攀枝花市金江鈦業(yè)鈦渣項目現(xiàn)場剪切試驗分析

鄢 松, 羅 衡

(1.中冶成都勘察研究總院有限公司，四川成都610023；2.四川省電力設(shè)計院，四川成都610072)

土體強度指標c、φ值的確定方法很多，不同的排水條件和施工速度對c、φ值的測定有不同的要求。在試驗中，盡管可以通過努力把取樣擾動和制樣擾動降低到最小限度。但是試樣從地層深部取出時因應(yīng)力釋放而引起的擾動是無法避免的，而且精細的取土和試驗技術(shù)現(xiàn)在還難以普遍推廣應(yīng)用。而現(xiàn)場剪切試驗的試樣比室內(nèi)試樣大，能包含土體宏觀結(jié)構(gòu)的變化，而且土體結(jié)構(gòu)沒有受到擾動破壞，所以試驗條件接近工程實際情況。而且原位測試是在原位應(yīng)力條件下進行實驗，不用取樣，避免或減輕了對土樣的擾動程度，測定土體的范圍大，能反映微觀、宏觀結(jié)構(gòu)對土體性狀的影響。因此，對重要的工程，必須使試驗條件盡可能接近土的實際工作條件，從而提高工程的安全可靠度。

1 工程地質(zhì)概況

金江鈦業(yè)15×104t/a鈦渣項目位于四川省攀枝花市金江片區(qū)的南部、金沙江右岸的釩鈦產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)，目前該產(chǎn)業(yè)園是四川省最大、最有成效的工業(yè)園區(qū)，是攀枝花城市建設(shè)和發(fā)展的重點地區(qū)。

1.1 地形地貌

擬建場地位于金沙江右岸河谷坡地。地貌上屬于構(gòu)造剝蝕中切割臺狀中山，總體地形走勢西高東低，傾向金沙江河谷。地形坡度較緩，平均約10°～30°，地面高程介于1 154.0～1 245.0 m之間。場地內(nèi)沖溝微地貌發(fā)育，多呈由西向東走向。

1.2 氣象水文

擬建場地氣候?qū)儆谖覈鴣啛釒鞫谓鹕辰D龍川江島狀南亞熱帶干熱河谷氣候區(qū)，具有典型的南亞熱帶半干旱季風(fēng)氣候特點。

場地主要地表水系為東側(cè)的金沙江，根據(jù)金沙江水文水資源勘測隊1994年～2003年實測資料，金沙江最大流量12 200 m3/s，平均流速3.73 m/s，最小流量404 m3/s，平均流速1.07 m/s，水資源豐富。

1.3 地層巖性

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、鉆探，該場地地層主要有：第四系全新統(tǒng)植物層(Q4pd)，第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)，第四系全新統(tǒng)坡洪積層(Q4dl+pl)，第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)，第四系全新統(tǒng)坡殘積層(Q4dl+el)，第四系中更新統(tǒng)冰積土(Q2gl)，三疊系大箐組泥巖、砂巖(T3)、三疊系熱變質(zhì)帶(T3)、華力西期花崗巖(P3)。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

擬建場地區(qū)域上位于川滇南北向構(gòu)造帶中段，處于南北向深大斷裂與早期東西向褶皺的復(fù)合部位，區(qū)域構(gòu)造形跡極為復(fù)雜。區(qū)域構(gòu)造以南北向及北北東向的壓扭性斷裂構(gòu)造為主，南北向構(gòu)造以昔格達斷裂為代表。

2 原位剪切試驗系統(tǒng)設(shè)計及現(xiàn)場試驗

2.1 試驗系統(tǒng)

結(jié)合試驗現(xiàn)場實際情況，本場地采用千斤頂法(現(xiàn)場剪切試驗裝置見圖1)。

圖1 現(xiàn)場剪切試驗裝置

(1)垂向加壓部分。垂向加壓系統(tǒng)采用堆荷平臺裝置提供垂向力，獨立的千斤頂～壓力表施力系統(tǒng)分級施力。傳力系統(tǒng)采用傳力柱、鋼墊板傳力、球鉸矯正施力方向，利用滾軸將剪切盒與施力裝置之間的水平摩阻降至較小。

(2)水平推力部分。水平推力采用試槽壁固定支座提供反力，采用球鉸、傳力柱及千斤頂直接將分級水平推力作用于剪切盒上，獨立的千斤頂～壓力表施力系統(tǒng)施力，達到分級加力的目的。

(3) 形變測量系統(tǒng)。本次形變測量部分垂直壓縮變形及水平位移均采用大量程百分表觀測。

安裝荷載系統(tǒng)時，千斤頂要嚴格定位，使其施力中心對準剪切面，且位于試樣中線。

2.2 試件尺寸及豎向加荷等級的選擇

根據(jù)委托單位要求并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，共在場地內(nèi)選取了3種粉質(zhì)黏土進行試驗，分別是：

(1)粉質(zhì)黏土③1：褐紅、褐黃色，局部含少量角礫及卵石，無搖振反應(yīng)，稍有光滑，干強度一般，韌性中等，硬塑狀，稍濕。

(2) 粉質(zhì)黏土⑤1：褐黃、灰黃色，結(jié)構(gòu)致密，干強度中等，韌性中等，稍濕，硬塑狀。其中，碎石含量15 %～25 %，呈次棱角形，石質(zhì)成分為砂巖，巖質(zhì)軟，用手可掰開，全～強風(fēng)化狀；卵石含量約5%～10%，呈亞圓形～圓形，磨圓度好，石質(zhì)成分主要為花崗巖、閃長巖等，堅硬，中風(fēng)化。在該層存在方向不規(guī)則的光滑面，可見明顯擦痕，傾角∠25°～45°。

(3)含碎石粉質(zhì)黏土⑤2：褐黃、灰黃、淺灰色，碎塊石含量20%～45%，硬塑狀，稍濕。厚度2.00～20.30 m。該層同樣存在方向不規(guī)則的光滑面及擦痕，傾角∠25°～45°。

其中粉質(zhì)黏土③1、粉質(zhì)黏土⑤1按天然狀態(tài)進行現(xiàn)場剪切試驗，含碎石粉質(zhì)黏土⑤2按浸水狀態(tài)進行現(xiàn)場剪切試驗；試樣尺寸按規(guī)范要求?。洪L50 cm、寬50 cm、高15 cm?？紤]到試驗條件的復(fù)雜性和試驗結(jié)果可能出現(xiàn)較大的離散性，每一組試驗均不少于3個試樣。

為更好模擬投入使用后地基土的實際工況條件，豎向荷載的選用按以下原則選用：(1)最小垂直荷載不應(yīng)小于剪切面以上地層的自重壓力；(2)最大垂直荷載應(yīng)大于擬建(構(gòu))筑物設(shè)計荷載；(3)試驗荷載應(yīng)根據(jù)巖土的性質(zhì)或技術(shù)要求確定。最終確定為100 kPa、250 kPa、400 kPa三個垂直加載等級。

2.3 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗采用固結(jié)快剪法：將每一垂直加載等級均分為4級，每級荷載施加后立即記錄垂直變形百分表讀數(shù)，此后每15 min觀測垂直變形一次，當連續(xù)兩次測讀差δ≤0.05 mm，即認為當級垂直變形已經(jīng)穩(wěn)定，此時可加下一級荷載，待4級荷載均施加完畢，便可施加橫向推力。

本工程試驗橫向推力分8級施加，每分鐘記錄壓力表和百分表讀數(shù)，當變形相對趨于平穩(wěn)時，方可施加下一級荷載，直至剪切破壞。

當剪切變形不斷增加，壓力表壓力值下降或橫向位移與試樣寬度之比達到1/10時即為剪切破壞。

3 現(xiàn)場剪切試驗資料處理

采用每組試驗抗剪斷峰值對應(yīng)的σ(法向應(yīng)力)，τ(剪應(yīng)力)進行最小二乘法線性回歸，分析得出c(內(nèi)聚力)，進而計算出φ(內(nèi)摩擦角)。計算公式如下：

4 原位剪切試驗結(jié)果分析

4.1 剪切應(yīng)力與剪切位移曲線

根據(jù)原位剪切試驗結(jié)果，將每一試驗點的三個加載等級的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線繪在同一坐標系中，得出剪切力-剪切位移曲線(圖2～圖7)。

圖2 1#點剪切應(yīng)力與剪切位移曲線

圖3 2#點剪切應(yīng)力與剪切位移曲線

圖4 3#點剪切應(yīng)力與剪切位移曲線

圖5 4#點剪切應(yīng)力與剪切位移曲線

圖6 5#點剪切應(yīng)力與剪切位移曲線

圖7 6#點剪切應(yīng)力與剪切位移曲線

4.2 垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力曲線圖

根據(jù)原位剪切試驗結(jié)果，得出各試驗點的垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力曲線圖(圖8～圖13)。

圖8 1#點垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力曲線

圖9 2#點垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力曲線

圖10 3#點垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力曲線

圖11 4#點垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力曲線

圖12 5#點垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力曲線

圖13 6#點垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力曲線

4.3 現(xiàn)場剪切試驗成果整理

根據(jù)現(xiàn)場剪切試驗結(jié)果計算的抗剪強度指標見表1。

4.4 原位剪切試驗結(jié)果分析

結(jié)果表明：

(1)天然狀態(tài)下冰積粉質(zhì)黏土⑤1的c、φ值比坡洪積粉質(zhì)黏土③1高，說明巖土層時代成因及狀態(tài)和其力學(xué)特性呈正相關(guān)，時代越老、狀態(tài)越好的土層其c、φ值越高。

(2)同是冰積成因，浸水狀態(tài)含碎石粉質(zhì)黏土⑤2的c、φ值比天然狀態(tài)冰積粉質(zhì)黏土⑤1分別降低約25.1%、30.2%，說明含水率增加，使薄膜水變厚，甚至增加自由水，導(dǎo)致土的抗剪強度降低；在本場地，水對土體抗剪強度的降低作用是極其明顯的。

(3)剪切試樣的剪損面并不一定沿著預(yù)先的剪切面開縫發(fā)展，剪切試樣除周邊在剪切過程中少量剝落外，剪切面基本完整，沿剪切強度相對較低的裂隙、土石顆粒界面破壞，整個剪損面平整度不一，起伏度較大，有一定粗糙度，剪損面上可見摩擦光滑面。

5 與室內(nèi)剪切實驗數(shù)據(jù)的對比

5.1 室內(nèi)剪切實驗成果的對應(yīng)選取

為使原位剪切試驗數(shù)據(jù)更加準確，根據(jù)現(xiàn)場勘察鉆孔的平面布置，選取以下3組對應(yīng)土樣的室內(nèi)剪切實驗與原位剪切試驗進行對比。室內(nèi)結(jié)果見表2。

表1 現(xiàn)場剪切試驗c、φ 值結(jié)果

表2 室內(nèi)剪切實驗成果

5.2 試驗結(jié)果對比分析

將上述原位試驗、室外實驗結(jié)果進行比較，列表于表3。

表3 原位試驗與室內(nèi)實驗結(jié)果對比

對比結(jié)果表明：

(1)室內(nèi)實驗c、φ值指標均比現(xiàn)場原位試驗指標值低，主要原因可能是現(xiàn)場鉆探取樣擾動及室內(nèi)實驗土樣制備的影響。

(2)由于現(xiàn)場剪切試驗的剪切面基本沿剪切強度相對較低的裂隙、土石顆粒界面破壞，整個剪損面平整度不一，起伏度較大，使試樣剪損時需要的橫向推力偏大，從而導(dǎo)致c、φ值有一定程度的增大。

(3)勘察區(qū)地層由于成因、種類、分布范圍、埋置深度的不同其力學(xué)指標差異較大，導(dǎo)致土工實驗指標離散性較大。

6 結(jié)論

(1)含水量的增加對抗剪強度有較大的影響?，F(xiàn)場剪切試驗的結(jié)果表明，當處于浸水狀態(tài)下，試樣的內(nèi)聚力c相對天然狀態(tài)下降低約25.1%，試樣的摩擦角φ相對天然狀態(tài)下降低約30.2%，可見水對土體抗剪強度的降低作用是極其明顯的。

因此雨季施工時，由于水的浸入滲透，將使土體的抗剪強度降低。降低的幅度取決于土體的滲透性和飽水的程度，雖然場地內(nèi)土屬于中～弱透水性土，但因具有膨脹性，土體風(fēng)干失水后裂面張開，遇水軟化，沿裂面易產(chǎn)生滑動，所以施工時應(yīng)采取相應(yīng)措施。

(2)剪切試樣的剪損面并不一定沿著預(yù)先的剪切面開縫發(fā)展，一般均沿剪切強度相對較低的裂隙、土石顆粒界面破壞，整個剪損面平整度不一，起伏度較大。

(3)現(xiàn)場剪切試驗所得土的抗剪強度指標明顯高于室內(nèi)實驗的結(jié)果，主要原因是現(xiàn)場鉆探取樣擾動及室內(nèi)實驗土樣制備的影響導(dǎo)致土體強度下降，另一方面現(xiàn)場剪切試驗的剪切面的發(fā)展導(dǎo)致試樣剪損時需要的橫向推力偏大，從而導(dǎo)致c、φ值有一定程度的增大。

(4)雖然現(xiàn)有的原位試驗存在數(shù)量及場地條件的限制，在試驗點的分布上，無法做到在平面上和垂向上全面兼顧，使得基礎(chǔ)資料有一定的局限性和誤差，因此導(dǎo)致最終結(jié)果有一定的局限和誤差，但總體來說現(xiàn)場剪切試驗?zāi)馨磳嶋H工程要求確定應(yīng)力路徑，能保證土樣的原始結(jié)構(gòu)狀態(tài)、含水狀態(tài)并沿可能的滑動方向進行大面積剪切，所以能真實反映出土體的實際抗剪強度，是一種合理有效的試驗方法。

[1] 中國冶金建設(shè)集團成都勘察研究總院. 金江鈦業(yè)15×104t/a鈦渣項目初步設(shè)計階段巖土工程勘察報告[R].2008

[2] YS 5221-2000 現(xiàn)場直剪試驗規(guī)程[S]

[3] 《工程地質(zhì)手冊》編委會.工程地質(zhì)手冊[M].4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006

[4] GB 50021-2001 巖土工程勘察規(guī)范(2009版)[S]

[5] 陳希哲.土力學(xué)地基基礎(chǔ)[M].4版.北京：清華大學(xué)出版社，2004