原位大剪试验与室内剪切试验的对比探讨

原位大剪试验与室内剪切试验的对比探讨

作者：习小山 刘成光 景辉

来源：《中国新技术新产品》2011年第08期

摘要：通过现场原位大剪和室内剪切试验，研究在相同状态不同试验条件下，土体的抗剪强度(C，φ)在何种条件、何种试验方法下测定更接近土体的实际理论值，数据更安全可靠。 关键词：原位直剪；直剪；曲线相关系数 中图分类号: TU41 文献标识码:A

1、大剪试验和室内试验的重要性

在滑坡稳定性评价及滑坡推力计算中，滑带士抗剪强度的确定直接影响稳定性评价结果与治理方案设计，对该滑体的治理工程造价起着重要的影响。因此对于土体抗剪强度真实值的确定至关重要，目前测定方法大多采用室内剪切，对于工程质量要求教高、碎石含量较高的大型滑坡项目通常采用现场原位剪切试验，但是由于现场试验费时，费力，同时受到天气，施工条件的影响也有很大的局限性，本文通过两种试验方法和结果的对比研究，为工程地质人员确定一种经济合理试验方法提供一个参考依据。 2、试验部分 2.1仪器设备

DJ-I型大面积直剪仪、ZJ型应变控制式直剪仪、电动振筛机 2.2试验样品

现场试验和室内样品均取自重庆云阳县学堂湾滑坡，滑带土：含角砾粉质粘土，黄褐色，浅黄色，湿，可塑，角砾含量30%左右，粒径以10mm为主，5mm以下的角砾集中于中下部。分布不均匀，次棱角状~次圆状，石质成分以粉砂岩为主，泥质粉砂岩次之，全~强风化，手压呈砂状，无反压感。 2.3试验方法 2.3.1直接剪切试验

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直接剪切试验所用仪器结构简单，操作方便，本试验采用Ф61.8mm×20mm环刀切取4块原状土样，分别垂直加压100，200，300，400kPa，以0.8mm/min的慢剪速率进行剪切至试验结束。当剪应力与剪切变形的曲线有峰值时，即测力计百分表指针不再前进或显著后退时，即为剪损，试验结束。当剪应力与剪切变形的曲线无峰值时，则剪切位移为6mm时试验结束。根据每个试样的破坏剪应力，绘制破坏剪应力与垂直(法向)荷载的关系曲线。从而求取土的内摩擦角φ和土的粘聚力C。 2.3.2原位大剪试验

试样的制备在长方形试坑中进行。试坑工作面尺寸为3.5m×2.0m，基坑挖好后，根据剪力盒的大小修整出边长500mm×500mm高300mm的土样5组，用下端带有刃口的剪力盒，边压入土体边削去剪力盒外侧的土体，至达到剪力盒全部切入土体到预定的试验位置，沿刃口的深度将刃口周围的土体削除，形成与剪切面一致的试坑基底，同时修整试样的顶面，使试样顶面超出剪力盒上边沿约l0mm。剪力盒与试样之间的缝隙用粉细砂或碎土填实。试样制备的空间方位，剪力盒垂直切入土层，水平切向剪力方向应平行于滑坡的滑动方向。现场大面积直剪试验对5个试样施加不同的垂直(法向)荷载， 待固结稳定后施加水平剪切力，使试样在预定的剪切面上破坏。当剪应力与剪切变形的曲线有峰值时，即为剪损，试验结束。当剪应力与剪切变形的曲线无峰值时，则剪切位移为50mm时试验结束。 2.3.3颗粒分析试验

对于每组剪切试验的样品进行了颗粒分析试验，采用筛分法过孔径为20、10、5、2、l、0.5、 0.25、0.1、0.075mm的标准筛。 2.3.4试验结果

表1 试样的实验成果数据表 3、结果与讨论 3.1试验方法比较

室内剪切试验采用直径为61.8mm的试样，剪切面积为30cm2，垂直压力为100、200、300、400kPa。

原位大剪试验，采用500mrn×500mm的正方形试样，剪切面积为2500cm2，垂直压力为1/5、2/5、3/5、4/5、l上覆土重。从剪切面积比较：室内剪切操作方便，工作强度小。原位大剪试验由于剪切面大更接近真实受力状态，受到系统误差的干扰小，检测结果更接近真实值。从施加的垂直压力比较：原位大剪试验中土体的受力情况更接近自然环境中的真实值。 3.2试验结果比较

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3.2.1颗粒分布与抗剪曲线相关系数的关系：以 图1 颗粒分布与抗剪曲线相关系数的关系曲线图

由以上曲线可以看出细粒土含量越多，土体在直接剪切和原位大剪试验中各组试块的曲线相关系数就越好。同时原位大剪试验的相关系数普遍大于室内直接剪切试验的相关系数。 表2试样的曲线相关系数数据表

根据12组试验的统计结果：室内直接剪切的平均曲线相关系数为0.910，原位大剪试验的平均曲线相关系数为0.958，试验方法不同，成果数据相差太大时，原位大剪试验成果的可靠性明显优于室内直接剪切试验成果。 3.2.2颗粒分布与内摩擦角的关系： 以

图2颗粒分布与内摩擦角的关系曲线图

由以上曲线可以看出随着细粒土含量的增加，抗剪试验中土体的内摩擦角在相应的减小。 3.2.3直接剪切试验与原位大剪试验的比较

以含泥量最低的NOl试样和含泥量最高的NO10号试样为例，以试验士体法向应力(kPa)为纵坐标，以对应土的剪切应力(kPa)为横坐标做图： 图3 NO1和NOl2试样Pv-PH关系曲线图

由以上曲线可以看出同一种性质的试样，当粘泥含量高时直接剪切试验和大剪试验实验成果相近。

当试样中碎石、角砾成分过高，两种试验方法的成果数据相差较大。 3.3影响结果的因素

土的抗剪强度与剪切面上的法向应力成正比。影响抗剪强度的因素取决于：颗粒之间的内摩擦阻力和粘聚力。颗粒间的摩擦阻力，它包括土体颗粒间滑动摩擦阻力和土颗粒表面凹凸不平所形成的机械咬合力。 其大小取决于颗粒大小、级配状况、密实度、颗粒形状以及粗糙程度等因素。土体的粘聚力主要取决于土粒间胶结作用和各种物理化学键作用。 4、结论

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本次试验共对不同颗粒分布的12组土体样品进行了室内直接剪切试验和原位大面积直剪试验。对实验成果进行统计发现，室内直接剪切试验抗剪强度曲线的相关系数有25%线性较好，相关系数大于0.95；原位大面积直剪试验抗剪强度曲线的相关系数有66.7%线性较好，相关系数大于0.95。根据土体性质和实验成果可以得出以下结论，当剪切试验中制备的土体中粘粒含量偏多(碎石和角粒含量偏少)抗剪强度主要取 决于土粒间胶结作用和各种物理化学键作用，不受颗粒间的摩擦阻力及颗粒表面机械咬合阻力的影响，因此各组试样力学性质稳定，抗剪强度曲线相关系数较好。当剪切试验中制备的土体中碎石和角粒含量偏多， 抗剪强度主要取决于颗粒间的摩擦阻力。在直接剪切试验中当0.075mm粒径以A下的土大于80%时，试样的 曲线相关系数均>0.95，而在原位大剪试验中0.075mm粒径以下的土大于60%时，试样的曲线相关系数就能>0.95。由此可见当0.075mm粒径以下的土含量低于80%时，建议不要采用室内直接剪切试验确定其抗剪强度的参数，用原位大剪试验数据更真实可靠。 参考文献

[1]董云，柴贺军，杨慧丽.土石混填路基原位直剪与室内大型直剪试验比较.[期刊论文] .《岩土工程学报》,2005年2期.