王波波，邵根安,左霖

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

0 引言

文章研究對(duì)象為豫西低山與丘陵過渡區(qū)某水庫(kù)輸水洞進(jìn)口邊坡附近的古近系礫巖，邊坡巖性主要為古近系風(fēng)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(zhì)不均、呈散體結(jié)構(gòu)，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，對(duì)其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定具有一定的難度。傳統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)多是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得天然顆粒級(jí)配、土石比、含水率等參數(shù)，再根據(jù)實(shí)際情況通過現(xiàn)場(chǎng)取樣縮比配制重塑碎石土試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，未考慮到巖土體自身的結(jié)構(gòu)性及膠結(jié)狀態(tài)等因素，求得的巖土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與實(shí)際參數(shù)存在一定的誤差，采用原狀土試驗(yàn)方法則無此類問題，因此求得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相對(duì)重塑碎石土試驗(yàn)要合理得多。此外常規(guī)的直剪試驗(yàn)受試驗(yàn)受儀器和試驗(yàn)條件的限制，一般試樣尺寸較小，試驗(yàn)結(jié)果受尺寸效應(yīng)影響較大。文章結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察資料，采用尺寸較大的原位大型直剪試驗(yàn)和室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)，研究了區(qū)內(nèi)古近系礫巖的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，并對(duì)相關(guān)參數(shù)的主要影響因素進(jìn)行了分析，研究過程對(duì)類似礫巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的優(yōu)選具有一定的參考意義。

1 直剪試驗(yàn)

1.1 室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘察期間在輸水洞進(jìn)口邊坡附近選取了五個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，通過試坑灌水法對(duì)邊坡古近系礫巖進(jìn)行了天然密度測(cè)試，同時(shí)也進(jìn)行了含水率、顆粒級(jí)配等測(cè)試，測(cè)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(jì)算五組試驗(yàn)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(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得天然級(jí)配進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)試樣配置。鑒于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中局部礫石粒徑超過大型直剪儀器最大測(cè)定粒徑(儀器測(cè)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(jìn)行等比例縮小后，再結(jié)合含水率進(jìn)行試樣配置，在保證縮比后的試樣不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)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(shí)裝樣后進(jìn)行室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)。

本研究所采用的室內(nèi)試驗(yàn)儀器是成都東華卓越科技有限公司的ZJ50-2G大型應(yīng)變控制式直剪儀，試驗(yàn)尺寸為φ504 mm×400 mm，本次試驗(yàn)共分為五組天然直剪試驗(yàn)和五組飽和直剪試驗(yàn)，每組試驗(yàn)分五級(jí)加載，每組試樣重復(fù)利用。考慮到試樣含水率受環(huán)境的影響，在裝樣前加水配置不同含水率的試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器自動(dòng)采集法向壓力-法向位移曲線、剪應(yīng)力-剪切位移曲線等數(shù)據(jù)，剪切試驗(yàn)完成后記錄剪切面的破壞特征和特殊現(xiàn)象，分析剪應(yīng)力-剪切位移曲線選取合適抗剪強(qiáng)度數(shù)值繪制剪應(yīng)力-正應(yīng)力關(guān)系圖，再根據(jù)最小二乘法擬合數(shù)據(jù)求得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。試驗(yàn)成果見表1所示。

表1 室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)成果表

1.2 原位大型直剪試驗(yàn)

為更進(jìn)一步查明研究區(qū)域古近系礫巖的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，為相關(guān)水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性分析提供可靠的巖體力學(xué)參數(shù)，在室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)結(jié)束之后又補(bǔ)充進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)礫巖大型直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)地位于研究區(qū)邊坡頂部空地處，區(qū)內(nèi)選取代表性地段開挖兩個(gè)坑槽，于坑槽內(nèi)壁刻槽加工試體進(jìn)行直剪試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)采用平推法，試樣尺寸為50 cm×50 cm×35 cm，外套鋼模與預(yù)剪切面之間預(yù)留2 cm的剪切縫，通過液壓傳導(dǎo)裝置施加一定的正應(yīng)力之后進(jìn)行直剪試驗(yàn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的各種限制條件以及計(jì)算需求，將試驗(yàn)分為一組天然態(tài)直剪試驗(yàn)和兩組飽和態(tài)直剪試驗(yàn)，每組試驗(yàn)分六級(jí)壓力加載進(jìn)行試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中繪制剪應(yīng)力-剪切位移曲線、剪應(yīng)力-法向位移曲線，在每個(gè)試樣試驗(yàn)結(jié)束之后翻轉(zhuǎn)試體，測(cè)量實(shí)際剪切面面積，并對(duì)剪切面特征進(jìn)行描述。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間對(duì)剪切面進(jìn)行描述過程中發(fā)現(xiàn)飽和狀態(tài)下剪切面特征分為平直和起伏兩類，故在常規(guī)試驗(yàn)參數(shù)分析的同時(shí)，另外考慮剪切面性狀進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，整理試驗(yàn)成果見表2所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)成果表

2 試驗(yàn)結(jié)果及影響因素分析

通過分析試驗(yàn)過程和現(xiàn)象，對(duì)影響試驗(yàn)結(jié)果的各項(xiàng)因素進(jìn)行總結(jié)，有利于改進(jìn)試驗(yàn)中的不足，為參數(shù)優(yōu)選和工程地質(zhì)現(xiàn)象分析提供依據(jù)。

在進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，試樣的裝樣過程很難控制，人工分層擊實(shí)很難完整的將試樣恰好按配比裝入剪切盒，尤其是對(duì)于飽和態(tài)的試樣，更難控制裝樣的均勻性；剪切試驗(yàn)結(jié)束之后剪切面多較平直，局部可見礫石被剪斷；剪應(yīng)力-正應(yīng)力最小二乘法擬合的過程中發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果具有較好的規(guī)律性，擬合優(yōu)度基本上都在0.95以上。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中不存在試樣配制和裝樣的問題，但會(huì)遇到巖土體礫石分布不均勻的問題，在剪切試驗(yàn)結(jié)束之后多可見剪切面有起伏現(xiàn)象，分析剪切破壞面特征發(fā)現(xiàn)起伏現(xiàn)象的試樣破壞面多可見強(qiáng)度較高、不易剪斷的大塊石；局部試體含石量相對(duì)較低時(shí)會(huì)導(dǎo)致剪切峰值強(qiáng)度偏低，在擬合過程中影響較大；剪應(yīng)力-正應(yīng)力散點(diǎn)擬合過程中發(fā)現(xiàn)，優(yōu)定斜率法擬合優(yōu)度高于最小二乘法。對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中不同含水率組間數(shù)值，發(fā)現(xiàn)飽水前后C、φ值都有下降，但下降幅度不同，即內(nèi)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(duì)粘聚力C的影響較大。

在試驗(yàn)過程和結(jié)果分析時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果具有良好的規(guī)律性，但由于未考慮到巖土體的結(jié)構(gòu)性和不均勻性導(dǎo)致所求抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相對(duì)實(shí)際偏低；室內(nèi)試驗(yàn)過程中試樣的重復(fù)利用，許多塊石、礫石在剪切試驗(yàn)結(jié)束之后雖未破碎，可能存在強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)受到的人為干擾因素較小，偶爾出現(xiàn)的抗剪強(qiáng)度偏高或偏低更能反映客觀、真實(shí)的地質(zhì)情況，試驗(yàn)結(jié)果也更接近于實(shí)際巖土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，但是存在試樣不均勻?qū)е碌闹貜?fù)工作，以及擬合方法導(dǎo)致的誤差等問題，此外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)飽和試體制備過程中飽和度的控制也有待進(jìn)一步的研究?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)雖尺寸相對(duì)常規(guī)試驗(yàn)雖大，相對(duì)現(xiàn)場(chǎng)古近系礫巖地層來說仍是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，尺寸效應(yīng)是個(gè)不可忽視的問題。

3 結(jié)論與建議

文章以豫西某低山-丘陵過渡區(qū)古近系礫巖夾粘土巖為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行了研究，并對(duì)影響試驗(yàn)結(jié)果的因素進(jìn)行了分析，研究過程和結(jié)論對(duì)類似工程參數(shù)取值具有一定的參考價(jià)值。主要結(jié)論如下。

①室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)受人為干擾因素較多，且不能有效的考慮到原巖的結(jié)構(gòu)性，故所求抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相對(duì)較低，僅適用于堆積碎石土相關(guān)的研究計(jì)算，對(duì)原位古近系礫巖不適用；

②分析直剪試驗(yàn)剪切面特征和試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中的粘聚力C值影響較大；

③尺寸效應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)的影響都比較大，因此具體參數(shù)應(yīng)該針對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行進(jìn)一步的研究；

④直剪試驗(yàn)結(jié)果處理時(shí)應(yīng)結(jié)合試驗(yàn)過程中的一些特殊現(xiàn)象進(jìn)行進(jìn)一步發(fā)掘，遇到剪切面平直、起伏或剪切面含石量變化較大時(shí)應(yīng)適量補(bǔ)做試驗(yàn)，研究巖土體的最高或最低抗剪強(qiáng)度，再分析平均值或最小值。