原位直剪試驗在某核電廠強風化巖體強度參數(shù)研究中的應用

麥華山

1.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663

2.廣東科諾勘測工程有限公司，廣東 廣州 510663

巖土體的強度參數(shù)是分析邊坡穩(wěn)定性的關鍵參數(shù)，可通過室內剪切試驗或現(xiàn)場原位直剪試驗兩種方法獲取，多年來國內外學者采用多種手段和方法開展了巖石（體）強度參數(shù)的研究，如趙建軍等[1]進行了全風化花崗巖人工邊坡巖體飽水直剪試驗；許寶田等[2]研究了不同含水率下馬三峰人工邊坡粉砂質泥巖軟弱夾層的剪切力學特性；魯祖德等[3]在嶺澳核站進行了針對天然狀態(tài)及飽和狀態(tài)強風化角巖的原位直剪試驗。現(xiàn)場原位直剪試驗保證了巖土體材料的天然狀態(tài)，使土樣不發(fā)生擾動，且可根據(jù)上覆土層自重施加垂直荷載，保證了土體的應力狀態(tài)，試樣的受剪面積比室內實驗大得多，因而與室內實驗相比更加符合實際情況。

邊坡的穩(wěn)定性分析中除考慮天然狀態(tài)條件下巖土體的強度參數(shù)外，還需考慮極端條件下如暴雨工況下巖體強度的衰減情況，因此對巖土體飽和狀態(tài)下的強度參數(shù)進行研究至關重要[4]。文章以南方某濱海核電站自然邊坡強風化巖體的原位直剪試驗為例，獲取飽和狀態(tài)下強風化巖體強度參數(shù)，并根據(jù)場地強風化巖體的風化特征，通過不同的試驗點選取，進一步確定土狀強風化巖體及半巖半土狀強風巖體的強度參數(shù)，為邊坡穩(wěn)定性分析提供參數(shù)。

1 試驗條件

1.1 試驗地點

試驗對象為廠區(qū)內煙墩嶺自然邊坡強風化熔結凝灰?guī)r巖體，根據(jù)現(xiàn)場調查，煙墩嶺南側在開挖修建上山道路時已有強風化巖體出露，巖體呈棕黃、黃褐色，堅硬土狀～半巖半土狀。此次試驗在選擇試驗點時，采取“邊開挖邊辨別”的方式進行，即在山體斷面揭露為強風化巖體的路邊地段，利用小型挖掘機進行開挖，開挖試坑的同時對試坑內的巖體進行辨別，保證試坑揭露的全部巖體均為強風化熔結凝灰?guī)r。共選取6組30個樣品進行試驗，其中第1組及第6組巖體呈堅硬土狀，強度接近全風化巖體，第2～5組巖體呈半巖半土狀，試驗點樣品如圖1、圖2所示。

圖1 第1組試樣

圖2 第2組試樣

1.2 試驗裝置

現(xiàn)場試驗采用平推法，平推法直剪試驗立面示意圖如圖3所示。

圖3 平推法直剪試驗立面示意圖

2 試驗方法

2.1 操作流程

此次試驗采取地錨提供法向反力的方法，遵循的基本流程如下：試坑開挖→樣品制備→安裝剪切盒→地錨成孔→錨桿安裝、澆筑→錨桿混凝土養(yǎng)護→開挖剪切面→試樣飽水→開始試驗。

2.2 試樣飽水方法

試樣的飽水方法以中心注水法為主，四周浸水法為輔，待剪切盒安裝完畢后，用鋼釬在試樣內部打出1～4個小孔，用軟皮管將水滴灌入試樣內，同時在試樣四周開挖浸水槽，每個飽水試樣的浸水時間不得少于12h，在剪切試驗過程中，視水面的情況不時向浸水槽內添加清水，以保證試驗過程中浸水槽內始終充滿水。

2.3 試驗操作過程

每個試樣分別進行1次抗剪斷和3～5次摩擦試驗。試樣最大法向壓力按0.55MPa考慮，每次試驗的最大法向力分5次，由小到大均勻加載，每次加載后立即測讀每級荷載下的法向位移，5min后再讀取1次，然后施加下一級荷載，直至預定法向壓力，此后仍每5min讀取1次，直至連續(xù)兩次法向位移之差小于0.01mm。待法向位移穩(wěn)定后再施加剪切力，預估可能需要施加的最大剪切力大小，施加剪切力時，按預估的最大剪切力分10次由小到大分級施加，加載前后讀取法向和剪切位移，每5min加載一級，接近剪斷時加密測讀荷載和位移讀數(shù)，直至剪斷。剪力施加過程中，法向壓力保持恒定。

3 試驗成果及分析

此次強風化熔結凝灰?guī)r（飽和）直剪試驗共完成6組，編號為第1組至第6組；每組5個試樣，試樣編號由“1-1”至“6-5”。每組試驗進行時，分別完成各試樣在不同法向荷載作用下的抗剪斷試驗及斷后不同法向荷載作用下的摩擦試驗。根據(jù)每次試驗的剪應力與剪切位移關系曲線，拾取每組試驗各試樣在法向荷載作用下的抗剪斷峰值，建立抗剪斷峰值-法向應力關系曲線，按庫倫-奈維表達式，根據(jù)最小二乘法線性回歸，確定相應的抗剪斷強度參數(shù)（黏聚力、內摩擦角）。抗剪斷試驗成果如表1所示。

表1 飽和狀態(tài)下強風化熔結凝灰?guī)r抗剪斷試驗成果表

從試驗結果可看出，不同試驗點抗剪強度指標存在一定的差異，這主要與其風化程度有密切相關，其中第1組及第6組試樣呈堅硬土狀，含水率相對較高，其黏聚力相對較低，分別為45.9kPa和69.9kPa，其余4組試樣呈半巖半土狀，含水率相對較低，其黏聚力則相對較高，達到162.2～ 219.2kPa。

4 結論

文章采用平推法進行飽和狀態(tài)下強風化熔結凝灰?guī)r邊坡巖體的現(xiàn)場直接剪切試驗，獲得了飽和狀態(tài)下強風化巖體強度參數(shù)，得出了如下結論：（1）飽和狀態(tài)下巖體強度與其風化程度密切相關，堅硬土狀強風化巖體風化強烈，其強度參數(shù)相對較低，半巖半土狀強風化巖風化程度與前者相比相對較弱，其強度參數(shù)相對較高；（2）在飽水條件一致情況下，各組試驗試樣含水率指標與其強度呈反相關，試樣含水率越高，其抗剪強度參數(shù)越低；（3）強風化巖體力學特征變化較大，設計過程中可根據(jù)不同風化特性的強風化巖體選取相關的強度參數(shù)。