水利工程中古近系礫巖抗剪強度研究

王波波，邵根安,左霖

(1.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008；2.河南省特殊巖土環境控制工程技術中心，河南 鄭州 450008)

0 引言

文章研究對象為豫西低山與丘陵過渡區某水庫輸水洞進口邊坡附近的古近系礫巖，邊坡巖性主要為古近系風化礫巖夾粘土巖，礫石粒徑尺寸差異較大(大多為2～5 cm，局部大于20 cm)，巖質不均、呈散體結構，以泥質膠結為主，對其抗剪強度指標的確定具有一定的難度。傳統的室內試驗多是結合現場測得天然顆粒級配、土石比、含水率等參數，再根據實際情況通過現場取樣縮比配制重塑碎石土試樣進行室內試驗，未考慮到巖土體自身的結構性及膠結狀態等因素，求得的巖土體抗剪強度指標與實際參數存在一定的誤差，采用原狀土試驗方法則無此類問題，因此求得的抗剪強度指標相對重塑碎石土試驗要合理得多。此外常規的直剪試驗受試驗受儀器和試驗條件的限制，一般試樣尺寸較小，試驗結果受尺寸效應影響較大。文章結合現場勘察資料，采用尺寸較大的原位大型直剪試驗和室內大型直剪試驗，研究了區內古近系礫巖的抗剪強度指標，并對相關參數的主要影響因素進行了分析，研究過程對類似礫巖抗剪強度指標的優選具有一定的參考意義。

1 直剪試驗

1.1 室內大型直剪試驗

現場工程地質勘察期間在輸水洞進口邊坡附近選取了五個試驗點，通過試坑灌水法對邊坡古近系礫巖進行了天然密度測試，同時也進行了含水率、顆粒級配等測試，測得試樣天然密度為2.02～2.24 g/cm3，天然含水率為11.30%～13.00%，計算五組試驗的平均值后取平均天然密度為2.10 g/cm3，平均天然含水率為12.10%。結合現場測試所得天然級配進行室內試驗試樣配置。鑒于現場測試中局部礫石粒徑超過大型直剪儀器最大測定粒徑(儀器測定最大粒徑不超過100 mm)，故通過相似配比法，按照幾何相似條件將天然粒徑進行等比例縮小后，再結合含水率進行試樣配置，在保證縮比后的試樣不均勻系數和曲率系數不變的前提下，通過天然密度、剪切盒體積控制裝樣量，分層擊實裝樣后進行室內大型直剪試驗。

本研究所采用的室內試驗儀器是成都東華卓越科技有限公司的ZJ50-2G大型應變控制式直剪儀，試驗尺寸為φ504 mm×400 mm，本次試驗共分為五組天然直剪試驗和五組飽和直剪試驗，每組試驗分五級加載，每組試樣重復利用?？紤]到試樣含水率受環境的影響，在裝樣前加水配置不同含水率的試樣進行直剪試驗，試驗儀器自動采集法向壓力-法向位移曲線、剪應力-剪切位移曲線等數據，剪切試驗完成后記錄剪切面的破壞特征和特殊現象，分析剪應力-剪切位移曲線選取合適抗剪強度數值繪制剪應力-正應力關系圖，再根據最小二乘法擬合數據求得抗剪強度指標。試驗成果見表1所示。

表1 室內大型直剪試驗成果表

1.2 原位大型直剪試驗

為更進一步查明研究區域古近系礫巖的抗剪強度指標，為相關水庫邊坡穩定性分析提供可靠的巖體力學參數，在室內大型直剪試驗結束之后又補充進行了現場礫巖大型直剪試驗。試驗場地位于研究區邊坡頂部空地處，區內選取代表性地段開挖兩個坑槽，于坑槽內壁刻槽加工試體進行直剪試驗。

現場大型直剪試驗采用平推法，試樣尺寸為50 cm×50 cm×35 cm，外套鋼模與預剪切面之間預留2 cm的剪切縫，通過液壓傳導裝置施加一定的正應力之后進行直剪試驗。結合現場試驗的各種限制條件以及計算需求，將試驗分為一組天然態直剪試驗和兩組飽和態直剪試驗，每組試驗分六級壓力加載進行試驗，在實驗過程中繪制剪應力-剪切位移曲線、剪應力-法向位移曲線，在每個試樣試驗結束之后翻轉試體，測量實際剪切面面積，并對剪切面特征進行描述?，F場試驗期間對剪切面進行描述過程中發現飽和狀態下剪切面特征分為平直和起伏兩類，故在常規試驗參數分析的同時，另外考慮剪切面性狀進行數據分析，整理試驗成果見表2所示。

表2 現場大型直剪試驗成果表

2 試驗結果及影響因素分析

通過分析試驗過程和現象，對影響試驗結果的各項因素進行總結，有利于改進試驗中的不足，為參數優選和工程地質現象分析提供依據。

在進行室內試驗的過程中發現，試樣的裝樣過程很難控制，人工分層擊實很難完整的將試樣恰好按配比裝入剪切盒，尤其是對于飽和態的試樣，更難控制裝樣的均勻性；剪切試驗結束之后剪切面多較平直，局部可見礫石被剪斷；剪應力-正應力最小二乘法擬合的過程中發現，室內試驗結果具有較好的規律性，擬合優度基本上都在0.95以上。

現場試驗過程中不存在試樣配制和裝樣的問題，但會遇到巖土體礫石分布不均勻的問題，在剪切試驗結束之后多可見剪切面有起伏現象，分析剪切破壞面特征發現起伏現象的試樣破壞面多可見強度較高、不易剪斷的大塊石；局部試體含石量相對較低時會導致剪切峰值強度偏低，在擬合過程中影響較大；剪應力-正應力散點擬合過程中發現，優定斜率法擬合優度高于最小二乘法。對比現場試驗中不同含水率組間數值，發現飽水前后C、φ值都有下降，但下降幅度不同，即內摩擦角φ值下降幅度約28.20%，而粘聚力C值下降約66.60%，故水對粘聚力C的影響較大。

在試驗過程和結果分析時可以發現，室內試驗結果具有良好的規律性，但由于未考慮到巖土體的結構性和不均勻性導致所求抗剪強度指標相對實際偏低；室內試驗過程中試樣的重復利用，許多塊石、礫石在剪切試驗結束之后雖未破碎，可能存在強度降低的現象?，F場試驗受到的人為干擾因素較小，偶爾出現的抗剪強度偏高或偏低更能反映客觀、真實的地質情況，試驗結果也更接近于實際巖土體抗剪強度指標，但是存在試樣不均勻導致的重復工作，以及擬合方法導致的誤差等問題，此外現場試驗飽和試體制備過程中飽和度的控制也有待進一步的研究。現場試驗和室內試驗雖尺寸相對常規試驗雖大，相對現場古近系礫巖地層來說仍是遠遠不足，尺寸效應是個不可忽視的問題。

3 結論與建議

文章以豫西某低山-丘陵過渡區古近系礫巖夾粘土巖為研究對象，通過現場試驗和室內試驗對其抗剪強度指標進行了研究，并對影響試驗結果的因素進行了分析，研究過程和結論對類似工程參數取值具有一定的參考價值。主要結論如下。

①室內大型直剪試驗受人為干擾因素較多，且不能有效的考慮到原巖的結構性，故所求抗剪強度指標相對較低，僅適用于堆積碎石土相關的研究計算，對原位古近系礫巖不適用；

②分析直剪試驗剪切面特征和試驗結果發現，含水率對抗剪強度指標中的粘聚力C值影響較大；

③尺寸效應對現場試驗和室內試驗的影響都比較大，因此具體參數應該針對實際工程進行進一步的研究；

④直剪試驗結果處理時應結合試驗過程中的一些特殊現象進行進一步發掘，遇到剪切面平直、起伏或剪切面含石量變化較大時應適量補做試驗，研究巖土體的最高或最低抗剪強度，再分析平均值或最小值。