張祥恒，王 振，曹 凡，王延寧，陳柏林

（1.煙臺(tái)魯東勘察測繪有限公司，山東 煙臺(tái) 264004； 2.山東省地礦局鉆探工程技術(shù)研究中心，山東 煙臺(tái) 264004；3.中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100053； 4.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺(tái) 264004；5.自然資源部地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)創(chuàng)新中心（重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院），重慶 401120）

0 引言

巖土體在剪切作用下所能發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度，尤其是作為薄弱層的巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，在滑坡穩(wěn)定分析中起著至關(guān)重要的作用，是滑坡穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)和支擋工程設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算下滑力所必需的參數(shù)［1］。獲取巖土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)目前常用有3 種方法：（1）自滑坡體或滑坡帶采集原狀土樣，進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)［2-3］或三軸試驗(yàn)［4］；（2）對(duì)滑坡體或滑坡帶進(jìn)行現(xiàn)場原位剪切試驗(yàn)［5-8］；（3）基于極限平衡原理的滑面指標(biāo)反算法［9-10］。室內(nèi)直剪試驗(yàn)或三軸試驗(yàn)，所采集原狀土樣已脫離原應(yīng)力環(huán)境［11-12］，試樣在室內(nèi)制取和試驗(yàn)過程中不可避免的會(huì)造成擾動(dòng)，所獲取的試驗(yàn)指標(biāo)和原位應(yīng)力條件下的抗剪強(qiáng)度往往存在一定差異，在滑坡穩(wěn)定性分析過程中，會(huì)有較大偏差［13-14］。滑面指標(biāo)反算法從物理意義而言較為明確，且可操作性較強(qiáng)，所反映出的滑坡穩(wěn)定狀態(tài)一般較真實(shí)，但是具有嚴(yán)格的限制條件［15-16］，應(yīng)用范圍受限制。對(duì)于現(xiàn)場原位剪切試驗(yàn)，試樣受擾動(dòng)更小，試驗(yàn)狀態(tài)與滑坡體內(nèi)巖土體所處狀態(tài)較為吻合，得到的參數(shù)也更加真實(shí)［13］，對(duì)于測定邊坡內(nèi)部發(fā)育的結(jié)構(gòu)面、巖土層接觸面、邊坡滑動(dòng)面，適用性較強(qiáng)，同時(shí)也是測定顆粒成分較復(fù)雜的混合土層的抗剪強(qiáng)度的重要手段之一［17-19］。

重慶華宇·觀瀾華府項(xiàng)目工程滑坡勘察，在現(xiàn)場做原位剪切試驗(yàn)的同時(shí)，采集原狀樣品進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，獲取兩種不同試驗(yàn)下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，分別取用兩種參數(shù)對(duì)不同工況下的滑坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算，并與滑坡體的實(shí)際變形特征進(jìn)行比較，驗(yàn)證了原位剪切試驗(yàn)確定土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的合理性。

1 工程概況

重慶市大渡口區(qū)大渡口組團(tuán)D 分區(qū)D10-3-1 地塊華宇·觀瀾華府項(xiàng)目，該項(xiàng)目位于重慶市大渡口區(qū)八橋鎮(zhèn)，包含16 棟樓，10 棟多層住宅、4 棟高層以及2 棟配套用房，項(xiàng)目總建筑面積21.57 萬m2，其中地上建筑面積16.16 萬m2，地下建筑面積5.41 萬m2，場區(qū)地貌類型為山地，地勢起伏較大，整體呈北高南低，場區(qū)±0 標(biāo)高為287.2 m，北側(cè)山體標(biāo)高約290.0～310.0 m，高差約20.0～25.0 m，在場地平整開挖過程中，場地東側(cè)2 號(hào)樓北側(cè)出現(xiàn)了滑坡現(xiàn)象，滑坡體位置信息見圖1。

1.1 滑坡空間形態(tài)

該處滑坡平面形態(tài)呈圓弧狀，滑坡縱向長約40 m，橫向?qū)捈s70 m，面積約1800 m2，滑體厚度為5.0～7.1 m，平均厚度約6.2 m，總體積約9500 m3，屬中型滑坡，主滑方向228°，滑坡體的總體平面圖見圖2。

圖2 滑坡平面圖Fig.2 Plan of the landslide

1.2 滑坡物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征

據(jù)勘探揭露，滑體物質(zhì)主要由第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)粘土組成，呈褐紅、紫褐色，稍濕，可塑狀，土質(zhì)不均，夾有少量砂、泥巖碎塊?；瑤挥谕馏w與基巖接觸處，厚度一般為1～20 cm，主要由紫褐色粉質(zhì)粘土夾巖石碎塊組成，呈軟塑狀，多呈綠灰、紫褐色，可見滑動(dòng)鏡面?；矠橘_系中統(tǒng)沙溪廟組砂質(zhì)泥巖，縱向沿主滑方向呈拆線形，傾角為3°～14°，橫向呈“U”字型，其典型工程地質(zhì)剖面見圖3。

圖3 典型工程地質(zhì)剖面Fig.3 Typical engineering geological section

1.3 滑坡變形特征及形成機(jī)制分析

滑坡體范圍內(nèi)未經(jīng)土石方開挖平場時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，未見變形跡象。土石方開挖導(dǎo)致前緣形成臨空面，2017 年1 月10 日開始發(fā)現(xiàn)坡體中后緣出現(xiàn)多條平行的張拉裂縫，并有逐漸擴(kuò)展的趨勢，到2017年1 月18 日測量的最大裂縫殘余寬0.3 m，深0.5～1.2 m，長10 m，裂縫總體走向呈140°。此后該滑坡體仍處于緩慢整體蠕動(dòng)變形狀態(tài)，2017 年1 月22 日施工單位進(jìn)行了坡前反壓處理后變形穩(wěn)定。

經(jīng)分析，該滑坡體發(fā)育在山體斜坡地帶，以第四系坡殘積物為主，土石方開挖改變了斜坡原有的應(yīng)力狀態(tài)，是本次出現(xiàn)工程滑坡的主要誘因之一?；麦w后緣有一魚塘，土石方平場施工過程中將魚塘挖開后其塘內(nèi)水體流經(jīng)滑坡體范圍內(nèi)，沿巖土孔隙或地面洞穴下滲，在第四系殘積夾碎石的粉質(zhì)粘土層和侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組砂質(zhì)泥層的接觸面匯集，改變了滑帶內(nèi)各巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，也導(dǎo)致土體沿滑面產(chǎn)生滑動(dòng)破壞。綜上分析并結(jié)合現(xiàn)場滑坡變形特征判定，該處滑坡破壞機(jī)制為蠕滑-拉裂。

2 現(xiàn)場原位剪切試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)點(diǎn)布置

土-巖界面原位剪切試驗(yàn)?zāi)康闹饕翘峁┩?巖界面在天然含水狀態(tài)下以及人工浸水狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。本次試驗(yàn)在該滑坡體前緣布置了6 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，編號(hào)為TJ1～TJ6，其中試驗(yàn)點(diǎn)TJ1～TJ3 為天然含水狀態(tài)，試驗(yàn)點(diǎn)TJ4～TJ6 為浸水飽和狀態(tài)（對(duì)試驗(yàn)位置注水24 h，現(xiàn)場采集樣品測定飽和度，飽和度＞85 默認(rèn)為飽和），具體布置參見圖2。

原位剪切試驗(yàn)采用2500 cm2剪切儀，剪切面積為2500 cm2，剪切盒內(nèi)邊長50 cm，試塊高度為30 cm。以人工開挖的方式進(jìn)行，試塊間距以相互不產(chǎn)生不良應(yīng)力影響為宜。在預(yù)留深度處開挖出略大于預(yù)定試樣的試件塊體，然后再用切割機(jī)、釬等工具進(jìn)行細(xì)部人工修正，將試件周圍巖土面修鑿平整，直至規(guī)格為50 cm×50 cm×30 cm。所有試塊四周均開挖至滑動(dòng)面（巖土界面）以下3～5 cm。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)含3 個(gè)試塊，分別滿足法向荷載為140、280、420 kPa時(shí)剪切要求。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及安裝

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

（1）法向荷載系統(tǒng)由HC-30（300 kN）型數(shù)顯拉拔儀、鋼墊板、滾軸排、傳力筒等組成。剪切荷載系統(tǒng)由HC-10（100 kN）型數(shù)顯拉拔儀、前后座鋼墊板、傳力筒等組成。

（2）測量系統(tǒng)設(shè)備由大量程百分表、磁力表座等組成。

2.2.2 設(shè)備安裝

（1）法向系統(tǒng)安裝：在試體頂部鋪一層細(xì)砂并找平，使試體頂面與預(yù)定剪切面平行，然后放上鋼墊板，在其上依次安放滾軸排、墊板、千斤頂、傳力筒、頂部鋼墊板等。整個(gè)法向系統(tǒng)垂直于剪切面，法向荷載的作用方向通過預(yù)定剪切試塊的幾何中心。加載的反力裝置由現(xiàn)場的工字鋼、鋼板、砂袋等組成。

（2）水平系統(tǒng)安裝：水平推力裝置由千斤頂和墊板等組成，在試樣制作時(shí)應(yīng)在施加水平荷載一邊預(yù)留一定距離放置千斤頂和墊板，放置千斤頂時(shí)要保持其平衡，并使合力作用點(diǎn)位于剪切面的中心，推力方向與預(yù)定剪切方向平行，千斤頂?shù)姆戳τ稍嚥蹅?cè)壁提供。

加載過程中，試樣的水平位移和垂直位移各采用2 個(gè)精度為0.01 mm 的百分表測定。

2.3 荷載施加

試驗(yàn)時(shí)先施加垂直荷載，再觀測垂直位移，待位移穩(wěn)定后，保持垂直荷載不變，再施加水平向荷載。

（1）法向荷載施加：3 個(gè)試體的最大法向應(yīng)力分別設(shè)定為140、280、420 kPa，為了使試樣產(chǎn)生充分應(yīng)變，以便于詳細(xì)觀察記錄應(yīng)變各階段特征，按分配法將垂直荷載等分5 級(jí)施加于每個(gè)試樣，每級(jí)垂直荷載施加時(shí)間間隔為5 min，最后一級(jí)荷載施加完成后，每間隔5 min 測讀一次垂直位移，當(dāng)連續(xù)兩次位移之差≯0.01 mm 時(shí)，方可施加水平荷載。

（2）剪切荷載施加：開始按預(yù)估最大剪切荷載的10%分級(jí)施加剪切荷載，剪切荷載采用時(shí)間控制，每間隔5 min 加載一級(jí)。當(dāng)剪切位移增量達(dá)到前級(jí)位移增量的1.5 倍時(shí)，剪切荷載改為5%等量施加。

2.4 試驗(yàn)成果

2.4.1 剪斷面特征

現(xiàn)場6 組原位剪切試驗(yàn)均沿預(yù)定剪切面剪斷，各組試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖性一致，且試體剪斷面層面一致，剪斷方向能代表巖土層潛在滑動(dòng)方向，各試驗(yàn)位置布置合理，相互間無不良應(yīng)力影響，較為客觀真實(shí)的反映了試驗(yàn)層面的剪切性能，其典型剪切面特征見圖4、圖5。

圖4 TJ2 剪切面Fig.4 Shearing surface of TJ2

圖5 TJ4 剪切面Fig.5 Shearing surface of TJ4

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)各組試樣試驗(yàn)計(jì)算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表1、表2，典型抗剪強(qiáng)度曲線見圖6、圖7。由試驗(yàn)結(jié)果可知：（1）飽和狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)較天然狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)下降，其中粘聚力c下降約35%，內(nèi)摩擦角φ下降約20%；（2）殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)較峰值抗剪強(qiáng)度參數(shù)下降，其中粘聚力c下降約29%，內(nèi)摩擦角φ下降約33%。

表1 天然工況原位剪切試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of in?situ shear test results under natural working conditions

表2 飽和工況原位剪切試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of in?situ shear test results of saturated working conditions

圖6 TJ2（天然）抗剪強(qiáng)度曲線Fig.6 Shear strength curve of TJ2 (natural)

圖7 TJ4（飽和）抗剪強(qiáng)度曲線Fig.7 Shear strength curve of TJ4 (saturated)

為了進(jìn)一步探索剪切過程中巖-土分界面的變形規(guī)律，繪制剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線，見圖8、圖9。

圖8 TJ2（天然）剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系Fig.8 Relationship between shear stress and displacement of TJ2 （natural）

圖9 TJ4（飽和）剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系Fig.9 Relationship between shear stress and displacement of TJ4 （saturated）

從曲線中可以看出，各試體不同應(yīng)力狀態(tài)下，剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線形態(tài)基本保持一致，呈現(xiàn)出較為理想的應(yīng)力屈服和塑性變形特征。剪應(yīng)力-位移曲線可劃分為4 個(gè)明顯的階段：

（1）線彈性變形階段，即試樣受力變形的初始階段，應(yīng)變隨應(yīng)力近似呈線性變化，在剪應(yīng)力-位移曲線中，呈現(xiàn)由直線逐漸變彎的過程，由試驗(yàn)現(xiàn)場觀測可知，此階段試樣已開始產(chǎn)生了一些小變形，但僅是局限于試樣的底部，尚未形成較明顯的貫通剪切面；

（2）彈塑性變形階段，試樣現(xiàn)場可以觀測到破裂，但是破裂傳播的速度還處于比較緩慢的階段，說明此階段試樣開始逐步形成剪切面并繼續(xù)發(fā)展；

（3）峰值段，隨著所施加應(yīng)力的繼續(xù)增大，應(yīng)變速度相較于上一階段也出現(xiàn)明顯增大，破裂開始在試樣內(nèi)部快速傳播，相較于前兩階段，該階段呈現(xiàn)出小應(yīng)力增幅，大應(yīng)變?cè)龇奶卣鳎f明在應(yīng)變的快速持續(xù)增大過程中，試樣的極限位置已產(chǎn)生破壞；

（4）應(yīng)變軟化段，此階段出現(xiàn)在峰值應(yīng)力點(diǎn)以后，隨著應(yīng)變繼續(xù)增大，應(yīng)力逐漸下降到一平穩(wěn)值，最后形成強(qiáng)度的殘余值。

3 室內(nèi)試驗(yàn)與原位抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比與分析

3.1 參數(shù)對(duì)比

為說明原位剪切試驗(yàn)指標(biāo)和室內(nèi)剪切試驗(yàn)指標(biāo)的差異，本次試驗(yàn)還在原位剪切試驗(yàn)試坑中利用刻槽法采集原狀土樣7 組進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，并對(duì)其試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了比較，見表3。

從表3 中可以看出，室內(nèi)試驗(yàn)中測得的指標(biāo)平均值均較原位大型剪切試驗(yàn)指標(biāo)平均值高。分析認(rèn)為造成上述差異的原因主要有以下2 點(diǎn)：

（1）大面積直剪試驗(yàn)剪切試件橫截面積為2500 cm2，而室內(nèi)剪切試驗(yàn)試件面積30 cm2。由于滑動(dòng)的的巖土成分復(fù)雜，剪切面積大，往往更具有代表性。本項(xiàng)目所剪切的滑移面為夾碎石的粉質(zhì)粘土原狀土，原位剪切試驗(yàn)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更能代表真實(shí)滑動(dòng)帶巖土體抗剪強(qiáng)度特性，而室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)，剪切土樣小，土樣基本為純粉質(zhì)粘土，土體的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，因此所得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)偏大。

（2）根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，滑動(dòng)帶厚度一般為1～20 cm，位于土巖分界面，并且可見明顯的綠灰色滑動(dòng)鏡面，呈軟塑狀，想要在土巖界面精確取樣比較困難，實(shí)際取樣位置位于粉質(zhì)粘土層中下部，粉質(zhì)粘土抗剪強(qiáng)度參數(shù)并不能代表滑動(dòng)接觸面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

3.2 滑坡體的穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場原位剪切試驗(yàn)參數(shù)和室內(nèi)直接快剪試驗(yàn)參數(shù)，分別對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行自重工況（工況1）及自重+暴雨工況（工況2）下的計(jì)算，計(jì)算簡圖見圖10，計(jì)算方法采用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）中A.0.3 規(guī)定的傳遞系數(shù)法，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 穩(wěn)定性分析對(duì)比Table 4 Comparison of stability analysis

圖10 傳遞系數(shù)法計(jì)算簡圖Fig.10 Diagram of transmit coefficient method

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：現(xiàn)場原位試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度參數(shù)在工況2 下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在工況1 下處于穩(wěn)定狀態(tài)，室內(nèi)快剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度參數(shù)在工況2 下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在工況1 下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由滑坡體的實(shí)際變形特征可知，在經(jīng)歷了前期的劇烈滑動(dòng)之后，大部分勢能已經(jīng)被釋放，其后幾天時(shí)間內(nèi)均保持緩慢蠕滑狀態(tài)，處于臨界狀態(tài)-欠穩(wěn)定狀態(tài)之間，因此根據(jù)現(xiàn)場原位剪切試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的計(jì)算結(jié)果更加符合滑坡體狀況的實(shí)際表現(xiàn)。

值得說明的是，本項(xiàng)目試驗(yàn)得出室內(nèi)試驗(yàn)測得的指標(biāo)平均值均較原位大型剪切試驗(yàn)指標(biāo)平均值高的結(jié)論只針對(duì)該項(xiàng)目，并不具有普適性。有關(guān)文獻(xiàn)曾得出室內(nèi)試驗(yàn)中二次剪切和飽和殘剪測得的指標(biāo)平均值均較原位大型剪切試驗(yàn)指標(biāo)平均值低，特別是內(nèi)摩擦角φ差異較大。也有文獻(xiàn)曾得出對(duì)于黏聚力，飽和狀態(tài)下兩種試驗(yàn)的結(jié)果差異較大，天然狀態(tài)下則差別不明顯；對(duì)于內(nèi)摩擦角，天然狀態(tài)下前者的試驗(yàn)結(jié)果較小，而對(duì)于飽和狀態(tài)，前者的試驗(yàn)結(jié)果則大于后者。這恰恰說明傳統(tǒng)的室內(nèi)剪切試驗(yàn)因代表性差結(jié)果存在一定差異，因此單憑室內(nèi)剪切試驗(yàn)結(jié)果判定滑坡體的穩(wěn)定是有局限的。在條件允許的情況下實(shí)施原位大型剪切試驗(yàn)，用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為輔助驗(yàn)證是合理的。

4 結(jié)論

（1）室內(nèi)剪切試驗(yàn)結(jié)果可能存在較大偏差。主要原因有3 個(gè)方面：①滑帶土厚度一般規(guī)模較小，大多集中在幾毫米到幾十厘米之間，且處于不同發(fā)育階段的滑動(dòng)體，其滑帶土狀態(tài)也不同，正在活動(dòng)或者活動(dòng)時(shí)間不久的滑坡，其滑帶土大部分呈軟塑狀，力學(xué)性質(zhì)軟弱，按照常規(guī)取樣方法，取樣難度和樣品所受擾動(dòng)極大；②由于滑帶土成分復(fù)雜，多為非均質(zhì)、不連續(xù)的結(jié)合體，成分的復(fù)雜性所帶來的是其顆粒級(jí)配及孔隙率等指標(biāo)也各不相同，室內(nèi)試樣由于尺寸較小，不具備客觀代表性，因此剪切試驗(yàn)試件的大小在某種程度上影響了試驗(yàn)成果的準(zhǔn)確性和適用性；③滑動(dòng)帶除了土材料之外，還包括節(jié)理、裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面，而室內(nèi)試驗(yàn)試樣難以包含這些軟弱結(jié)構(gòu)面。

（2）原位剪切試驗(yàn)對(duì)邊坡巖土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選取及邊坡的工程治理優(yōu)化具有重要參考價(jià)值。不管是從尺寸效應(yīng)上還是應(yīng)力狀態(tài)上，原位剪切試驗(yàn)結(jié)果均較室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果有較大優(yōu)勢和可信度建議大型邊坡工程勘察治理設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行原位大型剪切試驗(yàn)。

（3）原位試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果可靠，可做為該邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和加固設(shè)計(jì)的依據(jù)。本項(xiàng)目根據(jù)原位剪切試驗(yàn)得出滑帶土飽和殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)：c=5.6 kPa、φ=7.9o，由此計(jì)算得到的邊坡穩(wěn)定性與實(shí)際情況吻合，而采用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果得出的結(jié)論可能存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）原位剪切試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的應(yīng)力屈服和塑性變形特征，具體可分為4 個(gè)階段，即線彈性變形段、彈塑性變形段、峰值段、應(yīng)變軟化段，可以為考慮滑坡漸進(jìn)破壞理論的研究提供依據(jù)。