張峰

（山西工程技術(shù)學院 礦業(yè)工程系，山西 陽泉045000）

庫壩下煤層開采過程中，壩體受地下煤層采動、庫水壓力和自重等多因素影響下，壩體結(jié)構(gòu)將會出現(xiàn)移動變形，嚴重時將會造成潰壩事故的發(fā)生。衡量壩體變形破壞的主要形式為拉伸破壞和剪切破壞，但土體抗拉強度極低，現(xiàn)有的儀器無法測定其破壞程度和破壞過程，因此，只有通過土體的抗剪強度衡量壩體的變形破壞過程，為壩體變形破壞機理研究和壩體維修方案設計等提供基礎(chǔ)參數(shù)。

由于衡量抗剪強度的指標主要為內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力，因此需要對大壩土體的兩個參數(shù)進行測試，通過現(xiàn)場土樣采集、實驗室測試，將測試結(jié)果利用MATLAB 一元線性回歸分析，根據(jù)摩爾- 庫倫準則，抗剪強度τ 與內(nèi)摩擦角φ 和粘聚力c 之間的一元線性關(guān)系，得出壩體的抗剪強度指標。

庫壩土體抗剪強度的測定共分為四個步驟：①現(xiàn)場土樣采集；②實驗室測定；③MATLAB 一元線性回歸計算；④依據(jù)摩爾庫倫準則，抗剪強度指標求取。

1 土樣采集

庫壩為均質(zhì)粘土壩，壩體各個部位的土質(zhì)基本相同。為了保證測試結(jié)果的客觀性，分別在壩體不同位置進行取樣。共計挖取8 組試樣，其中壩頂3 組、中部2 組、下部3 組。取樣地點如圖1 所示。

取樣前在不銹鋼環(huán)刀（環(huán)刀圓環(huán)的橫截面積30cm2，高度20cm）內(nèi)沿部位涂抹少量凡士林，方便土樣更容易從環(huán)刀中取出。取樣時，先將取樣點周圍的浮土清理干凈，再將環(huán)刀扣入庫壩土體內(nèi)部，將環(huán)刀周圍土體掏空；然后沿環(huán)刀底面用壁紙刀對土樣進行切割，把環(huán)刀和土體樣品整體取出。最后將取出的土樣放置入樣品盒中，并對其進行編號。

為了防止土體水分揮發(fā)、影響測試結(jié)果，將采集完的土樣放在保溫箱內(nèi)，并盡早運至實驗室進行試驗。運輸過程中對保溫箱進行防震動處理。

2 試驗測試

將取回的樣品按照實驗室密度測量標準要求進行稱量，測得土樣中各個試件的質(zhì)量和體積。利用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZLB-1 三聯(lián)流變直剪測試儀測定庫壩土體的抗剪強度[1，2]。分別在8 組試件上依次施加50kPa、100kPa、150kPa、200kPa、250kPa、300kPa、350kPa 和400kPa 的垂直壓力，然后逐一在水平方向上施加水平剪切力，測得各試樣破壞時的剪應力τ。

具體操作步驟為：將盛有試件的環(huán)刀平口朝下，刀口向上，放入剪切盒內(nèi)，利用指壓板將土樣壓入剪切盒內(nèi)，取出環(huán)刀，順次加上傳壓板和加壓框架，按順時針方向轉(zhuǎn)動手輪，使盒上兩端的鋼珠恰好與量力環(huán)接觸（測微表指針指向0），順次加上相應的砝碼，緩慢轉(zhuǎn)動手輪施加水平剪切應力，直至量力環(huán)中的測微表指針不再前進或后退，說明試件已經(jīng)被剪破，此時的水平剪切應力即為該試件的抗剪強度指標[3]，試驗如圖2 所示。

圖2 土體剪切試驗

按照上述的方法和步驟，對其它7 組試樣分別進行了測試，8 組測試的結(jié)果如表所示。

各試樣的垂直壓力與抗剪強度

3 MATLAB 一元線性回歸分析

根據(jù)表中各試件的垂直壓力與抗剪強度之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，繪制庫壩內(nèi)部土體剪切強度隨垂直壓力變化的的散點圖[4]，如圖3 所示。

圖3 壩體內(nèi)部土體抗剪強度的擬合曲線

按照MATLAB 一元線性擬合的方法，將垂直壓力的變量用p 表示，抗剪強度用τ 表示，單位均為MPa，擬合出的關(guān)系式如上圖中所示。

4 土體抗剪強度指標求取

按照摩爾- 庫倫準則，抗剪強度τ 與內(nèi)摩擦角φ 和粘聚力c 之間的關(guān)系[5]：

利用MATLAB 軟件將其擬合成的一次函數(shù)曲線，與公式對應得到土體抗剪強度的計算公式，即：

由式（2）可知，庫壩土體抗剪強度的兩個指標數(shù)值，內(nèi)聚力為31.38kPa；經(jīng)三角函數(shù)換算后的內(nèi)摩擦角為10.13°。

5 結(jié)論

對庫壩土體現(xiàn)場取樣、實驗室試驗、MATLAB 一元線性擬合和摩爾庫倫準則換算，得到庫壩土體的內(nèi)聚力為31.38kPa，內(nèi)摩擦角為10.13°。為庫壩下煤層開采時壩體的變形破壞機理研究和壩體維修方案設計等提供基礎(chǔ)參數(shù)依據(jù)。