現(xiàn)場巖體直剪試驗及室內(nèi)巖塊模擬試驗的探討

白承安

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院勘測總隊，新疆昌吉831100）

現(xiàn)場巖體直剪試驗及室內(nèi)巖塊模擬試驗的探討

白承安

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院勘測總隊，新疆昌吉831100）

為滿足玉龍喀什水利樞紐工程勘測設(shè)計要求，縮短現(xiàn)場巖體試驗周期，保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，對現(xiàn)場巖體直剪試驗與室內(nèi)巖塊模擬試驗進(jìn)行對比得出：野外試驗周期一組約為45天左右，室內(nèi)試驗試驗周期10天左右，室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗值較為接近，表明室內(nèi)模擬現(xiàn)場原位試驗是可行的，室內(nèi)試驗可以降低試驗成本，縮短試驗周期，保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

巖體直剪試驗；內(nèi)摩擦角；黏聚力；模擬試驗

為滿足玉龍喀什水利樞紐工程勘測設(shè)計要求，需進(jìn)行大量的現(xiàn)場巖體直剪試驗及結(jié)構(gòu)面直剪試驗，現(xiàn)場巖體試驗周期長，工作難度大，為保證試驗結(jié)果的及時提交及試驗結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，本文對現(xiàn)場巖體試驗與室內(nèi)巖塊模擬試驗進(jìn)行對比。

1 工程概況與地質(zhì)條件

1.1 工程概況

玉龍喀什水利樞紐工程是一座具有生態(tài)、防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用任務(wù)的水利工程。水庫正常蓄水位2170.0 m，相應(yīng)庫容5.15億m3，電站裝機(jī)容量424 MW（其中，生態(tài)電站裝機(jī)容量24 MW），設(shè)計年發(fā)電量11.07億kW·h.最大壩高229.5 m；玉龍喀什水利樞紐工程為Ⅱ等大（2）型工程。

1.2 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)位于玉龍喀什河流中段上，河谷呈“Ⅴ”型谷，河谷地寬0.2 km~0.4 km，河谷兩側(cè)山體雄厚，兩岸岸坡基巖裸露，自然坡度50°~60°，壩址區(qū)出露地層為早元古界埃連產(chǎn)特巖群，巖性為灰黑色的二云母石英片巖。

2 試驗依據(jù)

①SL264-2001《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》；

②《工程地質(zhì)手冊》（第四版）中國建筑工業(yè)出版社。

3 試驗過程

為了工程勘察設(shè)計的需要，在壩址區(qū)左右兩岸山體布置了兩個試驗平硐PD8、PD16，分別進(jìn)行巖石直剪試驗、混凝土與巖體接觸面直剪試驗。為進(jìn)一步了解巖體力學(xué)特性，在PD8、PD16平硐用切割機(jī)及風(fēng)鎬取立方體試件尺寸為20 cm×20 cm×20 cm巖石兩組送回室內(nèi)進(jìn)行巖體模擬抗剪試驗，試驗儀器為YZ20-1型巖石直剪儀，巖性為二云母石英片巖。試驗采用巖平推法，剪切方向平行于層理面。

3.1 室內(nèi)巖塊模擬直剪強(qiáng)度試驗

根據(jù)試驗記錄以及收集的試件剪切面等資料，分別計算每個試體的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。繪制各法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力（τ）~剪切位移（u）關(guān)系曲線、剪應(yīng)力（τ）～法向應(yīng)力（σ）關(guān)系曲線，根據(jù)上述關(guān)系曲線確定各階段特征的剪應(yīng)力，用圖解法和最小二乘法分別確定抗剪（斷）強(qiáng)度指標(biāo)值tgφ、c值，其變化規(guī)律遵循庫侖公式：

式中，τ為剪切面上的極限抗剪強(qiáng)度（MPa）；σ為剪切面上的法向應(yīng)力（MPa）；tgφ為剪切面上的摩擦系數(shù)；c為剪切面上黏聚力（MPa）。

試驗成果采用了圖解法和最小二乘法分別確定了每組試驗的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，各試點(diǎn)試驗成果參見表1。

（1）YMJ1(1-5)模擬抗剪試驗順層理面抗剪（斷）強(qiáng)度，試驗在飽和狀態(tài)下進(jìn)行，抗剪斷強(qiáng)度圖解法得出φ=47.0°，c=1. 40 MPa；最小二乘法得出φ=47.3°，c=1.27 MPa。抗剪強(qiáng)度圖解法得出φ=43.0°，c=0.89 MPa；最小二乘法得出φ=44.5°，c=0.59 MPa。

（2）YMJ2(1-5)模擬抗剪試驗順層理面抗剪（斷）強(qiáng)度，試驗在飽和狀態(tài)下進(jìn)行，抗剪斷強(qiáng)度圖解法得出φ=46.5°，c=1.30 MPa；最小二乘法得出φ=45.3°，c=1.36 MPa。抗剪強(qiáng)度圖解法得出φ=43.0°，c=0.70 MPa；最小二乘法得出φ=45.0°，c=0.40 MPa。

3.2 現(xiàn)場巖體直剪試驗

在PD8平洞內(nèi)7 m~30 m弱風(fēng)化巖層范圍內(nèi)布置試墩2組，用風(fēng)鎬將松散的巖石清除干凈，制備試墩時用切割機(jī)將試墩切成50 cm×50 cm×50 cm立方體試件，每組試墩5個，并用鋼筋網(wǎng)套加固澆筑，并養(yǎng)護(hù)28天，待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后方可進(jìn)行試驗工作。

3.2.1 現(xiàn)場試驗方法

在平洞進(jìn)行巖體直剪試驗，本次試驗制做5個試件，采用平推法，法向應(yīng)力采用150 T千斤頂，采用逐級施加壓力，待法向應(yīng)力每小時位移不超0.05 mm時可施加剪切荷載。剪切荷載按預(yù)估最大荷載分10~12級，每級施加荷載后，立即測讀剪切位移和法向位移，5 min后再測讀一次，在剪切過程中垂直法向應(yīng)力應(yīng)該始終保持不變。當(dāng)剪切位移明顯增大時，可適當(dāng)減小級差。剪切破壞時剪切荷載不宜小于10級。試墩剪切完后將試墩反轉(zhuǎn)面起伏差進(jìn)行描述拍照。

3.2.2 現(xiàn)場巖體直剪試驗結(jié)果分析

（1）PD8(YJ1-YJ5)巖體直剪試驗，試驗位置在右岸平硐7.0 m~15.0 m處，抗剪斷強(qiáng)度圖解法φ=45.5°，c=1.00 MPa；最小二乘法φ=45.1°，c=0.99 MPa；抗剪強(qiáng)度圖解法φ=42.0°，c=0.78MPa；最小二乘法φ=42.6°，c=0.69MPa。PD8(YJ6-YJ10)巖體直剪試驗，試驗位置在右岸平硐20.0～30.0 m處，抗剪斷強(qiáng)度圖解法φ=46.0°，c=0.95 MPa；最小二乘法φ=45.5°，c=0. 86 MPa；抗剪強(qiáng)度圖解法φ=43.0°，c=0.89 MPa；最小二乘法φ=42.4°，c=0.66 MPa，試驗成果見表2。

表1 巖塊順層理面室內(nèi)模擬抗剪（斷）強(qiáng)度試驗成果表

表2 PD8平硐巖體直剪試驗成果表

（2）PD16主(YJ1-YJ5)巖體直剪試驗，試驗位置在右岸平硐30.0 m~40.0 m處，抗剪斷強(qiáng)度圖解法φ=47.0°，c=0.67 MPa；最小二乘法φ=47.9°，c=0.58 MPa；抗剪強(qiáng)度圖解法φ=44.0°， c=0.61MPa；最小二乘法φ=44.2°，c=0.63MPa；PD16 (YJ6-YJ10)巖體直剪試驗，試驗位置在右岸平硐9.0 m~20.0 m處，抗剪斷強(qiáng)度圖解法φ=46.0°，c=0.80 MPa；最小二乘法φ=45.7°，c=0.81 MPa；抗剪強(qiáng)度圖解法φ=43.5°，c=0.71 MPa；最小二乘法φ=42.6°，c=0.80 MPa；試驗成果見表3。

4 試驗成果及分析

PD8、PD16取巖塊送回室內(nèi)進(jìn)行巖塊直剪模擬試驗，從巖塊直剪強(qiáng)度模擬試驗分析看，平硐不同深度內(nèi)，圖解法抗剪斷強(qiáng)度：內(nèi)摩擦角為46.5°~47.0°，黏聚力為1.3 MPa~1.4 MPa；抗剪強(qiáng)度：內(nèi)摩擦角為43.0°，黏聚力為0.70~0.89 MPa；最小二乘法抗剪斷強(qiáng)度：內(nèi)摩擦角為:45.3°~47.3°，黏聚力為1.27 MPa~1.36 MPa；抗剪強(qiáng)度：內(nèi)摩擦角為44.5°~45.0°，黏聚力為0.4 MPa~0.59 MPa；

表3 PD16平硐主硐巖體直剪試驗成果表

現(xiàn)場巖體直剪試驗在PD8（YJ1-YJ5）、(YJ6-YJ10)，平硐不同深度內(nèi)，做兩組現(xiàn)場直剪試驗，圖解法抗剪斷強(qiáng)度：內(nèi)摩擦角為45.5°~46.0°，黏聚力為0.95 MPa~1.0 MPa；抗剪強(qiáng)度：內(nèi)摩擦角為42.0°~43.0°，黏聚力為0.78 MPa~0.89 MPa；最小二乘法抗剪斷強(qiáng)度（圖解法）：內(nèi)摩擦角為:45.1°~45.5°，黏聚力為0.86 MPa~0.99 MPa；抗剪強(qiáng)度：內(nèi)摩擦角為42.4°~42.6°，黏聚力為0.66 MPa~0.69 MPa；

現(xiàn)場原位直剪試驗在PD16主洞（YJ1-YJ5）、(YJ6-YJ10)，平硐不同深度內(nèi)，做兩組原位（巖石/巖石）直剪試驗，圖解法抗剪斷強(qiáng)度：內(nèi)摩擦角為46.0°~47.0°，黏聚力為0.67 MPa~0. 80 MPa；抗剪強(qiáng)度：內(nèi)摩擦角為43.5.0°~44.0°，黏聚力為0.61 MPa~0.71 MPa；最小二乘法抗剪斷強(qiáng)度（圖解法）：內(nèi)摩擦角為: 45.7°~47.9°，黏聚力為0.58 MPa~0.81 MPa；抗剪強(qiáng)度：內(nèi)摩擦角為42.6°~44.2°，黏聚力為0.63 MPa~0.80 MPa；

從以上現(xiàn)場巖體直剪試驗數(shù)據(jù)分析：抗剪斷圖解法內(nèi)摩擦角為45.0°~47.0°、黏聚力為0.66 MPa~1.0 MPa；與室內(nèi)巖塊模擬直剪強(qiáng)度試驗圖解法內(nèi)摩擦角46.5°~47.0°、黏聚力為1.3 MPa~1.4 MPa；現(xiàn)場巖體直剪試驗最小二乘法抗剪斷強(qiáng)度（圖解法）：內(nèi)摩擦角為:45.1°~47.9°，黏聚力為0.58 MPa~0.99 MPa；室內(nèi)巖塊模擬直剪強(qiáng)度試驗最小二乘法抗剪斷強(qiáng)度為45.3°~47.3°，黏聚力為1.27 MPa~1.36 MPa；

現(xiàn)場巖體直剪試驗圖解法參數(shù)值與室內(nèi)巖塊模擬直剪強(qiáng)度試驗值基本相近，室內(nèi)試驗巖塊參數(shù)受原巖強(qiáng)度的影響較大，一般來說巖塊強(qiáng)度越大內(nèi)摩擦角也越大，反之則越小。黏聚力值略偏大，室內(nèi)試驗受到試驗儀器尺寸效應(yīng)的影響，黏聚力值會偏大，內(nèi)摩擦角值也會相應(yīng)增大，屬正常變化范圍。

室內(nèi)最小二乘法抗剪斷強(qiáng)度值比現(xiàn)場巖體直剪試驗抗剪斷試驗略偏大，主要是試驗點(diǎn)值離散性偏大，受巖體內(nèi)部節(jié)理面、微小裂隙、結(jié)構(gòu)面、巖石強(qiáng)度等因素的影響。

5 結(jié)論及建議

通過室內(nèi)巖塊模擬直剪強(qiáng)度試驗與現(xiàn)場巖體直剪試驗數(shù)據(jù)的對比，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗值較為接近，表明室內(nèi)模擬現(xiàn)場原位試驗是可行的，室內(nèi)試驗可以降低試驗成本，縮短試驗周期（野外試驗周期一組約為45天左右，室內(nèi)試驗試驗周期10天左右），加工樣品較為簡易，提高工作效率，為今后同類試驗提供可靠的試驗數(shù)據(jù)，具有重要的推廣意義。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，新疆的水利事業(yè)也得到蓬勃發(fā)展，越來越多的水利樞紐工程正在建設(shè)之中，勘測設(shè)計參數(shù)值的提供時間也將縮短，室內(nèi)模擬試驗就顯得極其重要和迫切，室內(nèi)模擬試驗簡單可行，試驗參數(shù)值與現(xiàn)場所測直剪參數(shù)值基本相近，參數(shù)值在可控的范圍之內(nèi)，對今后類似水利工程試驗提供借鑒的經(jīng)驗，縮短試驗周期，節(jié)約試驗成本具有重大的意義，在試驗過程中一定要遵守巖石試驗規(guī)程，把現(xiàn)場直剪試驗與室內(nèi)模擬試驗結(jié)合起來，為新疆水利水電樞紐工程勘測試驗提供真實準(zhǔn)確可靠的科學(xué)依據(jù)。

Discussion on Direct Shear Test and Indoor Rock Mass Simulation Experiment

Bai Cheng’an
（General team,XinjiangWater Conservancyand Hydropower Surveyand Design Institute Changji 831100,Xinjiang）

In order to meet the requirements of the survey and design of the Yulong Kashi Water Conservancy Project and toshorten the test period of the rock mass in the field and ensure the accuracy and reliability of the test results.the direct shear test of the rock mass in the field is compared with the simulation test of the indoor rock block.The indoor test is feasible,and the indoor test can reduce the test cost and shorten the test period to ensure the accuracy and reliability of the test results.The indoor test can reduce the test cost and shorten the test period.

The direct shear test ofrock mass；internal friction angle；cohension and the simulation test

TV45

B

1673-9000（2017）03-0098-03

2017-04-09

白承安（1983-），男，甘肅蘭州人，工程師，主要從事水利水電工程巖土試驗工作。