攀枝花市金江鈦業(yè)鈦渣項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)分析

鄢 松, 羅 衡

(1.中冶成都勘察研究總院有限公司，四川成都610023；2.四川省電力設(shè)計(jì)院，四川成都610072)

土體強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值的確定方法很多，不同的排水條件和施工速度對(duì)c、φ值的測(cè)定有不同的要求。在試驗(yàn)中，盡管可以通過(guò)努力把取樣擾動(dòng)和制樣擾動(dòng)降低到最小限度。但是試樣從地層深部取出時(shí)因應(yīng)力釋放而引起的擾動(dòng)是無(wú)法避免的，而且精細(xì)的取土和試驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)在還難以普遍推廣應(yīng)用。而現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)的試樣比室內(nèi)試樣大，能包含土體宏觀結(jié)構(gòu)的變化，而且土體結(jié)構(gòu)沒(méi)有受到擾動(dòng)破壞，所以試驗(yàn)條件接近工程實(shí)際情況。而且原位測(cè)試是在原位應(yīng)力條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不用取樣，避免或減輕了對(duì)土樣的擾動(dòng)程度，測(cè)定土體的范圍大，能反映微觀、宏觀結(jié)構(gòu)對(duì)土體性狀的影響。因此，對(duì)重要的工程，必須使試驗(yàn)條件盡可能接近土的實(shí)際工作條件，從而提高工程的安全可靠度。

1 工程地質(zhì)概況

金江鈦業(yè)15×104t/a鈦渣項(xiàng)目位于四川省攀枝花市金江片區(qū)的南部、金沙江右岸的釩鈦產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)，目前該產(chǎn)業(yè)園是四川省最大、最有成效的工業(yè)園區(qū)，是攀枝花城市建設(shè)和發(fā)展的重點(diǎn)地區(qū)。

1.1 地形地貌

擬建場(chǎng)地位于金沙江右岸河谷坡地。地貌上屬于構(gòu)造剝蝕中切割臺(tái)狀中山，總體地形走勢(shì)西高東低，傾向金沙江河谷。地形坡度較緩，平均約10°～30°，地面高程介于1 154.0～1 245.0 m之間。場(chǎng)地內(nèi)沖溝微地貌發(fā)育，多呈由西向東走向。

1.2 氣象水文

擬建場(chǎng)地氣候?qū)儆谖覈?guó)亞熱帶西段金沙江―龍川江島狀南亞熱帶干熱河谷氣候區(qū)，具有典型的南亞熱帶半干旱季風(fēng)氣候特點(diǎn)。

場(chǎng)地主要地表水系為東側(cè)的金沙江，根據(jù)金沙江水文水資源勘測(cè)隊(duì)1994年～2003年實(shí)測(cè)資料，金沙江最大流量12 200 m3/s，平均流速3.73 m/s，最小流量404 m3/s，平均流速1.07 m/s，水資源豐富。

1.3 地層巖性

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、鉆探，該場(chǎng)地地層主要有：第四系全新統(tǒng)植物層(Q4pd)，第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)，第四系全新統(tǒng)坡洪積層(Q4dl+pl)，第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)，第四系全新統(tǒng)坡殘積層(Q4dl+el)，第四系中更新統(tǒng)冰積土(Q2gl)，三疊系大箐組泥巖、砂巖(T3)、三疊系熱變質(zhì)帶(T3)、華力西期花崗巖(P3)。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

擬建場(chǎng)地區(qū)域上位于川滇南北向構(gòu)造帶中段，處于南北向深大斷裂與早期東西向褶皺的復(fù)合部位，區(qū)域構(gòu)造形跡極為復(fù)雜。區(qū)域構(gòu)造以南北向及北北東向的壓扭性斷裂構(gòu)造為主，南北向構(gòu)造以昔格達(dá)斷裂為代表。

2 原位剪切試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本場(chǎng)地采用千斤頂法(現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)裝置

(1)垂向加壓部分。垂向加壓系統(tǒng)采用堆荷平臺(tái)裝置提供垂向力，獨(dú)立的千斤頂～壓力表施力系統(tǒng)分級(jí)施力。傳力系統(tǒng)采用傳力柱、鋼墊板傳力、球鉸矯正施力方向，利用滾軸將剪切盒與施力裝置之間的水平摩阻降至較小。

(2)水平推力部分。水平推力采用試槽壁固定支座提供反力，采用球鉸、傳力柱及千斤頂直接將分級(jí)水平推力作用于剪切盒上，獨(dú)立的千斤頂～壓力表施力系統(tǒng)施力，達(dá)到分級(jí)加力的目的。

(3) 形變測(cè)量系統(tǒng)。本次形變測(cè)量部分垂直壓縮變形及水平位移均采用大量程百分表觀測(cè)。

安裝荷載系統(tǒng)時(shí)，千斤頂要嚴(yán)格定位，使其施力中心對(duì)準(zhǔn)剪切面，且位于試樣中線(xiàn)。

2.2 試件尺寸及豎向加荷等級(jí)的選擇

根據(jù)委托單位要求并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，共在場(chǎng)地內(nèi)選取了3種粉質(zhì)黏土進(jìn)行試驗(yàn)，分別是：

(1)粉質(zhì)黏土③1：褐紅、褐黃色，局部含少量角礫及卵石，無(wú)搖振反應(yīng)，稍有光滑，干強(qiáng)度一般，韌性中等，硬塑狀，稍濕。

(2) 粉質(zhì)黏土⑤1：褐黃、灰黃色，結(jié)構(gòu)致密，干強(qiáng)度中等，韌性中等，稍濕，硬塑狀。其中，碎石含量15 %～25 %，呈次棱角形，石質(zhì)成分為砂巖，巖質(zhì)軟，用手可掰開(kāi)，全～強(qiáng)風(fēng)化狀；卵石含量約5%～10%，呈亞圓形～圓形，磨圓度好，石質(zhì)成分主要為花崗巖、閃長(zhǎng)巖等，堅(jiān)硬，中風(fēng)化。在該層存在方向不規(guī)則的光滑面，可見(jiàn)明顯擦痕，傾角∠25°～45°。

(3)含碎石粉質(zhì)黏土⑤2：褐黃、灰黃、淺灰色，碎塊石含量20%～45%，硬塑狀，稍濕。厚度2.00～20.30 m。該層同樣存在方向不規(guī)則的光滑面及擦痕，傾角∠25°～45°。

其中粉質(zhì)黏土③1、粉質(zhì)黏土⑤1按天然狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)，含碎石粉質(zhì)黏土⑤2按浸水狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)；試樣尺寸按規(guī)范要求取：長(zhǎng)50 cm、寬50 cm、高15 cm。考慮到試驗(yàn)條件的復(fù)雜性和試驗(yàn)結(jié)果可能出現(xiàn)較大的離散性，每一組試驗(yàn)均不少于3個(gè)試樣。

為更好模擬投入使用后地基土的實(shí)際工況條件，豎向荷載的選用按以下原則選用：(1)最小垂直荷載不應(yīng)小于剪切面以上地層的自重壓力；(2)最大垂直荷載應(yīng)大于擬建(構(gòu))筑物設(shè)計(jì)荷載；(3)試驗(yàn)荷載應(yīng)根據(jù)巖土的性質(zhì)或技術(shù)要求確定。最終確定為100 kPa、250 kPa、400 kPa三個(gè)垂直加載等級(jí)。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用固結(jié)快剪法：將每一垂直加載等級(jí)均分為4級(jí)，每級(jí)荷載施加后立即記錄垂直變形百分表讀數(shù)，此后每15 min觀測(cè)垂直變形一次，當(dāng)連續(xù)兩次測(cè)讀差δ≤0.05 mm，即認(rèn)為當(dāng)級(jí)垂直變形已經(jīng)穩(wěn)定，此時(shí)可加下一級(jí)荷載，待4級(jí)荷載均施加完畢，便可施加橫向推力。

本工程試驗(yàn)橫向推力分8級(jí)施加，每分鐘記錄壓力表和百分表讀數(shù)，當(dāng)變形相對(duì)趨于平穩(wěn)時(shí)，方可施加下一級(jí)荷載，直至剪切破壞。

當(dāng)剪切變形不斷增加，壓力表壓力值下降或橫向位移與試樣寬度之比達(dá)到1/10時(shí)即為剪切破壞。

3 現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)資料處理

采用每組試驗(yàn)抗剪斷峰值對(duì)應(yīng)的σ(法向應(yīng)力)，τ(剪應(yīng)力)進(jìn)行最小二乘法線(xiàn)性回歸，分析得出c(內(nèi)聚力)，進(jìn)而計(jì)算出φ(內(nèi)摩擦角)。計(jì)算公式如下：

4 原位剪切試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 剪切應(yīng)力與剪切位移曲線(xiàn)

根據(jù)原位剪切試驗(yàn)結(jié)果，將每一試驗(yàn)點(diǎn)的三個(gè)加載等級(jí)的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)繪在同一坐標(biāo)系中，得出剪切力-剪切位移曲線(xiàn)(圖2～圖7)。

圖2 1#點(diǎn)剪切應(yīng)力與剪切位移曲線(xiàn)

圖3 2#點(diǎn)剪切應(yīng)力與剪切位移曲線(xiàn)

圖4 3#點(diǎn)剪切應(yīng)力與剪切位移曲線(xiàn)

圖5 4#點(diǎn)剪切應(yīng)力與剪切位移曲線(xiàn)

圖6 5#點(diǎn)剪切應(yīng)力與剪切位移曲線(xiàn)

圖7 6#點(diǎn)剪切應(yīng)力與剪切位移曲線(xiàn)

4.2 垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力曲線(xiàn)圖

根據(jù)原位剪切試驗(yàn)結(jié)果，得出各試驗(yàn)點(diǎn)的垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力曲線(xiàn)圖(圖8～圖13)。

圖8 1#點(diǎn)垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力曲線(xiàn)

圖9 2#點(diǎn)垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力曲線(xiàn)

圖10 3#點(diǎn)垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力曲線(xiàn)

圖11 4#點(diǎn)垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力曲線(xiàn)

圖12 5#點(diǎn)垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力曲線(xiàn)

圖13 6#點(diǎn)垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力曲線(xiàn)

4.3 現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)成果整理

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表1。

4.4 原位剪切試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)果表明：

(1)天然狀態(tài)下冰積粉質(zhì)黏土⑤1的c、φ值比坡洪積粉質(zhì)黏土③1高，說(shuō)明巖土層時(shí)代成因及狀態(tài)和其力學(xué)特性呈正相關(guān)，時(shí)代越老、狀態(tài)越好的土層其c、φ值越高。

(2)同是冰積成因，浸水狀態(tài)含碎石粉質(zhì)黏土⑤2的c、φ值比天然狀態(tài)冰積粉質(zhì)黏土⑤1分別降低約25.1%、30.2%，說(shuō)明含水率增加，使薄膜水變厚，甚至增加自由水，導(dǎo)致土的抗剪強(qiáng)度降低；在本場(chǎng)地，水對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的降低作用是極其明顯的。

(3)剪切試樣的剪損面并不一定沿著預(yù)先的剪切面開(kāi)縫發(fā)展，剪切試樣除周邊在剪切過(guò)程中少量剝落外，剪切面基本完整，沿剪切強(qiáng)度相對(duì)較低的裂隙、土石顆粒界面破壞，整個(gè)剪損面平整度不一，起伏度較大，有一定粗糙度，剪損面上可見(jiàn)摩擦光滑面。

5 與室內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比

5.1 室內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)成果的對(duì)應(yīng)選取

為使原位剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察鉆孔的平面布置，選取以下3組對(duì)應(yīng)土樣的室內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)與原位剪切試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。室內(nèi)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)c、φ 值結(jié)果

表2 室內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)成果

5.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

將上述原位試驗(yàn)、室外實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，列表于表3。

表3 原位試驗(yàn)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

對(duì)比結(jié)果表明：

(1)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)c、φ值指標(biāo)均比現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)指標(biāo)值低，主要原因可能是現(xiàn)場(chǎng)鉆探取樣擾動(dòng)及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)土樣制備的影響。

(2)由于現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)的剪切面基本沿剪切強(qiáng)度相對(duì)較低的裂隙、土石顆粒界面破壞，整個(gè)剪損面平整度不一，起伏度較大，使試樣剪損時(shí)需要的橫向推力偏大，從而導(dǎo)致c、φ值有一定程度的增大。

(3)勘察區(qū)地層由于成因、種類(lèi)、分布范圍、埋置深度的不同其力學(xué)指標(biāo)差異較大，導(dǎo)致土工實(shí)驗(yàn)指標(biāo)離散性較大。

6 結(jié)論

(1)含水量的增加對(duì)抗剪強(qiáng)度有較大的影響。現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)的結(jié)果表明，當(dāng)處于浸水狀態(tài)下，試樣的內(nèi)聚力c相對(duì)天然狀態(tài)下降低約25.1%，試樣的摩擦角φ相對(duì)天然狀態(tài)下降低約30.2%，可見(jiàn)水對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的降低作用是極其明顯的。

因此雨季施工時(shí)，由于水的浸入滲透，將使土體的抗剪強(qiáng)度降低。降低的幅度取決于土體的滲透性和飽水的程度，雖然場(chǎng)地內(nèi)土屬于中～弱透水性土，但因具有膨脹性，土體風(fēng)干失水后裂面張開(kāi)，遇水軟化，沿裂面易產(chǎn)生滑動(dòng)，所以施工時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施。

(2)剪切試樣的剪損面并不一定沿著預(yù)先的剪切面開(kāi)縫發(fā)展，一般均沿剪切強(qiáng)度相對(duì)較低的裂隙、土石顆粒界面破壞，整個(gè)剪損面平整度不一，起伏度較大。

(3)現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)所得土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)明顯高于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，主要原因是現(xiàn)場(chǎng)鉆探取樣擾動(dòng)及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)土樣制備的影響導(dǎo)致土體強(qiáng)度下降，另一方面現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)的剪切面的發(fā)展導(dǎo)致試樣剪損時(shí)需要的橫向推力偏大，從而導(dǎo)致c、φ值有一定程度的增大。

(4)雖然現(xiàn)有的原位試驗(yàn)存在數(shù)量及場(chǎng)地條件的限制，在試驗(yàn)點(diǎn)的分布上，無(wú)法做到在平面上和垂向上全面兼顧，使得基礎(chǔ)資料有一定的局限性和誤差，因此導(dǎo)致最終結(jié)果有一定的局限和誤差，但總體來(lái)說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)?zāi)馨磳?shí)際工程要求確定應(yīng)力路徑，能保證土樣的原始結(jié)構(gòu)狀態(tài)、含水狀態(tài)并沿可能的滑動(dòng)方向進(jìn)行大面積剪切，所以能真實(shí)反映出土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度，是一種合理有效的試驗(yàn)方法。

[1] 中國(guó)冶金建設(shè)集團(tuán)成都勘察研究總院. 金江鈦業(yè)15×104t/a鈦渣項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)階段巖土工程勘察報(bào)告[R].2008

[2] YS 5221-2000 現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)規(guī)程[S]

[3] 《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006

[4] GB 50021-2001 巖土工程勘察規(guī)范(2009版)[S]

[5] 陳希哲.土力學(xué)地基基礎(chǔ)[M].4版.北京：清華大學(xué)出版社，2004