易贡滑坡体现场推剪试验

Field Push-cutting Test of Yigong Landslide

摘要

推剪试验是测量土体现场抗剪强度的常用方法。为测量土石混合体的现场抗剪强度，研制了具有快速调节、加载简便、适用粗粒土现场推剪的试验装置，同时研制了推剪滑动面三维坐标测量装置。运用该装置对西藏林芝易贡滑坡体进行现场推剪试验，对采集到的试验数据进行计算，得到了滑坡体土的抗剪强度及抗剪参数。试验结果表明：含石率越高，土体抗剪强度越高，黏聚力与含石率呈正相关关系，内摩擦角随着含石率的增加没有明显变化。试验结果可为易贡滑坡体的研究提供参考。

Abstract

The push shear test is a commonly used method to measure the in-situ shear strength of soil. To measure the in-situ shear strength of soil-rock mixtures, a test device was developed that allowed for quick adjustments, simple loading, and was suitable for pushing shear tests in coarse-grained soil. A three-dimensional coordinate measurement device for the shear sliding surface was also developed. Using this device, in-situ push shear tests were conducted on the Yigong landslide body in the Linzhi area, Xizang, and the collected test data were analyzed, resulting in the shear strength and shear parameters of the landslide soil. The test results indicated that the higher the stone content, the greater the shear strength of the soil. Cohesion was positively correlated with stone content, while the internal friction angle showed no significant change with increasing stone content. The test results can provide a reference for the study of the Yigong landslide body.

Graphical abstract

关键词

推剪试验 / 推剪滑动面三维坐标测量装置 / 易贡滑坡体 / 抗剪强度参数

Key words

Push-cutting test / Three-dimensional coordinate measuring device of push-cutting sliding surface / Yigong landslide mass / Shear strength parameter

西藏地区地质构造复杂，土石混合体边坡广泛分布，泥石流、滑坡等自然灾害频发。随着西藏经济快速发展，基础建设越来越多，无论是基础设施建设还是自然灾害防治都离不开对土石混合体抗剪强度的研究。

土石混合体具有高度非均质性^[1]，室内试验使用的是扰动后的土石混合体，对于碎石土、碎块石土等土石混合体，一般不能进行室内剪切试验^[2]。现场推剪试验是进行原状土的试验，更能体现土石混合体的天然结构，更符合实际，更有说服力。姚宾科^[3]、郁是瞻^[4]等对土石混合体进行了现场水平推剪试验和室内直剪试验，表明室内试验测出的黏聚力较大，推剪试验得出内摩擦角较大。Jin ^[5]认为现场推剪试验不遵循直接剪切破坏，而是遵循承载力破坏模型。测试过程中，底部边界无法提供足够的容量，因此，剪切强度被低估；Qi ^[6]对现场灌浆土进行现场推剪试验发现其结果与室内直剪试验结果相似；陈玉留^[7]基于高边坡地区典型土石混合体试样进行现场原位水平推剪试验，试验表明含石率的不同是影响土石混合体抗剪强度的重要因素；吴旻硕^[8]等人对三峡库区土石混合体进行现场水平推剪试验，得出土石混合体石料强度越大，土石混合体整体c、φ值越高的结论；李梅华^[9]通过对山西省平朔露天边矿滑坡段进行原位推剪试验，试验表明内摩擦角与含石率保持正相关关系，黏聚力在含石率35.6% ~ 50%内呈正相关关系；左新卫^[10]研究指出，在进行滑坡稳定性计算时不需要选择特定的计算滑面，使用传统计算方法得出的结果更为准确；黄向京等^[11-15]通过对不同的土体进行现场推剪试验，结果表明现场推剪试验得出的土体抗剪强度和其参数具有有限的参考意义。现场试验方面，尽管郭捷^[16]、李晓^[17]等人对现场推剪试验装置进行了改装，但是现有装置仍然使用不便。此外测量推剪滑动面的方法有激光扫描法和手动测量法，激光扫描法需要昂贵的仪器且在野外使用不便，目前的手动测量法不便捷且测出的滑动面也不准确。因此，本团队以现有的试验装置为基础并进行改进，研制了具有快速调节、加载简便、适用于粗粒土的现场推剪试验装置，同时研制了推剪滑动面三维坐标测量装置。在易贡滑坡体上进行了5组现场推剪试验，得到了滑坡体土的抗剪强度及参数，为易贡滑坡体的研究提供了现场土体抗剪强度参数。

1 试验操作步骤

1.1 试验原理

推剪试验法的基本原理是对三面临空的土台施加推力，使其达到极限强度后失去稳定而滑动。当滑动力等于抗滑力时土石混合体就处于极限平衡状态。根据试验数据和土的平衡状态受力公式可求出土石混合体的抗剪强度指标。

1.2 试验点选取

试验地点位于西藏林芝易贡藏布左岸、扎木弄沟左岸的滑坡体上。已有资料表明，该地区岩体破碎，砂性土占据大部分，粗粒土堆积多为土石混合体，岩性物质主要有花岗岩和变质岩组成，风化情况十分严重。该地区处于板块交界带上，板块挤压会使岩土破碎，山体内部结构松散，稳定性低。且该地区雨水丰沛，含水率的增加使土石混合体重量增加、内摩擦角降低、使得山体更容易滑动。因此该地区是泥石流、滑坡等自然灾害的频发地区。对该地区进行现场推剪试验，取得滑坡体现场抗剪强度参数，对易贡滑坡的研究有重要意义。

1.3 现场推剪试验装置及试验方法

自研的现场推剪试验装置如图1、图2所示。

具体试验方法如下：

（1）现场土天然密度测试。选取测试点，除去其表面松散土体，用水平仪辅助将表面铲平。按不小于可见最大粒径10倍的尺寸挖掘试坑。将挖出的土装入盛土袋中，称质量并记录。将塑料薄膜铺在试坑里面并与坑壁紧密相贴。用小水桶向试坑注水，并称取每次注水质量，注水直至水面与试坑边缘顶部齐平，停止注水。试坑挖出土的质量，比上注入水换算出的试坑体积，就是土的天然密度，烘干后进一步计算出土的天然干密度。本次试验选取5个测试点，编号为S1-S5，测得土体的天然干密度如表1所示。

（2）开挖试验土台。在天然密度测试点处开挖出一个三面临空的长方形试验土台，试样土台的高度应大于土颗粒最大粒径的5倍，土台高度与宽度的比值为1/3 ~ 1/4，土台的长度为土台宽度的0.8 ~ 1.0倍，本次试样的尺寸为100 × 100 × 30 cm（长 × 宽 × 高）。土台两侧距离试坑边壁30 cm，正面距离试坑边壁40 cm，为保证加载时受力均匀，土台侧面与正面用细粒土抹平。

（3）安装现场推剪试验装置和滑动面三维坐标测量装置，并测量土台表面三维坐标。安装图1所示的现场推剪试验装置，调节支撑器，使各部件连接紧密，使千斤顶对准距离土台底边1/3高度处。安装图2所示滑动面三维坐标测量装置，通过角螺旋和水准尺调平测量装置。使用该装置，将坐标滑块移动到预定的测量点水平坐标处，测量Z向坐标，记录该点三维坐标值，全部的坐标测量完成后，移开滑动面三维坐标测量装置，留下角螺旋垫片，并保持角螺旋垫片在该位置不动。试验仪器安装见图3。

（4）水平推剪试验加载阶段一。使用手动油泵对千斤顶注油，让千斤顶徐徐施加水平推力，加载速度控制在每15 ~ 20 s 内的水平位移在 4 mm左右，并时刻记录压力表和位移计的数值，当土台表面隆起，压力表上的读数达到最大值时，继续加载，压力表上的读数不仅没有增加，反而下降，此时认为土台被推剪破坏，记录压力表上的最大推力，即为P_max值。

（5）水平推剪试验加载阶段二。千斤顶加压到P_max值后，松开千斤顶油阀，待油压表读数后退并达到一稳定值后继续加载，待压力表读数达到某一最大值后开始下降，此时压力表上的最大值推力，即为P_min值。

（6）测量三维滑动面的坐标值。小心拆除推剪试验加载装置，从土台侧面可见剪切滑动面，见图4。用手小心移除滑动面上剪切松动破坏的土体。随后在保持原位置不动的角螺旋垫片上，再次安装滑动面三维坐标测量装置，将坐标滑块移动到预定点的水平坐标处，再次测量Z坐标，记录该点三维坐标值。滑动面测量见图5。

由图5可知，现场推剪试验使土台从根部开始滑动，滑裂面贯穿到土台顶部，形成一个明显的滑动面，但滑动面并不光滑，这是因为土体级配不均匀。滑动面一侧的土颗粒较大，使该侧滑动面下凹。滑动面的裂缝多发生在较细颗粒土体与较粗颗粒石块连接的区域，形成的滑动面附近有少量细微的次生裂缝，按照标准筛分法对土样进行筛分处理，筛分后各试样级配曲线如图6所示，根据先前学者的研究将 2 mm粒径界定为土和石的粒径界限，粒径大于2 mm的为石颗粒，粒径小于2 mm的为土颗粒。S1的含石率为46.28%，S2的含石率为36.00%，S3的含石率为30.88%，S4的含石率为40.64%，S5的含石率为34.57%。

2 推剪试验结果与分析

2.1 水平荷载-位移曲线分析

绘制各试验土体的水平位移与水平荷载间的关系曲线如图7所示。

对图7进行分析，在推剪过程中，两个阶段加载时的水平荷载-位移曲线均呈现出3个阶段：

（1）在推剪初始阶段，土石混合体的孔隙被进一步压缩，土体压实密度增加，随着水平位移的增加，水平荷载呈线性增加，且增加迅速。

（2）随着水平荷载到达一定程度，土台隆起破坏出现裂缝，达到水平荷载峰值，水平位移增加的速率较水平荷载增加的速率有所增大，土体的抗剪能力降低，开始形成了滑动面，这是因为石块之间的咬合结构被破坏。

（3）破坏后，由于土石混合体含石率大，试样发生剪切破坏后，试样内部重新组排形成新的交错结构，随着水平位移的增加，水平荷载下降并逐渐趋于稳定，达到强度的残余值。

（4）最小抗剪强度达到峰值的剪切位移均比最大抗剪强度达到峰值的剪切位移小，这是因为测试最大抗剪强度时千斤顶的推力使土石混合体更加密实，因此进行最小水平推力达到峰值所需要的位移更小。

通过对比各试体的曲线发现，试体各曲线走势基本相同，虽然试验在同一区域进行，但是水平荷载-位移曲线还是有一些不同，表现为峰值强度和达到峰值强度的位移不同，这是因为，虽然在同一区域，但试验点位置不同，土石混合体的密度、含水率、含石率不同，从而产生推剪试验的差异。

2.2 易贡滑坡体土的c，φ值的计算

（1）根据滑动面三维坐标测量装置的测量结果，计算得到土台剪切滑动面三维坐标，绘制3D滑动面如图8所示。

通过图8可以看出推剪破坏产生的滑动面不规则，有局部凸起和凹陷，凸起部分多发生在大石块区域，凹陷部分多发生在土体与小石块连接区域。考虑土体平均强度和计算推剪试验强度参数公式的局限性，根据3D滑动面上同一长度坐标值处高度的平均值绘制平均二维滑动断面坐标如图9所示：

从图9表明，在推力作用下，试体的滑动面均是从前端根部向斜上方展开，且形状走势几乎一样。根据绘制的平均滑动面断面图，由式公式（1）计算单位宽度土体的重量g_i。

{\mathrm{g}}_{\mathrm{i}}={\mathrm{b}}_{\mathrm{i}}{\mathrm{h}}_{\mathrm{i}}\mathrm{\gamma }（1）

式中：b_i 为各条块的长度（m）；h_i 为各条块的中线高度（m）；γ为土的天然重度（KN/m³）。

然后使用规范公式^[18]（2）以及公式（3）来计算土石混合体的c、φ值。计算结果如表2所示：

c=\frac{P_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-P_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}{b{\displaystyle \sum _{\mathrm{i}=\mathrm{1}}^{\mathrm{n}}}{\mathrm{l}}_{\mathrm{i}}}（2）

\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\varphi =\frac{\frac{P_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{G}{\displaystyle \sum _{\mathrm{i}=\mathrm{1}}^{\mathrm{n}}}{\mathrm{g}}_{\mathrm{i}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\alpha }_{\mathrm{i}}-{\displaystyle \sum _{\mathrm{i}=\mathrm{1}}^{\mathrm{n}}}{\mathrm{g}}_{\mathrm{i}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\alpha }_{\mathrm{i}}-\mathrm{c}\mathrm{b}{\displaystyle \sum _{\mathrm{i}=\mathrm{1}}^{\mathrm{n}}}{\mathrm{l}}_{\mathrm{i}}}{\frac{P_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{G}{\displaystyle \sum _{\mathrm{i}=\mathrm{1}}^{\mathrm{n}}}{\mathrm{g}}_{\mathrm{i}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\alpha }_{\mathrm{i}}+{\displaystyle \sum _{\mathrm{i}=\mathrm{1}}^{\mathrm{n}}}{\mathrm{g}}_{\mathrm{i}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\alpha }_{\mathrm{i}}}（3）

式中P_max 为最大水平推力，kN；P_min 为最小水平推力，kN；g_i 为第i条块的重力，kN；G为滑动体的重力，kN； α_i 为第i条块滑动面与水平面夹角，(°)；l_i 为第i条块滑动线长度，m；b为滑动土体的宽度，m。

对表2结果，结合各试体的含石率进行分析，剪切破坏时S1的P_max和P_min在5个试体中都是最大的，S1的含石率也是最高的，这说明试验区域内含石率越高，土石混合体抗剪强度越高。土石混合体的抗剪性能和其参数与其天然重度和含石率有很大关系，尤其是含石率是影响土石混合体抗剪强度的一个关键因素。究其原因，较优的含石率使得石颗粒之间咬合接触形成骨架，进而使土石混合体抗剪强度提高。表2试验结果表明含石率越高其黏聚力越大，黏聚力与含石率呈明显的正相关，内摩擦角随着含石率的增加没有明显的变化。另外黏聚力和密度也呈明显的正相关。

3 结论

（1）研制了现场水平推剪装置，同时研制了剪切滑动面三维测量装置，使野外推剪加载试验变得易于操作、剪切滑动面的准确形状可以便捷获得。

（2）试验区域内含石率越高，土石混合体抗剪强度越高。黏聚力与含石率呈明显的正相关，内摩擦角随着含石率的增加没有明显的变化。

（3）不同位置试坑内的土石混合体，因密度、含石率、含水率差别，导致其抗剪强度及抗剪强度参数的差别较大，因此想要获取较准确的现场抗剪强度参数，需要进行大量的现场水平推剪试验。

（4）通过对易贡滑坡体进行现场推剪试验，获得了滑坡体局部区域土体的抗剪强度指标，可为滑坡体稳定性分析提供参考。研制的推剪试验装置，亦可为其它现场推剪试验借鉴使用。

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基金资助

国家自然科学基金项目(U20A20111)

西藏自治区自然科学基金项目(XZ202501ZR0024)