原位直剪試驗(yàn)在某核電廠強(qiáng)風(fēng)化巖體強(qiáng)度參數(shù)研究中的應(yīng)用

麥華山

1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663

2.廣東科諾勘測(cè)工程有限公司，廣東 廣州 510663

巖土體的強(qiáng)度參數(shù)是分析邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)，可通過(guò)室內(nèi)剪切試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)原位直剪試驗(yàn)兩種方法獲取，多年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用多種手段和方法開(kāi)展了巖石（體）強(qiáng)度參數(shù)的研究，如趙建軍等[1]進(jìn)行了全風(fēng)化花崗巖人工邊坡巖體飽水直剪試驗(yàn)；許寶田等[2]研究了不同含水率下馬三峰人工邊坡粉砂質(zhì)泥巖軟弱夾層的剪切力學(xué)特性；魯祖德等[3]在嶺澳核站進(jìn)行了針對(duì)天然狀態(tài)及飽和狀態(tài)強(qiáng)風(fēng)化角巖的原位直剪試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)原位直剪試驗(yàn)保證了巖土體材料的天然狀態(tài)，使土樣不發(fā)生擾動(dòng)，且可根據(jù)上覆土層自重施加垂直荷載，保證了土體的應(yīng)力狀態(tài)，試樣的受剪面積比室內(nèi)實(shí)驗(yàn)大得多，因而與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相比更加符合實(shí)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(qiáng)度參數(shù)外，還需考慮極端條件下如暴雨工況下巖體強(qiáng)度的衰減情況，因此對(duì)巖土體飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行研究至關(guān)重要[4]。文章以南方某濱海核電站自然邊坡強(qiáng)風(fēng)化巖體的原位直剪試驗(yàn)為例，獲取飽和狀態(tài)下強(qiáng)風(fēng)化巖體強(qiáng)度參數(shù)，并根據(jù)場(chǎng)地強(qiáng)風(fēng)化巖體的風(fēng)化特征，通過(guò)不同的試驗(yàn)點(diǎn)選取，進(jìn)一步確定土狀強(qiáng)風(fēng)化巖體及半巖半土狀強(qiáng)風(fēng)巖體的強(qiáng)度參數(shù)，為邊坡穩(wěn)定性分析提供參數(shù)。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)對(duì)象為廠區(qū)內(nèi)煙墩嶺自然邊坡強(qiáng)風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r巖體，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，煙墩嶺南側(cè)在開(kāi)挖修建上山道路時(shí)已有強(qiáng)風(fēng)化巖體出露，巖體呈棕黃、黃褐色，堅(jiān)硬土狀～半巖半土狀。此次試驗(yàn)在選擇試驗(yàn)點(diǎn)時(shí)，采取“邊開(kāi)挖邊辨別”的方式進(jìn)行，即在山體斷面揭露為強(qiáng)風(fēng)化巖體的路邊地段，利用小型挖掘機(jī)進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖試坑的同時(shí)對(duì)試坑內(nèi)的巖體進(jìn)行辨別，保證試坑揭露的全部巖體均為強(qiáng)風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r。共選取6組30個(gè)樣品進(jìn)行試驗(yàn)，其中第1組及第6組巖體呈堅(jiān)硬土狀，強(qiáng)度接近全風(fēng)化巖體，第2～5組巖體呈半巖半土狀，試驗(yàn)點(diǎn)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(yàn)裝置

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用平推法，平推法直剪試驗(yàn)立面示意圖如圖3所示。

圖3 平推法直剪試驗(yàn)立面示意圖

2 試驗(yàn)方法

2.1 操作流程

此次試驗(yàn)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(kāi)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(hù)→開(kāi)挖剪切面→試樣飽水→開(kāi)始試驗(yàn)。

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(nèi)部打出1～4個(gè)小孔，用軟皮管將水滴灌入試樣內(nèi)，同時(shí)在試樣四周開(kāi)挖浸水槽，每個(gè)飽水試樣的浸水時(shí)間不得少于12h，在剪切試驗(yàn)過(guò)程中，視水面的情況不時(shí)向浸水槽內(nèi)添加清水，以保證試驗(yàn)過(guò)程中浸水槽內(nèi)始終充滿(mǎn)水。

2.3 試驗(yàn)操作過(guò)程

每個(gè)試樣分別進(jìn)行1次抗剪斷和3～5次摩擦試驗(yàn)。試樣最大法向壓力按0.55MPa考慮，每次試驗(yàn)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(cè)讀每級(jí)荷載下的法向位移，5min后再讀取1次，然后施加下一級(jí)荷載，直至預(yù)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(yù)估可能需要施加的最大剪切力大小，施加剪切力時(shí)，按預(yù)估的最大剪切力分10次由小到大分級(jí)施加，加載前后讀取法向和剪切位移，每5min加載一級(jí)，接近剪斷時(shí)加密測(cè)讀荷載和位移讀數(shù)，直至剪斷。剪力施加過(guò)程中，法向壓力保持恒定。

3 試驗(yàn)成果及分析

此次強(qiáng)風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r（飽和）直剪試驗(yàn)共完成6組，編號(hào)為第1組至第6組；每組5個(gè)試樣，試樣編號(hào)由“1-1”至“6-5”。每組試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，分別完成各試樣在不同法向荷載作用下的抗剪斷試驗(yàn)及斷后不同法向荷載作用下的摩擦試驗(yàn)。根據(jù)每次試驗(yàn)的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)，拾取每組試驗(yàn)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(yīng)力關(guān)系曲線(xiàn)，按庫(kù)倫-奈維表達(dá)式，根據(jù)最小二乘法線(xiàn)性回歸，確定相應(yīng)的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)（黏聚力、內(nèi)摩擦角）?？辜魯嘣囼?yàn)成果如表1所示。

表1 飽和狀態(tài)下強(qiáng)風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r抗剪斷試驗(yàn)成果表

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，不同試驗(yàn)點(diǎn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)存在一定的差異，這主要與其風(fēng)化程度有密切相關(guān)，其中第1組及第6組試樣呈堅(jiān)硬土狀，含水率相對(duì)較高，其黏聚力相對(duì)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(duì)較低，其黏聚力則相對(duì)較高，達(dá)到162.2～ 219.2kPa。

4 結(jié)論

文章采用平推法進(jìn)行飽和狀態(tài)下強(qiáng)風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r邊坡巖體的現(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn)，獲得了飽和狀態(tài)下強(qiáng)風(fēng)化巖體強(qiáng)度參數(shù)，得出了如下結(jié)論：（1）飽和狀態(tài)下巖體強(qiáng)度與其風(fēng)化程度密切相關(guān)，堅(jiān)硬土狀強(qiáng)風(fēng)化巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，其強(qiáng)度參數(shù)相對(duì)較低，半巖半土狀強(qiáng)風(fēng)化巖風(fēng)化程度與前者相比相對(duì)較弱，其強(qiáng)度參數(shù)相對(duì)較高；（2）在飽水條件一致情況下，各組試驗(yàn)試樣含水率指標(biāo)與其強(qiáng)度呈反相關(guān)，試樣含水率越高，其抗剪強(qiáng)度參數(shù)越低；（3）強(qiáng)風(fēng)化巖體力學(xué)特征變化較大，設(shè)計(jì)過(guò)程中可根據(jù)不同風(fēng)化特性的強(qiáng)風(fēng)化巖體選取相關(guān)的強(qiáng)度參數(shù)。