昔格达组黏土岩和粉砂岩现场直剪试验研究

周罕^{1, 2}，曹平¹，张科¹

(1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 云南铜业(集团)有限公司，云南 昆明，650051)

摘要：通过昔格达组黏土岩和粉砂岩自然状态与饱水状态下的现场直接剪切试验，获得不同法向应力及含水率下的剪应力-剪切变形曲线，对这几组曲线特征进行对比分析和总结，采用最小二乘法对自然状态与饱水状态下的抗剪强度参数进行求解。最后，从亲水性矿物化学腐蚀反应的角度出发，分析了水对昔格达组黏土岩和粉砂岩的损伤机理。试验结果表明：昔格达组地层的剪切变形过程可大致分为3个阶段。昔格达组黏土岩和粉砂岩的剪切强度随着法向应力的增大而增大，随着含水率的增大而减小；水对黏聚力的弱化程度比内摩擦角更显著，粉砂岩强度参数衰减幅度比黏土岩大。现场直剪试验测得的强度参数大于室内测试结果，边坡稳定性评价中黏聚力和内摩擦角取值应充分考虑现场试验结果，减少设计的保守性。

关键词：昔格达组地层；黏土岩；粉砂岩；现场直剪试验；抗剪强度

中图分类号：TU 459          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)10-3544-07

In-situ direct shear test on Xigeda Formation clay stone and siltstone

ZHOU Han^{1, 2}, CAO Ping¹, ZHANG Ke¹

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Yunnan Copper Group Co. Ltd., Kunming 650051, China)

Abstract: In-situ direct shear tests on Xigeda Formation clay stone and siltstone were carried out in natural and saturated state. Relationship curves between shear stress and shear deformation for clay stone with different normal stresses and water contents were obtained. The shear strength parameters were calculated using least square method. The results show that the shear deformation process can be divided into three stages. From the perspective of caustic chemical reactions of hydrotropic minerals, the damage mechanism of Xigeda Formation clay stone and siltstone induced by water was analyzed. The results show that the shear strengths of Xigeda Formation clay stone and siltstone increase with the increase of the normal stress, while they decrease with the increase of water content. The decrease range of cohesion is larger than that of friction angle, and the decrease range of shear strength for siltstone is larger than that for clay stone. The shear strength parameters by in-situ direct shear tests are higher than those by indoor tests. The results got by in-situ direct shear tests must be fully considered in the determination of cohesion and friction angle for the evaluation of the slope stability. The conservativeness in the design will be reduced.

Key words: Xigeda strata; clay stone; siltstone; in-situ direct shear test; shear strength

岩土体强度是边坡稳定性分析中的重要参数，由于岩土体受到岩性、结构面和地下水等多种因素作用^[1]，强度参数的取值一直是岩土力学领域的重大难题之一。如何准确地确定强度参数不仅具有十分重要的科学意义，而且可为边坡工程防灾减灾提供技术支持。确定岩土体强度参数常用的方法有室内和现场岩体力学试验、工程类比及专家经验估算。室内试验的结果会受到试样尺寸小和扰动等影响。而现场测试对岩土体的扰动小，基本保持其天然结构、含水量及原有应力状态；另外试样尺寸大，更好地反映宏观结构对岩土体性质的影响。因此，现场测试所得的参数与室内试验结果相比，更能符合岩土体的实际情况。刘斯宏等^[2]对宜兴抽水蓄能电站上库堆石料进行了现场直剪试验。杨继红等^[3]对堆积体进行了原位直剪试验，并将测试所得的抗剪强度参数应用于三维稳定性评价。邢皓枫等^[1]对南水北调西线工程的板岩、砂岩以及砂岩夹板岩进行了现场大型剪切试验。鲁祖德等^[4-5]对天然状态与饱和状态下强风化角岩岩体进行了现场直接剪切试验。徐晓斌等^[6]对强风化花岗岩进行了现场直剪试验。昔格达组地层以攀枝花市盐边县红格乡昔格达村命名，是一套半成岩，也是一种工程性质差的极软岩^[7]。昔格达组地层分布面积达40 000 km²，主要分布在金沙江及其支流安宁河、雅砻江等河谷地带，主要由浅黄—灰黄色、灰绿色、深灰色互层状黏土岩和粉砂岩组成。昔格达组地层形成时代较新，先期固结压力较小，没有完成沉积成岩作用，表现出似土非土，似岩非岩的物理力学特征。正是这种独特的特征导致其性质不稳定、易滑等工程地质特征。20世纪80年代，国家在攀枝花地区进行大规模基础建设。早期由于对昔格达组地层性质认识不清，在建设过程中或建设后，很容易发生滑坡等地质灾害，其物理力学性质及工程地质特性逐渐引起技术人员和研究人员的关注。目前对昔格达组地层强度参数取值主要通过室内试验获得。文丽娜等^[8]对西攀高速公路新九地区昔格达地层中粉质细砂岩及粉质页岩进行室内直剪试验，得到昔格达地层抗剪强度指标与含水率的关系。巫锡勇等^[9]通过室内试验确定喇嘛溪沟昔格达组的物理力学性质。杨碧等^[10]根据野外钻孔压水试验、室内压缩试验以及室内固结剪切实验研究昔格达组黏土岩及粉砂岩的渗透性、膨胀性、抗压及抗剪强度特性。张威等^[11]对昔格达组黏土岩进行不同含水率下的室内直剪试验，分析含水率对黏土岩抗剪强度的弱化作用。上述研究尚未涉及到昔格达组地层的现场剪切力学特性，并考虑不同含水条件的影响。本文对自然状态与饱水状态下昔格达组黏土岩和粉砂岩，进行现场直接剪切试验，研究其强度与变形特征，以获取更为准确可靠的抗剪强度参数，以便为边坡设计提供依据。

1  试验概述

1.1  试验地点

试验地点位于攀钢西昌钒钛钢铁新基地工程场地。拟对建设场地进行工程整平，在平台与平台间形成长度为5~20 m的人工边坡，场区周围也将形成长度为5~55 m的挖方边坡。场区处于安宁河流域中段，昔格达组地层是工程区的主要地层。地层主体为黏土岩及粉砂岩，是整平后成为工程地基、挖方边坡，以及作为填筑土的主要地层。

根据前期勘察资料，结合室内试验及原位测试成果，场地内昔格达组黏土岩和粉砂岩物理力学性状如下。

1) 昔格达组黏土岩。半成岩，该层节理裂隙极发育，岩体破碎，强风化呈土状，室内土工试验及原位测试反映：孔隙比e=0.94，液性指数I_L=0.22，呈硬塑－坚硬状态，压缩系数a_1-2=0.19 MPa^-1，具中压缩性，标准贯入试验锤击数N=20.2，静力触探锥尖阻力q_c=6.178 MPa，侧摩阻力f_s＝314.5 kPa。

2) 昔格达组粉砂岩。半成岩，该层节理裂隙极发育，岩体破碎，强风化呈砂土状，室内土工试验及原位测试反映：孔隙比e＝0.76，压缩系数a_1-2=0.15 MPa^-1，具中等压缩性，标准贯入试验锤击数N=22.2，静力触探锥尖阻力q_c=7.247 MPa，侧摩阻力f_s=331.9 kPa。

昔格达组黏土岩和粉砂岩的工程性状直接影响工程建设的顺利进行，必须采用现场测试方法，更加准确地研究昔格达组地层的强度和变形特性。

1.2  试验设备

现场直剪试验采用垂直向加压和水平推剪的直剪方法，试验设备分为垂向加压部分、水平推力部分以及量测系统。垂向加压系统采用堆重平台反力装置提供垂向力，油压千斤顶分级施力。水平推力系统采用试槽壁固定支座提供反力，采用球铰、传力柱及千斤顶直接分级将水平推力作用于剪切盒上，达到分级加载的目的。测量力学部分采用标定后的2个独立的千斤顶-压力表施力系统施力。垂直压缩变形采用精密百分表观测，水平位移采用固定百分表观测，测点设在剪切盒受力面。

1.3  试验方法

根据勘察方案技术要求，按照《岩土工程勘察规范》^[12]和《现场直剪试验规程》^[13]，对于昔格达组黏土岩和粉砂岩，分别在b244钻孔西南侧约100 m处和b66钻孔附近等2个位置进行现场直剪试验。b244钻孔西南侧约100 m处为黏土岩，开挖6组试验试槽，如图1(a)所示，每组制备试件4块，其中3组为天然状态(分别记为D1，D2和D3)，3组为饱水状态(分别记为DB1，DB2和DB3)。b66钻孔附近处为粉砂岩，开挖6组试验试槽，每组制备试件4块，其中3组为天然状态(分别记为D4，D5和D6)，3组为饱水状态(分别记为DB4，DB5和DB6)。试样长×宽为50 cm×50 cm，制样完备后直接测量其实际尺寸，如图1(b)所示。

试验步骤^[12-13]如下：

1) 施加垂向压力，待试块沉降稳定后，施加水平推力。

2) 水平推力施加前，参照同种岩性估算最大推力，将最大推力分为1/8~1/10分级施加。

3) 每分钟记录压力表和百分表读数，当变形相对趋于平稳时，方可施加下一级荷载，直至剪切破坏。

图1  现场直接剪切试验示意图

Fig. 1  Schematic diagram of in-situ direct shear test

4) 试验结束后，翻起试样，对试块进行描述，如图1(c)所示。

2  试验成果及分析

2.1  剪切力-剪切变形曲线特征分析

图2和图3所示为具有代表性的昔格达组黏土岩(D1和DB1组)和粉砂岩(D6和DB6组)试件在不同法向应力下的剪应力-剪切变形关系曲线。试件峰值剪切强度取曲线中每级法向应力下剪应力的最大值。根据试验结果，昔格达组黏土岩和粉砂岩的剪切变形过程大致可以分为3个阶段：第1阶段：即线弹性阶段，剪应力-剪切变形近似呈线性关系，剪切变形呈弹性特征；第2阶段：即屈服阶段，随着剪应力的增加，产生塑性剪切变形并发生屈服；第3阶段：即塑性破坏阶段，剪应力达到峰值，试样发生微小震动，并带有轻微响声，剪切变形转变为沿软弱面滑移。自然状态与饱水状态的剪应力－剪切变形关系曲线特征较为相似，均包含上述3个剪切变形阶段。

2.2  不同法向应力下剪应力-剪切变形关系

从图2和图3可以看出：对于昔格达组黏土岩和粉砂岩，自然状态和饱水状态下剪应力随法向应力的变化趋势基本相同。随着法向应力的增大，线弹性阶段剪应力-剪切变形曲线的斜率逐渐增大，峰值剪切强度也随之增大。

对于昔格达组黏土岩，不同含水状态下黏土岩试样峰值剪切强度曲线如图4所示。从图4可以看出：自然状态下，D1组试件在第2，3和4级法向力下的峰值剪应力分别比第1级法向力下增长35.9%，65.2%和92.0%；在饱水状态下，DB1组试件在第2，3和4级法向力下的峰值剪应力分别比第1级法向力下增大27.5%，75.3%和91.1%。对于昔格达组粉砂岩，从图6可以看出：自然状态下，D6组试件在第2，3和4级法向力下的峰值剪应力分别比第1级法向力下增长约为36.0%，80.9%和111.2%；在饱水状态下，DB6组试件在2，3和4级法向力下的峰值剪应力分别比第1级法向力下增长61.1%、97.0%和150.7%。对于昔格达组黏土岩和粉砂岩，无论是天然状态还是饱水状态，峰值剪应力的增加幅度随着法向应力增大而增大；而粉砂岩峰值剪应力的增加幅度比黏土岩的大。

2.3  含水率对剪切强度和变形特征的影响

以DB1组黏土岩饱水试件为例，从图4可以看出：在第1，2，3和4级法向应力下的峰值剪应力分别比自然状态的试件(D1，D2和D3组)降低17.0%~26.6%，23.5%~27.3%，13.6%~22.9%，22.9%~25.1%。以DB6组粉砂岩饱水试件为例，不同含水状态下粉砂岩试样峰值剪切强度曲线如图5所示。从图5可以看出：在第1，2，3和4级法向应力下的峰值剪应力分别比自然状态的试件(D4，D5和D6组)降低33.8%~56.2%，24.2%~48.8%，29.4%~47.7%，22.2%~47.4%。

图2  不同法向应力下黏土岩试件的剪应力-剪切位移曲线

Fig. 2  Relationship curves of shear stress and shear deformation for clay stone under different normal stresses

图3  不同法向应力下粉砂岩试件的剪应力-剪切位移曲线

Fig. 3  Relationship curves of shear stress and shear deformation for siltstone under different normal stresses

图4  不同含水状态下黏土岩试件峰值剪切强度曲线

Fig. 4  Curves of peak shear strength for clay stone under different water contents

各组试件法向应力-峰值剪应力线性关系较好，根据各级法向应力与其对应的峰值剪应力关系曲线，结合摩尔-库仑准则，法向应力-峰值剪应力关系为：

              (1)

式中：τ_max为峰值剪应力；σ为法向应力；φ为内摩擦角；c为黏聚力。

采用最小二乘法计算昔格达组黏土岩和粉砂岩不同试验组的峰值剪切强度参数(c和φ)，如表1所示。由表1可看出：对于黏土岩，饱水条件对比自然条件下黏聚力平均降低29.7%，内摩擦角平均降低20.2%；对于粉砂岩，饱水条件对比自然条件下黏聚力平均降低43.8%，内摩擦角平均降低20.8%。总体上，对于同一种岩性，c下降幅度相对φ的下降幅度较大，而粉砂岩强度参数下降幅度比黏土岩的下降幅度大。

图5  不同含水状态下粉砂岩试件峰值剪切强度曲线

Fig. 5  Curves of the peak shear strength for siltstone under different water contents

表1  现场剪切试验结果

Table 1  Results of in-situ shear tests

从图2和图3可以看出：对于同一种试件，在相同法向应力作用下，饱水状态下线弹性阶段剪应力-剪切变形曲线的斜率较天然状态下的小；饱水状态下峰值剪切强度对应的剪切变形较天然状态下的大，表明水也能加速昔格达组岩体的软化，加大岩体变形量，延长变形过程。

因此，将昔格达组地层作为基础持力层时，应避免水浸泡及扰动，对边坡地段应作好坡面排水及防护工作。

对比现场和室内试验(表2)结果可知：室内测试所得的抗剪强度参数相对偏低，而且数据离散性较大。尽管现场剪切测试也会存在扰动，但相对较小，而且试验样品尺度与今后可能发生的岩土体失稳规模相对更接近，因此，c和φ应参考现场试验结果取值。

2.4  水对昔格达组地层损伤机理

水对试样强度的弱化，主要由于亲水性矿物化学腐蚀反应。根据已有研究成果^[14]，攀西地区昔格达组黏土岩矿物成份以伊利石为主，高岭石和绿泥石次之；昔格达组粉砂岩主要矿物是石英、长石和方解石等。昔格达组黏土岩和粉砂岩的矿物成分对水具有较高的敏感性。表3所示为昔格达组地层主要矿物成分的化学反应方程式。测试表明场地内环境水样呈弱酸性。浸水后，绿泥石生成高岭石，伊利石结晶膨胀，正长石和斜长石生成高岭石和蒙脱石，方解石则发生溶解反应。

表2  室内剪切试验结果

Table 2  Results of indoor tests

表3  昔格达组地层主要矿物成分的化学反应方程式

Table 3  Chemical equations of essential minerals in Xigeda Strata

由此可见，昔格达亲水性矿物在浸水后生成次生矿物，同时产生矿物溶解、膨胀，并堵塞孔道，为水-岩反应提供空间场所。化学腐蚀作用产生的膨胀应力破坏了岩体内部微观结构，导致岩体损伤，岩体强度削弱^[15]。综上所述，昔格达组地层的矿物成分和结构特征决定其具有特殊的水理性质，遇水浸水易崩解、软化和膨胀。

3  结论

1) 昔格达组黏土岩和粉砂岩的剪切变形过程可分为线弹性阶段，屈服阶段以及塑性破坏阶段共3个阶段，自然状态和饱水状态下剪切变形特征基本相似。

2) 昔格达组黏土岩和粉砂岩的峰值剪应力随着法向应力的增大而增大，自然状态和饱水状态的变化趋势基本相似。

3) 昔格达组黏土岩和粉砂岩的剪切强度随含水率的增大而减小；对于同一种昔格达组地层，水对黏聚力的弱化作用比内摩擦角更显著，粉砂岩强度参数下降幅度较黏土岩的大。

4) 现场直剪试验测得的强度大于室内测试的强度，现场试验减少试样的尺寸效应和扰动效应，更为真实地反映岩石的实际特征，取值更加准确可靠。边坡稳定性分析中强度参数应参考现场试验结果取值，以保证工程的稳定性和经济性，减少设计的过于保守性。

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(编辑  何运斌)

收稿日期：2013-10-15；修回日期：2013-12-10

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51274249，51174228)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20120162110009)(Projects (51274249, 51174228) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (20120162110009) supported by the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education)

通信作者：周罕(1977-)，男，安徽太湖人，博士研究生，高级工程师，从事岩土工程研究；电话：15808711223；E-mail：948720900@qq.com