深層基巖原位剪切試驗(yàn)方法研究

吳慶保+李海燕

摘 要：在建筑場(chǎng)地基礎(chǔ)特別是深基坑開(kāi)挖后的邊坡支護(hù)施工過(guò)程中，場(chǎng)地邊坡支護(hù)需要提供揭露各巖土層的抗剪強(qiáng)度，以便確定支護(hù)方式，并設(shè)計(jì)計(jì)算支護(hù)錨桿、錨索的長(zhǎng)度及規(guī)格，由于在勘察階段，受場(chǎng)地條件限制，很難對(duì)深層揭露的巖土層進(jìn)行準(zhǔn)確的抗剪強(qiáng)度確定，本文就通過(guò)一次成功的現(xiàn)場(chǎng)深層原位剪切試驗(yàn)，對(duì)場(chǎng)地深部基巖的抗剪強(qiáng)度提供了準(zhǔn)確的巖土參數(shù)，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的。

關(guān)鍵詞：全風(fēng)化；強(qiáng)風(fēng)化；中風(fēng)化巖；原位剪切；人工挖孔

中圖分類(lèi)號(hào)：TU458 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）23-0060-02

1 前言

擬建建筑位于某市的核心地段，總建筑面積約29萬(wàn)平方米，其中地上建筑面積22萬(wàn)平方米，地下建筑面積7萬(wàn)平方米。主塔樓為85層，建筑高度500m，結(jié)構(gòu)高度為400m，采用雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系：混凝土核芯筒+伸臂桁架+巨型框架。裙樓4層，設(shè)4層地下室（基坑開(kāi)挖深度約為24.0m）。

本建筑基坑較深且揭露有地下水，準(zhǔn)確確定場(chǎng)地各巖土層的物理參數(shù)尤為重要，建設(shè)單位應(yīng)設(shè)計(jì)要求，擬對(duì)場(chǎng)地各巖土層在勘察階段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)基巖載荷試驗(yàn)及原位剪切試驗(yàn)，以準(zhǔn)確了解場(chǎng)地土層各項(xiàng)參數(shù)，確定建筑基礎(chǔ)及基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

2 場(chǎng)地巖土層及地下水概況

根據(jù)鉆探資料，鉆探揭露深度范圍內(nèi)，區(qū)內(nèi)地層自上而下主要為：素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、碎石、全風(fēng)化板巖、強(qiáng)風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖、微風(fēng)化板巖。

場(chǎng)地內(nèi)原位試驗(yàn)在人工挖孔樁內(nèi)進(jìn)行，人工挖孔各段均護(hù)壁，確?？變?nèi)安全，孔徑1.2-1.5米不等，確保試驗(yàn)可以孔內(nèi)進(jìn)行。場(chǎng)地內(nèi)各孔揭露地下水埋深4.0-5.0米，為配合現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，在孔周布設(shè)降水井，確?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)安全可靠。

3 試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)原理

本次現(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn)擬在人工開(kāi)挖的探井內(nèi)進(jìn)行，采用一次水平剪切法。

規(guī)范規(guī)定：試驗(yàn)時(shí)施加的法向荷載、剪切荷載應(yīng)位于剪切面、剪切縫的中心；或使法向荷載與剪切荷載的合力通過(guò)剪切面的中心，并保持法向荷載不變，如圖1。

剪切過(guò)程中為減少水平推剪過(guò)程中彎矩對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不利影響，加載點(diǎn)宜盡量靠近試驗(yàn)的根部。同時(shí)，應(yīng)增加鋼試樣箱的剛度，以減少試樣自身剪切變形對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。此外，加工剪切試樣時(shí)，應(yīng)確保試樣受到擾動(dòng)為最小，避免影響試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 探井規(guī)格

探井采用外徑1.6m的人工挖孔，內(nèi)徑為1.3m±0.05m。人工挖孔井筒（護(hù)壁）厚度為15cm，采用C30混凝土，內(nèi)配環(huán)向和縱向鋼筋，鋼筋設(shè)置由施工單位按照當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)自行配置。探井的實(shí)際開(kāi)挖深度根據(jù)試驗(yàn)巖層的埋藏深度、破碎程度等因素確定，具體為：1號(hào)探井最終開(kāi)挖至15.6m深度左右，2號(hào)探井最終開(kāi)挖至16m，3號(hào)探井最終開(kāi)挖至17m。現(xiàn)場(chǎng)探井情況如圖2所示。

3.3 試樣設(shè)置

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)每組巖體不宜少于5個(gè)，試體最小邊長(zhǎng)不宜小于50cm，高度不宜小于最小邊長(zhǎng)的0.5倍。且同一組試驗(yàn)體的巖性應(yīng)基本相同，受力狀態(tài)應(yīng)與巖土體在工程中的實(shí)際受力狀態(tài)相近。本次試驗(yàn)試樣尺寸為50cm×50cm×30cm。

現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)的數(shù)量為：全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖：各5個(gè)點(diǎn)，分布在各探井中。

3.4 試驗(yàn)裝置

現(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn)裝置由試驗(yàn)箱、加載系統(tǒng)及量測(cè)系統(tǒng)等組成。本試驗(yàn)鋼試驗(yàn)箱采用10mm厚的鋼板加工而成，內(nèi)側(cè)凈尺寸為50cm×50cm×30cm，詳見(jiàn)圖3所示。

3.5 加載及量測(cè)裝置

由于探井內(nèi)空間有限，量測(cè)裝置宜采用無(wú)需人工干預(yù)的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的應(yīng)設(shè)置在影響范圍之外，如在探井內(nèi)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，應(yīng)考慮反力裝置對(duì)位移量測(cè)的影響。

基于以上兩點(diǎn)要求，我司采用由靜載檢測(cè)儀器改裝成的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由RS-JYB樁基靜載荷測(cè)試分析系統(tǒng)、傳感器、攝像頭及油壓控制設(shè)備等組成，詳見(jiàn)圖4所示。

現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)的加載系統(tǒng)由水平加載系統(tǒng)及豎向加載系統(tǒng)組成。水平加載系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供作用在試樣上的水平推剪力；豎向加載負(fù)責(zé)提供作用在試樣上的法向壓力。加壓采用液壓千斤頂（50T級(jí)，精度0.5T），控制系統(tǒng)見(jiàn)圖4中所示，加壓見(jiàn)圖5中所示。

水平加載系統(tǒng)示意圖如圖5所示：加載系統(tǒng)采用液壓千斤頂輔以自動(dòng)加載系統(tǒng)，預(yù)留40cm的空間給水平加載裝置，加載系統(tǒng)采用型鋼埋入探井護(hù)壁作為反力裝置，再通過(guò)液壓千斤頂輔以自動(dòng)加載系統(tǒng)施加豎向荷載。反力型鋼長(zhǎng)1.8m，尺寸規(guī)格為180mm×95mm×5mm。

此外，豎向加壓承載板為500mm×500mm的鋼板，鋼板下采用20mm的圓鋼作為滾軸。詳見(jiàn)圖5所示。

3.6 加載設(shè)計(jì)

根據(jù)“受力狀態(tài)應(yīng)與巖土體在工程中的實(shí)際受力狀態(tài)相近”的原則，豎向荷載的取值為：，以最大可能開(kāi)挖深度20.0m計(jì)，最大豎向荷載約為100kN。根據(jù)規(guī)范規(guī)定“最大法向荷載應(yīng)大于設(shè)計(jì)荷載，并按等量分級(jí)；荷載精度應(yīng)為試驗(yàn)最大荷載的±2%；每一試體的法向荷載可分4～5級(jí)施加；當(dāng)法向變形達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，即可施加剪切荷載”。具體數(shù)值如表1所示。

水平最大加載量預(yù)估：。根據(jù)規(guī)范“每級(jí)剪切荷載按預(yù)估最大荷載的8%～10%分級(jí)等量施加，或按法向荷載的5%～10%分級(jí)等量施加；巖體按每5～10min，土體按每30s施加一級(jí)剪切荷載”。綜合考慮加載設(shè)備的精度、巖體的抗剪強(qiáng)度以及豎向荷載的大小，本次試驗(yàn)每級(jí)加載量取5kN，相鄰加載時(shí)間間隔取5min，一直加載至最大位移5cm（即剪切應(yīng)變10%）時(shí)停止試驗(yàn)。

3.7 本試驗(yàn)方法及技術(shù)要點(diǎn)

（1）施加的法向荷載、剪切荷載應(yīng)位于剪切面、剪切縫的中心；或使法向荷載與剪切荷載的合力通過(guò)剪切面的中心，并保持法向荷載不變；（2）最大法向荷載應(yīng)大于設(shè)計(jì)荷載，并按等量分級(jí)；荷載精度應(yīng)為試驗(yàn)最大荷載的±2%；（3）每一試體的法向荷載可分4～5級(jí)施加；當(dāng)法向變形達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，即可施加剪切荷載；（4）每級(jí)剪切荷載按預(yù)估最大荷載的8%～10%分級(jí)等量施加，或按法向荷載的5%～10%分級(jí)等量施加；巖體按每5～10min，土體按每30s施加一級(jí)剪切荷載；（5）當(dāng)剪切變形急劇增長(zhǎng)或剪切變形達(dá)到試體尺寸的1/10時(shí)，可終止試驗(yàn)；（6）根據(jù)剪切位移大于10mm時(shí)的試驗(yàn)成果確定殘余抗剪強(qiáng)度，需要時(shí)可沿剪切面繼續(xù)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)成果分析

通過(guò)以上試驗(yàn)過(guò)程，我院成功得出場(chǎng)地全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化巖石的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（粘聚力、內(nèi)摩擦角及其他相關(guān)極限破壞曲線(xiàn)），向建設(shè)單位提交場(chǎng)地深層原位剪切試驗(yàn)報(bào)告，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)施工要求。目前本項(xiàng)目已成功完成基礎(chǔ)施工，進(jìn)行主體建設(shè)。本方法不論對(duì)深層還是淺層巖土的剪切試驗(yàn)還是具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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