一种碎石土和强风化岩的野外卸荷剪切试验方法与流程

1.本发明涉及岩土工程测试技术领域，更具体地说它是一种碎石土和强风化岩的野外卸荷剪切试验方法。


背景技术：

2.在山区岩土工程勘察中，经常遇到碎石土和强风化岩。碎石土的成因主要有残积、坡积、崩积、洪积、冲积及冰积等，物质组成多是无粘性的砾、碎石(卵石)、块石(漂石)等，难以取到原状结构的土样，故在室内试验时，只好采用人工重塑样进行碎石土的剪切试验。然而，工程中经常遇到的碎块石、卵漂石等颗粒粒径达60mm～500mm，甚至达1000mm以上，其抗剪强度的测定也非现有的大型剪切试验仪所能解决。强风化岩通常大部分呈不连续的骨架或心石，小部分已分解成土或砂，就试验难度而言，与碎石土具有相似的特征。
3.野外原位剪切试验的试样结构是原状的，是有发展前途的方法。目前，对于碎石土，适用的原位剪切试验方法主要是水平推挤法，试验主要步骤是开挖试坑，留出一个三面临空的长方形试验土体，然后施加水平推力至剪切破坏。水平推挤法工序简单，对于粒径较大的碎石土及强风化岩在制样方面具有较强的优越性，但其理论依据不够充分，试验结果可靠性低、精度低。
4.综上所述，碎石土、强风化岩由于其独特的组成结构，力学试验难度大，但往往是工程建设中亟需获得力学参数的岩土体，以便对其进行评价和利用。因此，进一步开发可靠性高、精度高的碎石土、强风化岩的剪切试验方法是很有必要的。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了提供一种碎石土和强风化岩的野外卸荷剪切试验方法，为一种基于碎石土、强风化岩质边坡的失稳模式和稳定性计算方法的野外卸荷剪切试验方法，模拟了现场岩土体的失稳模式，具有可靠性高、精度高的特点。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种碎石土和强风化岩的野外卸荷剪切试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
7.步骤1：现场选择自上而下呈缓-陡-缓或缓-陡且周边空旷的斜坡作为试验场地开挖试坑，其中缓坡便于施工，陡坡利于制备试样；
8.步骤2：开挖试坑采用灌水法或灌砂法测定现场碎石土或强风化岩的重度γ；
9.步骤3：顺坡向实测斜坡的地形断面；
10.步骤4：沿地形断面两侧开挖分割槽，留出一个长方体作为试样；
11.步骤5：开挖前缘卸荷槽，同时在两侧分割槽进行观测，当试样产生贯通性剪切面发生滑动时，停止开挖前缘卸荷槽；
12.步骤6：在分割槽内实测剪切滑动面；
13.步骤7：根据实测的地形断面和剪切滑动面绘制滑动体断面图，将试样上已滑动的岩土体划分成若干条块；
14.步骤8：在试验场地内前一试样的相邻位置重复上述步骤3-7，绘制另一个滑动体断面图；
15.步骤9：根据上述步骤所获得的两个滑动体断面图，采用边坡稳定性计算的条分法分别建立方程，然后解方程组，求得试样的抗剪强度参数。
16.在上述技术方案中，在步骤4中，为了控制滑动路径，试样的尺寸应满足如下要求：顺坡向长度＞高度＞横坡向宽度＞最大粒径。
17.在上述技术方案中，在步骤4中，分割槽包括左侧分割槽和右侧分割槽；试样位于左侧分割槽与右侧分割槽之间；前缘卸荷槽位于试样前下方、且位于左侧分割槽与右侧分割槽之间；
18.在步骤6中，在左侧分割槽或右侧分割槽内实测剪切滑动面。
19.在上述技术方案中，在步骤7中，按滑动面的转折点或等距将滑动体划分成若干条块。
20.在上述技术方案中，根据步骤7形成的试样条块，在步骤9中，抗剪强度参数推导公式如下：
21.第1个试样条块i的受力分析如下：
22.n
1i
＝w
1i
cosa
1i
23.t
1i
＝w
1i
sinα
1i
[0024][0025][0026]
其中τ
1i
＝t
1i
[0027]
即
[0028]
其中，c表示试样的黏聚力，kpa；表示试样的内摩擦角，度；w
1i
表示第1个试样条块i的重力，kn/m；t
1i
表示第1个试样条块i滑动面上的切向力；n1i表示第1个试样条块i滑动面上的法向力，kn；τ
1i
表示第1个试样条块i滑动面上的抗剪强度，kpa；l
1i
表示第1个试样条块i滑动面的长度，m；α
1i
表示第1个试样条块i滑动面的法线与竖直线的夹角，度；
[0029]
根据滑动面上的受力平衡，建立第1个试样的方程式：
[0030][0031]
其中，w
1i
＝γa
1i
ꢀꢀꢀ②
[0032]
将式
②
代入式
①
，得：
[0033][0034]
其中，c、γ为不变量，得：
[0035][0036]
其中：c表示试样的黏聚力，kpa；表示试样的内摩擦角，度；γ表示试样的重度，kn/m3；l
1i
表示第1个试样条块i滑动面的长度，m；α
1i
表示第1个试样条块i滑动面的法线与竖直线的夹角，度；w
1i
表示第1个试样条块i的重力，kn/m；a
1i
表示第1个试样条块i的面积，m2；
[0037]
按照第1个试样的方程式的上述建立方法，建立第2个试样的方程式：
[0038][0039]
其中：c表示试样黏聚力，kpa；表示试样的内摩擦角，度；γ表示试样的重度，kn/m3；l
2i
表示第2个试样条块i滑动面的长度，m；α
2i
表示第2个试样条块i滑动面的法线与竖直线的夹角，度；a
2i
表示第2个试样条块i的面积，m2；
[0040]
将式
④
和式
⑤
联立二元一次方程组，得：
[0041][0042]
解方程组，得：
[0043][0044][0045]
其中：c表示试样黏聚力，kpa；表示试样的内摩擦角,度；γ表示试样的重度，kn/m3；l
1i
、l
2i
依次为第1个和第2个试样条块i滑动面的长度，m；α
1i
、α
2i
依次为第1个和第2个试样条块i滑动面的法线与竖直线的夹角，度；a
1i
、a
2i
依次为第1个和第2个试样条块i的面积，m2；其中，c、为未知数，其余参数可直接测得。
[0046]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0047]
(1)本发明提供的方法完全模拟了野外碎石土、强风化岩质边坡的失稳模式，能够反映现场的实际地质情况、精度高，而且工序简单、费用较低，具有较强的适用性；
[0048]
(2)本发明提供的方法中，碎石土和强风化岩抗剪强度参数的计算方法是边坡稳定性计算的逆过程，理论依据充分，计算所得抗剪强度参数的可靠性较高；
[0049]
(3)本发明提供的方法不仅解决了碎石土、强风化岩难以获得接近真实的抗剪强度参数的情况，试验过程中还可观测到边坡的失稳模式，对边坡的失稳机制研究兼具有益价值。
附图说明
[0050]
图1为本发明野外卸荷剪切试验装置图。
[0051]
图2为本发明滑动体断面图。
[0052]
图3为本发明中的条块i受力示意图。
[0053]
图4为本发明的流程图。
[0054]
在图2中，a1为地形线；a2为滑动体；a3为滑动面；a4为前缘卸荷槽。
[0055]
在图3中，wi为条块i的重力；ti为条块i滑动面上的切向力；ni为条块i滑动面上的法向力；τi为条块i滑动面上的抗剪强度；li为条块i滑动面的长度；αi为条块i滑动面的法线与竖直线的夹角。
[0056]
其中1-地形等高线及高程值，2-试样，3-左侧分割槽，4-右侧分割槽，5-前缘卸荷槽。
具体实施方式
[0057]
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
[0058]
参阅附图可知：一种碎石土和强风化岩的野外卸荷剪切试验方法法，其特征在于：包括以下步骤：
[0059]
步骤1：现场选择自上而下呈缓-陡-缓或缓-陡且周边空旷的斜坡作为试验场地(如图1所示)，在工程区内应选择坡角大、接近临界稳定状态的陡坡作为试样位置，而缓坡及空旷区域可保证试验安全可控；
[0060]
步骤2：开挖试坑采用灌水法或灌砂法测定现场碎石土或强风化岩的重度γ，应在临近位置选择代表性的地段进行测定；
[0061]
步骤3：顺坡向实测斜坡的地形断面，地形断面线宜选择拟定试样的中线；
[0062]
步骤4：沿地形断面两侧开挖分割槽(如图1所示)，留出一个长方体的试样(如图1所示)，试样的尺寸应满足如下要求：顺坡向长度l＞高度h＞横坡向宽度b＞最大粒径d；
[0063]
步骤5：开挖前缘卸荷槽(如图1所示)，同时在两侧分割槽(如图1所示)进行观测，当试样产生贯通性剪切面发生滑动时，停止开挖；
[0064]
步骤6：在分割槽(如图1所示)内实测剪切滑动面；
[0065]
步骤7：根据实测的地形断面和剪切滑动面绘制滑动体断面图，按滑动面的转折点或等距将滑动体划分成若干条块(如图2所示)；
[0066]
步骤8：在相邻位置重复上述步骤3-7，绘制另一个滑动体断面图；
[0067]
步骤9：根据上述步骤所获得的两个滑动体断面图，采用边坡稳定性计算的条分法分别建立方程，然后解方程组，求得试样的抗剪强度参数。
[0068]
在上述技术方案中，在步骤9中，抗剪强度参数推导公式如下：
[0069]
1)第1个试样条块i的受力分析如下(如图3所示)：
[0070]n1i
＝w
1i
cosα
1i
[0071]
t
1i
＝w
1i
sinα
1i
[0072][0073][0074]
其中τ
1i
＝t
1i
[0075]
即
[0076]
其中，c-试样的黏聚力；-试样的内摩擦角；w
1i-第1个试样条块i的重力；t
1i-第1个试样条块i滑动面上的切向力；n1i-第1个试样条块i滑动面上的法向力；τ
1i-第1个试样条块i滑动面上的抗剪强度；l
1i-第1个试样条块i滑动面的长度；α
1i-第1个试样条块i滑动面的法线与竖直线的夹角。
[0077]
2)根据滑动面上的受力平衡，建立第1个试样的方程式
[0078][0079]
其中，w
1i
＝γa
1i
②
[0080]
将式
②
代入式
①
，得
[0081][0082]
其中，c、γ为不变量，得
[0083][0084]
式中，c-试样的黏聚力，kpa；-试样的内摩擦角，度；γ-试样的重度，kn/m3；l
1i-第1个试样条块i滑动面的长度，m；α
1i-第1个试样条块i滑动面的法线与竖直线的夹角，度；w
1i-第1个试样条块i的重力，kn/m；a
1i-第1个试样条块i的面积，m2。
[0085]
3)同理，建立第2个试样的方程式
[0086][0087]
其中，c-试样黏聚力，kpa；-试样的内摩擦角，度；γ-试样的重度，kn/m3；l
2i-第2个试样条块i滑动面的长度，m；α
2i-第2个试样条块i滑动面的法线与竖直线的夹角，度；a
2i-第2个试样条块i的面积，m2。
[0088]
4)将式
④
和式
⑤
联立二元一次方程组，得
[0089][0090]
解方程组，得
[0091][0092][0093]
其中，c-试样黏聚力，kpa；-试样的内摩擦角,度；γ-试样的重度，kn/m3；l
1i
、l
2i-依次为第1个和第2个试样条块i滑动面的长度，m；α
1i
、α
2i-依次为第1个和第2个试样条块i滑动面的法线与竖直线的夹角，度；a
1i
、a
2i-依次为第1个和第2个试样条块i的面积，m2。
[0094]
式
⑦
和式
⑧
中，只有c、为未知数，其余参数可直接测得。
[0095]
本发明提供的方法中，1组试验需要两个试样，在工程区内完成规范规定的试验组数，然后进行统计分析，即可获得碎石土、强风化岩抗剪强度的代表性参数，获取力学试验数据。
[0096]
本发明提供的方法完全模拟了野外碎石土、强风化岩质边坡的失稳模式，通常在野外容易选择满足试验需求的场地，工序简单、安全可控、费用较低，具有较强的适用性。此外，在试验过程中，也可以通过在坡面堆载或将试样浸水等，以满足不同工况对抗剪强度参数的需求，获取各种力学试验数据。
[0097]
实际的操作过程中，可利用试验中观测到的边坡失稳模式，借助计算机技术进行抗剪强度参数的反演分析，计算过程便捷，计算精度也较高。
[0098]
其它未说明的部分均属于现有技术。