左 輝

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津300250）

黃壁莊水庫新增非常溢洪道閘室段位于非常溢洪道右側(cè)，設(shè)計(jì)縱向樁號2＋080.5～2＋142.61，橫向樁號H0＋067～H0＋160.4，建基面設(shè)計(jì)高程82.0～101.0m，閘基底板坐落于強(qiáng)風(fēng)化巖體上，巖體的抗剪斷指標(biāo)f′、c′值是新增非常溢洪道穩(wěn)定計(jì)算重要設(shè)計(jì)參數(shù)。為取得強(qiáng)風(fēng)化巖體抗剪斷指標(biāo)f′、c′值，在新增非常溢洪道進(jìn)行混凝土與巖體野外大型抗剪（斷）試驗(yàn)，以取得強(qiáng)風(fēng)化巖體抗剪斷指標(biāo)f′、c′值。

1 地質(zhì)概況

1.1 地層巖性

新增非常溢洪道閘室段建基面地層巖性為元古界滹沱群第10段地層（Pt10），自上而下可分為Pt10－1、Pt10－2、Pt10－3三層。

（1）Pt10－1千枚巖：灰綠～灰黃色，泥質(zhì)含量高，千枚狀構(gòu)造，以中厚層為主，層面多有絲絹光澤及黑紫色錳質(zhì)銹點(diǎn)，局部夾有薄層，巖性軟弱，夾有薄層灰黑色石英片巖，兩組節(jié)理發(fā)育。主要分布于上游98，99m高程建基面。巖層產(chǎn)狀：NE32°～39°SE∠44°～47°（溢洪道軸線方位SE112°）。

（2）Pt10－2千枚巖石英片巖互層：千枚巖為灰綠色以泥質(zhì)成分為主，含有錳質(zhì)斑點(diǎn)，千枚狀構(gòu)造，以薄層為主，層厚1～5cm。石英片巖以灰白色為主，局部灰黑、灰紅色，主要礦物成分為石英、絹云母，含有暗色礦物和鈣質(zhì)成分，薄層理發(fā)育，層厚5～20cm。主要分布于100，101m高程建基面。局部有紫紅色夾泥，節(jié)理面上有泥膜。由于巖層中千枚巖與石英片巖相對含量不同，建基面上呈灰、白相間變化。以千枚巖為主，巖體呈灰白色，有一定強(qiáng)度；以石英片巖為主，巖體呈灰黑色，強(qiáng)度稍低。巖層產(chǎn)狀：NE32°～42°SE∠42°～60°。

（3）Pt10－3石英片巖：灰白、灰紅色，主要礦物成分為石英、絹云母，含有鐵錳質(zhì)礦物和鈣質(zhì)成分，層理發(fā)育，以中厚層為主，層厚10～40cm，偶夾薄層千枚巖。石英片巖可分為粗粒和細(xì)粒兩種：粗粒石英片巖灰紅色，易風(fēng)化，強(qiáng)度較低；細(xì)粒石英片巖灰白色抗風(fēng)化能力強(qiáng)，具有一定強(qiáng)度。巖層中發(fā)育兩組節(jié)理，受節(jié)理切割，巖石較破碎，層面有紫紅色夾泥，厚1～1.5cm。節(jié)理面上有紫紅、銹黃色泥膜。巖層產(chǎn)狀：NE35°～40°SE∠39°～61°。節(jié)理產(chǎn)狀：①NE60°～80°SE∠39°～61°；②NW310°SW∠85°。

1.2 場地選擇

新增非常溢洪道基礎(chǔ)為強(qiáng)風(fēng)化的千枚巖及千枚巖與石英片巖互層。根據(jù)地質(zhì)資料，考慮其對閘體的影響和試驗(yàn)應(yīng)具有代表性，選擇基坑內(nèi)樁號為2＋098～2＋101、H0＋122～H0＋132.9，高程100.0m處取強(qiáng)風(fēng)化千枚巖與石英片巖互層（以下簡稱A場地）布置第1組5塊試件；溢洪道下游邊坡樁號2＋220附近取強(qiáng)風(fēng)化千枚巖（以下簡稱B場地）布置第2組5塊試件進(jìn)行野外大型抗剪試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用平推飽和快剪常規(guī)法和單點(diǎn)法相結(jié)合進(jìn)行。

垂直荷載的施加方法：在每組5塊試件上分別施加不同的垂直荷載。考慮閘基應(yīng)力及試驗(yàn)設(shè)備能力，確定最大正應(yīng)力為0.8MPa，每塊試件正應(yīng)力分別為0.2，0.4，0.6，0.8MPa。對每塊試件，首先施加垂直荷載，當(dāng)變形穩(wěn)定后再施加水平荷載。

由于巖石強(qiáng)度較低，水平荷載的施加方法按最大垂直荷載的10%左右分級施加，臨近剪斷時，密切注意和記錄壓力變化情況及相應(yīng)的水平變形。在全部剪切過程中，垂直荷載始終保持為常數(shù)。

對A試區(qū)的3＃試件和B試區(qū)的7＃試件做單點(diǎn)法抗剪（斷）試驗(yàn)，其正應(yīng)力分別為0.2，0.4，0.6，0.8MPa。

3 試驗(yàn)成果整理與分析

3.1 試驗(yàn)成果整理

試驗(yàn)成果的整理分以下5步：

（1）根據(jù)原始記錄和千斤頂?shù)某隽ο禂?shù)，計(jì)算在各級垂直荷載和水平荷載下的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，綜合每塊試件的各個變形量，統(tǒng)計(jì)累計(jì)水平和垂直變形量，舍棄不合理的數(shù)據(jù)，求得其平均變形量。

（2）根據(jù)上述計(jì)算，繪制不同正應(yīng)力下常規(guī)法和單點(diǎn)法剪應(yīng)力τ 和剪切變形ε 的關(guān)系曲線，詳見圖1～6。

圖1 A組常規(guī)法抗剪斷τ-ε曲線

圖2 A組常規(guī)法抗剪τ-ε曲線

圖3 3#單點(diǎn)法抗剪τ-ε曲線

圖4 B組常規(guī)法抗剪斷τ-ε曲線

圖5 B組常規(guī)法抗剪τ-ε曲線

圖6 7#單點(diǎn)法抗剪τ-ε曲線

（3）根據(jù)上述各種曲線，確定剪應(yīng)力的最大值（峰值τ峰）、屈服值（τ屈）和殘余值（τ殘）。

從τ－ε曲線可以看出試件的破壞形式基本為彈塑性破壞，故只選擇了峰值、屈服極限強(qiáng)度值和殘余強(qiáng)度值。

（4）根據(jù)所選的τ值與相應(yīng)的正應(yīng)力σ值，用圖解法繪制τ－σ關(guān)系曲線，按曲線的斜率和截距確定抗剪強(qiáng)度特征指標(biāo)tgφ和c值，詳見圖7～12。

圖8 A組試件常規(guī)法抗剪τ-σ曲線

圖9 單點(diǎn)法3#抗剪τ-σ曲線

圖10 B組試件常規(guī)法抗剪斷τ-σ曲線

圖11 B組試件常規(guī)法抗剪τ-σ曲線

圖12 單點(diǎn)法7#抗剪τ-σ曲線

（5）因B組場地高程較高，養(yǎng)護(hù)時用水浸泡時間較短，故抗剪斷值較A組稍大。

3.2 成果分析

3.2.1 τ－ε曲線分析

從τ－ε曲線可以看出，兩組試驗(yàn)的破壞形式均為彈塑性破壞，曲線上峰值、屈服極限值和殘余強(qiáng)度值較為明顯。同一試件在相同正應(yīng)力下抗剪斷和抗剪破壞時所施加的剪應(yīng)力有明顯差距。

根據(jù)破壞面形狀，將10塊試件分成兩種破壞類型：第1種類型基本上是從混凝土和巖體接觸處剪切破壞，試面較平整，如：2＃、3＃、6＃、7＃、8＃、9＃、10＃試件；第2種類型基本上是從巖體中剪斷，試面高低不平，起伏較大，如：4＃、5＃試件。

第1種類型的10＃試件由于巖石相對較好，試件和巖石接觸緊密，所以抗剪斷曲線的τ值上升較快，剪斷時τ峰較大，雖然所給正應(yīng)力不是最大（0.6MPa），但峰值卻遠(yuǎn)高于最大正應(yīng)力的8＃試件（0.8MPa），破壞后10＃試件τ值明顯下降，8＃試件τ值卻仍然保持較高的數(shù)值，而當(dāng)做抗剪試驗(yàn)時，10＃試件τ值卻上升較慢，峰值偏低；9＃試件抗剪斷峰值較高，剪斷后τ值下降較快，為典型的彈性破壞曲線。3＃、7＃試件進(jìn)行的是單點(diǎn)法試驗(yàn)，每塊都有幾組試驗(yàn)成果，試驗(yàn)都在同一條件下進(jìn)行，3＃試件具有較好的規(guī)律性，7＃試件抗剪試驗(yàn)最大正應(yīng)力的τ值明顯偏低，其他較正常。

第2種類型的1＃試件周圍沒打插筋保護(hù)試件下部巖石，所以剪切面為巖石層面，因較特殊，所以計(jì)算中未予考慮；其他試件抗剪斷和抗剪曲線基本正常，大小關(guān)系符合理論分析。

由于巖體強(qiáng)度、試件刻鑿和巖石風(fēng)化等情況的不同，每塊試件的破壞形式仍有較大差別，造成了試驗(yàn)成果的規(guī)律性差，尤其是第2組試驗(yàn)。

3.2.2 τ－σ曲線分析

tgφ值和c值的計(jì)算采用了圖解法。圖解法考慮了各點(diǎn)的具體情況，如巖層的地質(zhì)條件及試件破壞形式，再有如c值不應(yīng)小于0或幾個點(diǎn)中有1個點(diǎn)分布異常，往往予以舍棄或稍加考慮，而以多數(shù)能反映正常情況的點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)取值。

從峰值、屈服值和殘余值計(jì)算分析可知，A、B兩組試件tgφ和c的3個數(shù)值關(guān)系基本正常，即峰值最大，屈服值次之，殘余值最小，基本上反映出試驗(yàn)數(shù)據(jù)合乎理論依據(jù)。A、B兩組τ－σ曲線中，抗剪斷的tgφ較抗剪的tgφ稍大；c值中，抗剪斷的c值較抗剪的c值稍大，具有較好的規(guī)律性。這一方面反映出試件情況相差不大，另一方面反映出試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合邏輯的必然性。

A、B兩組單點(diǎn)法抗剪試驗(yàn)，tgφ和c值部分比同組的抗剪斷小，單點(diǎn)法的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做為最終試驗(yàn)成果的參考依據(jù)。

3.2.3 抗剪（斷）強(qiáng)度指標(biāo)的確定

A、B兩組試驗(yàn)，當(dāng)τ達(dá)到峰值時，累計(jì)水平變形量都在6～15mm，如果設(shè)計(jì)允許閘體滑動達(dá)到此變形量，就利用峰值做為工程計(jì)算依據(jù)?？紤]到滾鏈的摩阻力和試驗(yàn)誤差，根據(jù)相關(guān)資料，峰值的折減系數(shù)一般采用85%，c值的折減系數(shù)一般采用33%。如果設(shè)計(jì)允許閘體滑動變形量為2mm，就利用ε＝2mm時的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)做為工程計(jì)算依據(jù)。當(dāng)ε＝2mm時，tgφ的折減系數(shù)采用95%，c值的折減系數(shù)采用33%，則本次試驗(yàn)抗剪（斷）強(qiáng)度指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)成果匯總表組別試驗(yàn)

4 結(jié)語

（1）根據(jù)試驗(yàn)成果匯總表可知，混凝土與千枚巖（夾少量大理巖）抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)峰值為f′＝0.518，c′＝0.038MPa；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)峰值為f＝0.477，c＝0.040MPa。ε＝2mm時，抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)f′＝0.362，c′＝0.027MPa；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)f＝0.304，c＝0.031MPa。

考慮峰值的變形量多在6～15mm，如果設(shè)計(jì)允許，可采用表1中tgφ和c的峰值；如不允許，建議以ε＝2mm變形量的抗剪（斷）強(qiáng)度指標(biāo)并參考峰值。最終建議值如下：抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)f′＝0.4，c′＝0.027MPa；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)f＝0.35，c＝0。

（2）混凝土與巖石野外大型抗剪（斷）試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地模擬工程運(yùn)行狀態(tài)，取得可靠的巖體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

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