首页注释：本案例讲述土石混合体强度原位测试方案设计、试验方法及强度参数，来自于重庆万州区工程实例但为了不影响版权、纠纷，纯粹进行教学，进行了掩饰处理。本案例涉及到的知识点主要有土石混合体强度原位测试方案编制、试验依据、试验原理、试验仪器、试样制备、设备安装、试验方法、试验成果整理、结论建议等。作者：程龙飞，岩土工程专业，工学博士，教授，硕士生导师，主要从事地质灾害监测预警实用技术、安全评价与风险管理和智慧工程等方面的研究；工作单位：必赢线路检测3003。在此特别指出，本案例充分参阅了前人发表的文章，为了避免版权纠纷，本案例仅供教学使用。
摘要：土石混合体是一种既不同于岩体又不同于土体，在库岸填方工程中需妥善处理的地质材料。目前，针对粒径大于20cm土石体的物理力学原位测试强度试验参数的相对较少，本案例针对万州某工程护岸土石体结构，通过设计原位试验方案并进行测试，为设计提供科学、合理岩土参数。通过实例工程，设计试验方案，开展原位测试，选择合理岩土参数，熟悉现场原位试验操作过程，为员工今后解决同类型工程问题提供实践经验。
关键词：土石混合体；原位试验；强度参数
引言：本案例来自于重庆市万州区内某土石混合体填方护岸工程。因三峡工程的兴建，三峡库区出现了大量的土石混合体填方护岸工程。土石混合体是一种有一定级配无凝聚性渗透能力很强的摩擦型集合料并具有独特的物理力学特性，随土、石百分比及粒径的大小、形状、分布特征、载荷的不同，土石体物理力学性质也随之改变。原位强度试验是为工程设计提供科学、合理岩土参数的主要途径之一，确保填方护岸工程安全运营具有重要意义。
背景介绍：本次剪切试验，根据现场及试验条件，选取试体尺寸为1m×1m×0.7m，地点为万州库岸某段碾压土石体护岸区（一至三组）和土石堆料场（四、五组试验）；一至三组为碾压土石体原位试验区，试体中土（砂）含量为20～30%，块石粒径主要集中在6～40cm；四、五组试验为硬质砂岩碾压土石区（经重载车辆反复碾压），块石粒径主要集中在5～30cm，试体中土（砂）含量为10～20%。
内容：
一、试验目的和依据
（一）试验目的
根据工程实施状况，对工程护岸区开展碾压土石体大型直接剪切试验，以查明护岸碾压土石体抗剪强度抗参数（C、φ）。
（二）试验依据
1.中华人民共和国国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007－2011）。
2.中华人民共和国国家标准《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001（2009年版））。
3.中华人民共和国国家标准《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019）。
二、试验原理
碾压土石体大型直接剪切试验原理与常规直剪试验相同，但剪力盒只设置一个上盒，下盒为护岸碾压土石体。碾压土石体大型直接剪切试验原理如图所示，试验的垂向压力由液压千斤顶在油泵作用下提供，同时水平推力也由液压千斤顶在油泵作用下提供，对碾压土石体施加剪切力。施加力的大小由压力表读取，位移由电子百分表读取。
图1 碾压土石体现场大型剪切试验原理图
图2 碾压土石体现场原位剪切试验图
三、仪器仪表
（一）千斤顶：DYC600B-200液压千斤顶2个，检校合格；
（二）压力表：0.4精度级标准压力表2只，量程0~60MPa，检校合格；
（三）百分表：0~300mm大量程百分表1只，检校合格；
（四）油泵：手动液压油泵二台；
（五）刚性承压板、传力筒，若干。
四、试样制备
根据试验技术要求，在工程区选定位置处开挖试坑（180cm*180cm*80cm)，在此土石体上将试块加工成方形，边长为100cm，剪切面积为10000cm2。试体高度为70cm，在试体推力部位开挖千斤顶槽，以便安装水平千斤顶。每组试验制备上述试件3块。所有试块制备时试块间距以相互不产生不良应力影响为宜，试验过程中各试块相互间无不良应力影响。
图3 碾压土石体现场原位剪切试样
五、设备安装
1、法向荷载系统设备由千斤顶(型号：DYC600B-200)、油泵(SY-63)、钢垫板、压力表、滚轴排、传力筒等组成。剪切荷载系统由千斤顶（成套）(型号：DYC600B-200)、前后座钢垫板、压力表、传力筒等组成。
2、测量系统设备由大量程百分表、磁力表座等组成。
3、法向系统安装：在试体顶部铺一层细砂并找平，使试块顶面与预定剪切面平行，然后放上钢垫板，在其上依次安放滚轴排、垫板、千斤顶、传力筒、顶部钢垫板等。整个法向系统垂直于剪切面，确保法向合力通过剪切面中心。法向方向安装大量程百分表以测定试体的法向变形。(注：法向反力由挖掘机提供）。
4、水平系统安装：将水平千斤顶放置于水平千斤顶槽内，确保千斤顶推力方向与预定剪切方向平行，使水平推力着力点与剪切面的距离尽量小。沿剪切方向布置大量程百分表以测读试体的剪切位移，磁力表座安装时须避开剪切时的应力影响区。(注：剪切反力由试坑后壁提供。)
六、试验方法
（一）法向荷载施加
每组最大试验法向应力拟采用150kPa,分别按0、50、150kPa施加(实际分级荷载见后法向应力一剪应力关系曲线图)。每级荷载分四次等量施加,每加一次法向荷载，间隔5分钟测读一次法向变形,即可施加下一次荷载,当加到最后一次荷载时，仍按上述时间读数，如连续两次法向变形读数差不超过0.0lmm时，可开始施加剪切荷载。
（二）剪切荷载施加
开始按预估最大剪切荷载的8％(或10％)分级施加，每加一次荷载即测读一次剪切变形和法向变形，隔5分钟后再测读一次，以此类推，直至本级施加的荷载所引起的剪切变形为前一级荷载所产生的变形的1.5倍左右时，剪切荷载改为4%(或5%)等量施加，按每30s施加一级剪切荷载；当急剧增长或剪切变形达到试体尺寸的1/10时，可终止试验。
七、试验成果整理
（一）计算原理
按下列公式计算法向应力和剪切应力：
（1）
式中：σ：作用于剪面上的法向应力，kPa；
τ：作用于剪切面上的剪应力，kPa；
P：作用于剪切面E的总法向荷载kN：
Q：作用于剪切面上的总剪切荷载kN；
A：试体剪断面积，m2。
绘制各法向应力下的法向应力一剪应力关系曲线，按最小二乘法确定抗剪强度参数。
（二）试验结果的统计分析
岩土物理力学性质指标测试统计结果包括范围值、平均值、标准差、变异系数及标准值，其统计采用下列公式进行统计计算：
平均值：
（2）
标准差：
（3）
变异系数：
＝
/
（4）
标准值：
（5）
修正系数：
（6）
式中：
——样本岩面性质指标试验值；
——参与统计的该指标的样本量；
——失效概率
=0.05时的统计修正系数。
式中正负号有利安全选择。
图4 DJ1试验点剪应力与剪切位移关系（法向应力依次为0、43、86kPa）
图5 DJ2试验点剪应力与剪切位移关系（法向应力依次为0、43、86kPa）
图6 DJ3试验点剪应力与剪切位移关系（法向应力依次为0、43、86kPa）
图7 DJ4试验点剪应力与剪切位移关系（法向应力依次为0、64.5、134.8kPa）
图8 DJ5试验点剪应力与剪切位移关系（法向应力依次为0、64.5、134.8kPa）
图9 试验点法向应力与剪切强度关系
表1. 堆石体剪切试验成果表
试验点编号
|
试验点位置
|
试点状态
|
抗剪强度(峰值强度)
|
摩擦系数f(Φ)
|
粘聚力C(kPa)
|
DJ1
|
工程区1号碾压土石护岸区
|
天然
|
34.54
|
36.7
|
DJ2
|
工程区2号碾压土石护岸区
|
天然
|
51.45
|
28.6
|
DJ3
|
工程区3号碾压土石护岸区
|
天然
|
39.10
|
20.6
|
DJ4
|
工程区1号碾压土石堆料场
|
天然
|
45.29
|
24.8
|
DJ5
|
工程区2号碾压土石堆料场
|
天然
|
41.51
|
25.7
|
表2. 堆石体物理力 学性质指标（天然状态）统计表
项 目
|
统计数
|
界限值
|
平均值fm
|
标准差（
）
|
变异
系数
|
标准值
|
内聚力C(kPa)
|
5
|
20.6～36.7
|
27.36
|
5.97
|
0.22
|
21.64
|
内摩擦角φ(°)
|
5
|
34.54～51.45
|
42.38
|
6.40
|
0.15
|
36.35
|
八、综合分析及建议
1、本次护岸碾压土石体现场五组原位剪切试验均沿预定剪面剪断，峰值较明显；各组试验的三个试体土质基本一致、剪切层面一致，各试体相互无不良应力影响，客观反映了各试验层面的剪切性能。测得物理力学性质指标：内聚力C标准值为21.64 kPa，内摩擦角φ标准值为36.35°。由于DJ1、DJ3为原位土夹石原位试验区，试体中土（砂）含量为20～30%，内摩擦角相对较小，对护岸稳定不利；DJ2内摩擦角在本次五组试验中最大，其原因在下一条中分析；DJ4、DJ5试验为硬质砂岩堆石区，试体中土（砂）含量均明显小于20%，内摩擦角相对较大，对护岸稳定有利。在该地块后续碾压土石体工程设计中，可根据实际填料及施工质量，综合判定选取力学参数（C、φ）设计指标（对含土（砂）碾压土石体可参考DJ1、DJ3组试验数据，对硬质砂岩碾压土石体可参考DJ4、DG5组试验数据），其中C值为土石体剪切面上岩块之间的咬合力。
2、实验结果表明，块石形状对碾压土石体宏观特性影响明显，其中DJ2块石的长短径比较大，试样的峰值强度和残余强度均明显增大。因此，建议在工程设计及施工中，应注意控制块石的长短径比。
3、由于碾压土石体的抗剪强度参数值的随机特征(包括概率分布形式和参数)不但和碾压土石体固有的粒径级配有关（大量工程实践表明，块石土中细料的含量对其工程特性有重要影响），而且和取样地点及施工质量等有密切关系。因此，在建议在后续工程中注意级配关系，同时应确保施工质量。
4、根据已有的工程经验，建议碾压土石体中细颗粒料的含量控制在20 % 以下, 满足护岸碾压土石体保持较好的渗透性，使孔隙水能及时得到疏散，能适应水位骤升骤降的要求。
5、在设计过程中，应注意水对碾压土石体黏聚力 c 和内摩擦角φ 值的影响。
土石混合体强度原位测试案例教学指导手册
教学目的与用途：
1. 本案例适用于全日制土木水利工程类硕士专业结构工程方向研究生的方向必修课程《高等土力学》。试验土力学是土力学发展的基础，是高等土力发展的支柱之一。高应力、粗粒径、大位移、多因素和复杂应力组合的设备和方法得到新的发展，且原位测试在土力学实验研究中分担愈来愈多的任务。随着土木水利工程建设的发展，粗粒径土石混合体是工程建设中常遇的岩土介质。原位强度试验是为工程设计提供科学、合理岩土参数的主要途径之一，对确保土石混合体地基、边坡、护岸等工程安全运营具有重要意义。
2.通过此教学案例，使研究生掌握土石混合体强度原位测试试验原理、试验仪器、试样制备、设备安装和试验方法，并通过设计原位试验方案，开展原位测试，选择合理岩土参数，熟悉现场原位试验操作过程，为今后解决同类型工程问题提供实践经验。此外，此教学案例也可用于土木、道路与桥梁工程等相关本科专业的教学。
教学内容：
1. 涉及知识点：
（1）土石混合体强度原位测试试验依据与方案编制；
（2）土石混合体强度原位测试试验原理；
（3）土石混合体强度原位测试试验仪器与设备安装；
（4）土石混合体强度原位测试试样制备；
（5）土石混合体强度原位测试试验方法与试验成果整理；
（6）土石混合体强度原位测试成果综合分析与建议。
2. 理论依据及分析思路
理论依据：土石混合体是一种有一定级配无凝聚性渗透能力很强的摩擦型集合料并具有独特的物理力学特性，根据库仑强度理论，随土、石百分比及粒径的大小、形状、分布特征、载荷的不同，土石体物理力学性质也随之改变。原位试验是为工程设计提供科学、合理岩土参数的主要途径之一，对确保土石混合体地基、边坡、护岸等工程安全运营具有重要意义。
分析思路：以高等土力学库仑强度理论为理论基础，其中试验依据包括建筑地基基础设计规范、岩土工程勘察规范、土工试验方法标准测标准等关于原位试验的相关规定。然后根据场地工程地质条件，制定试验方案，科学选型主要仪器设备。在此基础上，通过案例熟悉现场科学选点→试坑开挖，试样制备→设备安装，加载反力→施加荷载→卸载→数据处理。在以此对场地地基状况评定，最后得出场地合理的岩土强度参数。
本案例结合自身特点，按照具体研究分析报告来进行分析与讲解。
建议课堂计划：
时间安排：根据教学需要，整个案例课的课堂时间控制在6学时，以便比较充分地了解案例所涉及的知识点，以下是根据课程时间进度安排的课堂学习计划。
课前计划：发放案例材料，提出课后思考题，请员工在课前完成阅读和初步思考。
课中计划：课堂前言，明确该案例主题（20分钟）；案例讲述，案例总体介绍，引导员工分析和认真学习该案例的理论知识点，并提出思考题（120分钟）；分组讨论（20分钟）；小组发言（20分钟一个小组，4组）；案例总结：包括案例中的关键知识点，以及如何运用理论知识去分析和解决实际问题（30分钟）。
课后计划：通过案例分析和总结，使员工掌握土石混合体强度原位测试相关知识，然后布置相关作业，以论文或者报告形式写出案例分析，并对难点和易错点可以进一步研究。
参考文献：
1.谢定义，姚仰平，党发宁.高等土力学，北京：高等教育出版社，2008.
2.卢廷浩，刘祖德等.高等土力学，北京：机械工业出版社，2006.
3.Jean Biarez，Pierre Yves Hicher（译者:尹振宇 姚仰平）.试验土力学，上海：同济大学出版社，2014.
4.《建筑地基基础设计规范》（GB50007－2011），北京：建筑工业出版社，2011.
5.《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001（2009年版）），北京：建筑工业出版社，2009.
6.《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019），北京，中国计划出版社.
7.王新.土石混合体力学特性影响因素及破坏机制研究[D]，长江科学院，2010.
8.邓会芳.土石混合体的剪切强度试验研究[D] ，东华理工大学， 2016.
9.黄宜胜，方鼎元，李建林等.土石混合体剪切强度的室内外对比试验研究[J]，三峡大学学报（自然科学版），2019，41（6）.
