湖北咸寧核電站場平工程原位直剪試驗(yàn)研究

朱偉兵

湖北咸寧核電站場平工程原位直剪試驗(yàn)研究

朱偉兵

（湖北省宜昌市鼎誠工程試驗(yàn)檢測有限公司，湖北宜昌443002）

結(jié)合湖北咸寧核電站場平工程，從試點(diǎn)的選擇、試件制備、試驗(yàn)布置、設(shè)備安裝、荷載施加等方面探討了水平推擠法試驗(yàn)的關(guān)鍵步驟。根據(jù)試驗(yàn)記錄和現(xiàn)場資料，得出了抗剪強(qiáng)度參數(shù)，繪制了土體破壞剪切壓力與位移的關(guān)系曲線。

湖北咸寧核電站；場平工程；原位直剪試驗(yàn)；水平推擠法；抗剪強(qiáng)度參數(shù)

0　引言

原位直接剪切試驗(yàn)是測定土體本身、土體軟弱面、地基土與混凝土接觸面的抗剪強(qiáng)度的一種方法［1］。它通常是在現(xiàn)場某個(gè)位置制成幾個(gè)土樣，在土體上施加推力，使土體發(fā)生剪切破壞，然后按照極限平衡理論，建立平衡方程，分析出抗剪強(qiáng)度。由于原位測試是在原位應(yīng)力條件下進(jìn)行的，不用取樣，從而避免或減輕了對土樣的擾動(dòng)［2］。另外，該方法測定土體的范圍大，能反映微觀、宏觀結(jié)構(gòu)對土體特性的影響。

原位直接剪切試驗(yàn)方法有平推法、斜推法、楔形體法和水平推擠法。其中，水平推擠法是對土體試樣施加水平推力，使土體在達(dá)到極限強(qiáng)度條件下，失去穩(wěn)定滑動(dòng)。它適用于碎石土、風(fēng)化沙礫混合土和黏性土層［3］。另外，由于水平推擠法試驗(yàn)裝置簡便，易于操作，是工程中更切合實(shí)際的常見檢測方法。湖北咸寧核電站場平工程回填邊坡為堆石料，采用水平推擠法進(jìn)行現(xiàn)場直剪試驗(yàn)，獲得回填邊坡巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（c、φ值），為邊坡穩(wěn)定性分析和施工圖設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1　工程概況

湖北咸寧核電站場平工程的主要項(xiàng)目為廠區(qū)開挖和各區(qū)域場地回填、邊坡施工以及觀景平臺(tái)和連接道路工程。各區(qū)域場地回填的填料為開挖棄料，其巖性復(fù)雜，風(fēng)化程度不均勻。廠區(qū)回填材料設(shè)計(jì)主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示?；靥钸吰碌亩咽蠟樾迈r完整的灰質(zhì)礫巖。其飽和抗壓強(qiáng)度大于40MPa，軟化系數(shù)大于0.7，風(fēng)化系數(shù)大于0.75，含泥量小于5%。其粒級組成為：粒徑為60～80 cm的大石占60%，粒徑為30～60 cm的中石占30%，粒徑為10～30cm的小石占10%。

表1　廠區(qū)回填材料主要物理力學(xué)性指標(biāo)表Tab.1 M ain physical and mechanical indicators of factory backfill materials

2　試驗(yàn)方法及關(guān)鍵步驟

2.1試驗(yàn)點(diǎn)的選擇與試樣制備

選擇的試驗(yàn)點(diǎn)填筑料對應(yīng)的工況應(yīng)與邊坡施工的工況一致。試樣制備時(shí)，為防止非滑動(dòng)土體對所測試土體滑動(dòng)的影響，破壞土體的天然結(jié)構(gòu)，使三向問題變?yōu)槠矫鎲栴}，應(yīng)在測試土體左右兩側(cè)挖槽，使測試土體與左右兩側(cè)的非測試土體斷開。另外，在槽中回填細(xì)粉沙等材料，以免在土體發(fā)生剪切破壞的滑動(dòng)過程中，塌落或松弛，影響試驗(yàn)結(jié)果［4］。本試驗(yàn)采用自填筑面層向下開挖的方法。具體為：先在一端挖坑，用以安裝施加水平推力的傳壓板、千斤頂及測試位移的量表，再在測試土體左右兩側(cè)挖槽，使測試土體與左右兩側(cè)的非測試土體斷開。

本試驗(yàn)是在現(xiàn)場實(shí)際土體上進(jìn)行的，反映了土體實(shí)際，且試驗(yàn)不受試驗(yàn)儀器尺寸限制，保持原級配和自然狀態(tài)。試驗(yàn)土體尺寸視土料顆粒組成與最大粒徑而定。本試驗(yàn)試樣采用長方體，尺寸為1.5m× 1.5m×1.0m（長×寬×高），其平面布置如圖1所示。

圖1　試樣平面布置圖Fig.1 Test sample layout p lan

2.2試驗(yàn)布置

該試驗(yàn)為露天作業(yè)，試樣采取地表露天開挖，采用堆載方法施加法向反力，水平推擠法原位直剪試驗(yàn)布置如圖2所示。

圖2　水平推擠法原位直剪試驗(yàn)布置圖Fig.2 In-situ direct shear test layout plan of thrust and shear test

2.3試驗(yàn)設(shè)備及安裝

2.3.1試驗(yàn)設(shè)備

（1）反力裝置。采用鋼梁-堆載平臺(tái)組合，土工袋裝回填料。（2）加荷設(shè)備。水平加載和垂直加載均采用油壓千斤頂。（3）量測設(shè)備。采用油壓表量測荷載，采用百分表量測水平位移。

2.3.2設(shè)備安裝

（1）水平載荷系統(tǒng)的安裝。水平千斤頂?shù)膲毫ψ饔命c(diǎn)應(yīng)對準(zhǔn)試件高度的1／3和1／2處。（2）垂直荷載系統(tǒng)的安裝。垂直荷載通過反力裝置橫梁將反力傳至堆載平臺(tái)，其合力作用點(diǎn)應(yīng)通過預(yù)定剪切面中心。（3）量測系統(tǒng)的安裝。表座支架位于試驗(yàn)變形影響范圍之外，測試量表在支架上應(yīng)對稱安裝，垂直方向安裝2個(gè)百分表，水平方向安裝4個(gè)百分表。

2.4荷載施加的要求和方法

2.4.1法向荷載施加的要求和方法

法向荷載應(yīng)盡可能通過剪切面中心。對于高含水量的塑性軟弱層，法向荷載應(yīng)分級施加，以免軟弱層擠出［5］。

本試驗(yàn)的最大垂直壓力按400 kPa考慮，每次分5級均勻施加，垂直壓力加載方案如表2所示。

2.4.2剪切荷載施加方法及速率

剪切荷載分級快速施加，按預(yù)估的最大剪應(yīng)力百分?jǐn)?shù)施加，每5min加載一級。

表2　垂直壓力加載方案Tab.2 Vertical p ressure loading plan

2.5變形觀測和穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

垂直荷載每級加載穩(wěn)定后，讀取水平壓力、垂直和水平位移表的讀數(shù)。5min后，再讀取一次。然后，施加下一級荷載，讀取水平壓力、垂直和水平位移表讀數(shù)，直到預(yù)定的垂直壓力。此后，每5min觀測1次，直至連續(xù)2次法向位移之差小于0.01mm。待垂直變形穩(wěn)定后，再施加水平推力，每5min加載一級，直至土體破壞，獲得最大水平推力Qmax和最小水平推力Qmin。

2.6資料整理與計(jì)算

根據(jù)收集數(shù)據(jù)，繪制滑動(dòng)體實(shí)測斷面圖，并根據(jù)滑動(dòng)體的轉(zhuǎn)折點(diǎn)或按等距將滑動(dòng)體劃分成若干塊。然后，計(jì)算單位寬度每塊土體的重力。最后，計(jì)算強(qiáng)度參數(shù)c（黏聚力）和φ（內(nèi)摩擦角）。

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)記錄和現(xiàn)場描繪資料，計(jì)算并繪制出土體破壞剪切壓力與位移關(guān)系曲線（如圖3所示），再按極限平衡原理等進(jìn)行具體分析，求得強(qiáng)度參數(shù)。其試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖3　典型的剪切壓力－位移曲線Fig.3 Typical shear stress and disp lacem ent curve

表3　試樣強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算表Tab.3 Test sample strength parameter calculation

在進(jìn)行原位直剪試驗(yàn)的同時(shí)，本試驗(yàn)還對土體進(jìn)行了含水量、干密度、顆粒級配分析試驗(yàn)。這些試驗(yàn)反映了不同強(qiáng)度參數(shù)（c、φ值）對應(yīng)的填料顆粒級配及填筑壓實(shí)情況，以便提供邊坡施工填料的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。從試驗(yàn)情況看，咸寧核電站場平工程邊坡施工用填料的含水量為4%左右，不均勻系數(shù)在18以上，曲率系數(shù)在1～3之間，是良好的填筑料。

3.2強(qiáng)度參數(shù)的影響因素

（1）干密度。試驗(yàn)土體干密度越大，剪切強(qiáng)度也越大。

（2）粗顆粒含量及含泥量。當(dāng)粗顆粒形成連續(xù)骨架時(shí)，土體材料即具有粗顆粒的性質(zhì)，土體的剪切強(qiáng)度隨粗顆粒含量的增加而增加，達(dá)某一界限時(shí)，粗顆粒含量增加，剪切強(qiáng)度反而會(huì)減小。土體的剪切強(qiáng)度隨著含泥量的增加而減小。

（3）土體顆粒本身的強(qiáng)度。顆粒本身的強(qiáng)度愈高，產(chǎn)生破碎的壓力愈高，剪切強(qiáng)度也愈高。反之，顆粒本身的強(qiáng)度愈低，產(chǎn)生破碎的壓力愈低，剪切強(qiáng)度也愈低。

（4）試樣的含水量。干樣的剪切強(qiáng)度比飽和樣的剪切強(qiáng)度大。

4　結(jié)語

（1）通過水平推擠法進(jìn)行現(xiàn)場直剪試驗(yàn)，獲得回填邊坡巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（c、φ值），為咸寧核電廠區(qū)回填邊坡巖土體采用邊坡穩(wěn)定性分析和施工圖設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）現(xiàn)場原位試驗(yàn)?zāi)芨玫胤从惩馏w顆粒組成級配及土體天然結(jié)構(gòu)。

（3）水平推擠法原位直剪試驗(yàn)由于用推力的方法使試樣受剪，在剪切過程中，試樣容易發(fā)生剪脹，會(huì)在其接觸點(diǎn)處產(chǎn)生一方向向下的摩擦力，而該摩擦力在試驗(yàn)中無法測定，從而使得剪切面上的正應(yīng)力比實(shí)際外加的正應(yīng)力要大，致使抗剪強(qiáng)度高于實(shí)際強(qiáng)度。建議，在確定填筑料抗剪強(qiáng)度參數(shù)（c、φ值）時(shí)，采用小值平均法。

（4）考慮到邊坡運(yùn)行條件在水下，試驗(yàn)處于飽和狀態(tài)比干燥狀態(tài)的抗剪強(qiáng)度降低，推薦抗剪強(qiáng)度參數(shù)（c、φ值）時(shí)，采用小值平均值。

［1］SL 237－1999，原位直剪試驗(yàn)［S］.

［2］葛明明，王寧，杜冰.南水北調(diào)穿黃工程黃土原位直剪試驗(yàn)研究［J］.南水北調(diào)與水利科技，2010（5）：22－25.

［3］胡毅夫，劉戀，孫飛飛.全風(fēng)化花崗巖坡積土水平推擠試驗(yàn)分析［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（12）：159－163.

［4］常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：261－290.

［5］郭慶國.粗粒土的工程特性及應(yīng)用［M］.鄭州：黃河水利出版社，1998：286－312.

[責(zé)任編輯胡修池]

Study on Xianning Nuclear Power Station Field－leveling Engineering In－situ Direct Shear Test of Hubei Province

ZHU Wei－bing
（Dingcheng Engineering Test Co.，Ltd.，Yichang 443002，Hubei，China）

Combined with Hubei xianning nuclear power station field－leveling engineering，this paper discusses the key steps in thrust and shear test from the aspects of test site selection，test material preparation，test arrangement，equipment installation，load application，etc.According to the test record and field data，it obtained the shear strength parameters and drew the relation curve of soil destruction of shear stress and displacement.

X ianning nuclear power station of Hubei Province；field－leveling engineering；In－situ direct shear test；thrust and shear test；shear strength parameters

TU411

A

1008-486X（2016）01-0032-04

2015－09－29

朱偉兵（1969－），男，江西修水人，高級工程師，主要從事工程試驗(yàn)檢測的管理與技術(shù)研究工作。