驗(yàn)下的試樣剪切面。

圖8 常規(guī)直剪試樣剪切面

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

常規(guī)直剪試驗(yàn)所獲得試樣的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖9所示。由圖9可知，常規(guī)直剪試驗(yàn)得到的剪應(yīng)力-剪切位移變化規(guī)律和大型直剪試驗(yàn)的基本相似。在50、100 kPa垂直壓力下,當(dāng)剪切位移小于1.5 mm時(shí)，剪應(yīng)力先呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，然后出現(xiàn)峰值，再緩慢減小，最后逐漸趨于穩(wěn)定。在200、300 kPa垂直壓力下，試樣的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線在剪切位移小于1.5 mm時(shí)呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，然后增長(zhǎng)速率逐漸減小，剪應(yīng)力趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)剪切硬化現(xiàn)象。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可得出常規(guī)直剪試驗(yàn)各垂直壓力下原狀黃土試樣的抗剪強(qiáng)度，見(jiàn)表2。其中，無(wú)強(qiáng)度峰值出現(xiàn)時(shí)，選取剪切位移為4 mm處所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為黃土試樣的抗剪強(qiáng)度[13]。

圖9 常規(guī)直剪試驗(yàn)的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

表2 常規(guī)直剪試驗(yàn)的剪切強(qiáng)度結(jié)果

4 黃土直剪試驗(yàn)尺寸效應(yīng)分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制大型直剪試驗(yàn)和常規(guī)直剪試驗(yàn)得到的平均抗剪強(qiáng)度和垂直壓力散點(diǎn)圖，并對(duì)散點(diǎn)圖進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知：在同一垂直壓力下，常規(guī)直剪試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度均比大型直剪試驗(yàn)得到的稍大，并且隨著垂直壓力的逐漸增加，抗剪強(qiáng)度差值逐漸增加。此現(xiàn)象歸因于原狀黃土的尺寸效應(yīng)：尺寸較小時(shí)，黃土試樣的結(jié)構(gòu)性更加完整；而尺寸較大時(shí)，試樣更能代表工程現(xiàn)場(chǎng)的原狀黃土，其具有較多發(fā)育的垂直節(jié)理和大孔隙。

圖10 平均抗剪強(qiáng)度-垂直壓力關(guān)系曲線

有研究指出，黃土的內(nèi)摩擦角范圍為10°～35°，進(jìn)一步對(duì)比其他大型和常規(guī)直剪試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其與本次試驗(yàn)結(jié)果較為相近[14-15]。分析試驗(yàn)結(jié)果得出：三門(mén)峽原狀黃土的大型直剪試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角為22.8°，黏聚力在55.2 kPa左右；常規(guī)直剪試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角和黏聚力均比大型直剪試驗(yàn)的結(jié)果稍大。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)后試樣的觀察分析發(fā)現(xiàn)：大型直剪試驗(yàn)的試樣多存在垂直節(jié)理面、蟲(chóng)洞和根系孔隙；而常規(guī)直剪試樣由于試樣尺寸較小，試樣內(nèi)部的節(jié)理面、蟲(chóng)洞和根系孔隙等較少甚至沒(méi)有，因此常規(guī)直剪試樣的強(qiáng)度有所提升。在工程實(shí)踐中應(yīng)該充分考慮到尺寸效應(yīng)對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的影響，進(jìn)一步提高工程的安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

1)試驗(yàn)測(cè)得三門(mén)峽原狀黃土在兩種尺寸下的抗剪強(qiáng)度，該原狀黃土在大型直剪試驗(yàn)下的內(nèi)摩擦角為22.8°，黏聚力為55.2 kPa，常規(guī)直剪試驗(yàn)下的內(nèi)摩擦角為24.7°，黏聚力為57.8 kPa。在同一垂直壓力下，常規(guī)直剪試驗(yàn)充分排除了節(jié)理、大孔隙等不利因素，所得的試樣抗剪強(qiáng)度比大型直剪試驗(yàn)的略大。

2)在剪切過(guò)程中，兩種尺寸的原狀黃土的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系具有一定的相似性。當(dāng)垂直壓力為50、100 kPa時(shí)，兩種尺寸的試樣均出現(xiàn)剪切軟化現(xiàn)象，其中大型直剪試驗(yàn)的剪切位移小于10 mm時(shí)和常規(guī)直剪試驗(yàn)的剪切位移小于1.5 mm時(shí)的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系均近似呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，剪應(yīng)力到達(dá)峰值后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。當(dāng)垂直壓力為200、300 kPa時(shí)，剪應(yīng)力未出現(xiàn)峰值，呈現(xiàn)剪切硬化現(xiàn)象。

3)大型直剪試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度小于常規(guī)直剪試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度，這種差異隨著垂直壓力的增大而逐漸顯著。在實(shí)際工程中，應(yīng)該將尺寸效應(yīng)考慮在內(nèi)，在條件允許的情況下開(kāi)展大型直剪試驗(yàn)，進(jìn)而提高原狀黃土參數(shù)的精度，以提高工程質(zhì)量。