全風(fēng)化花崗巖原位水平推剪試驗(yàn)研究

依托托華能霞浦核電工程，開展了原位水平推剪試驗(yàn)，分析了研究區(qū)土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)獲取方法，并采用極限平衡方法反算土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)和滑移面的具體位置。結(jié)果表明：（1）隨水平外荷載的增大，土試樣水平位移均表現(xiàn)出先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定的趨勢，到破壞時(shí)，試樣變形主要經(jīng)歷了壓實(shí)、屈服及破壞的3個(gè)典型階階段；（2）基于極限平衡法確定研究區(qū)土體的密度為21.6 kN/m3，內(nèi)聚力標(biāo)準(zhǔn)值為36.5 kPa，內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值為61.1°；（3）試樣的滑面表現(xiàn)出典型的弧形。實(shí)際工程中，基于現(xiàn)場推剪試驗(yàn)得到的滑動(dòng)面形態(tài)在進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)無需選擇特定的計(jì)算滑面，較傳統(tǒng)的計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果更為合理。

原位測試； 水平推剪試驗(yàn)； 抗剪強(qiáng)度； 全風(fēng)化花崗巖

TU502+.3A

工程結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)

［定稿日期］2023-05-26

［作者簡介］左新衛(wèi)（1984—），男，本科，高級(jí)工程師，從事巖土工程勘察、設(shè)計(jì)與施工。

0" 引言

邊坡穩(wěn)定性研究中，如何科學(xué)確定巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)及滑動(dòng)面位置時(shí)目前面臨的重要科學(xué)問題。既有研究表明，巖土體的抗剪強(qiáng)度的影響因素很多，如巖土體物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面分布特征及含水率等［1-2］。通常確定巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)主要有現(xiàn)場原位試驗(yàn)、室內(nèi)土工試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)反演方法等［3］?；泼娴拇_定方法有深部位移監(jiān)測及數(shù)值模擬方法［4］。研究表明，室內(nèi)試驗(yàn)方法對(duì)于巖土體的擾動(dòng)較大，且試樣尺寸較小，與實(shí)際情況的吻合度較小。現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)于試樣的擾動(dòng)較小，試驗(yàn)過程中科技盡可能的保證巖土體的含水率、天然結(jié)構(gòu)特征特征與實(shí)際情況一致，得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)交友較高的應(yīng)用價(jià)值［5］。因此，原位試驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于大型工程的設(shè)計(jì)與分析中。其中原位水平推剪試驗(yàn)不僅可以科學(xué)的額獲取巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)并且可以有效的推求滑移面位置。謝方臣等［6］基于大型現(xiàn)場水平推剪試驗(yàn)系統(tǒng)地研究了土石混合體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。結(jié)果表明，通過此方法獲得了某高填方路基的土力學(xué)參數(shù)。從處理效果可知，該方法合理有效。楊偉強(qiáng)等［7］依托厄瓜多爾德爾西水電站工程開展現(xiàn)場水平推剪試驗(yàn)，詳細(xì)分析了殘積土及全風(fēng)化層土的強(qiáng)度參數(shù)。結(jié)果表明，推剪試驗(yàn)可以反映土石混合體的變形特征。相比于室內(nèi)試驗(yàn)，水平推剪試驗(yàn)取得的成果更能代表延退的抗剪強(qiáng)度特性。黃向京和王維［8］基于高速公路土石混合填料體的現(xiàn)場水平推剪試驗(yàn)研究了土體的抗剪強(qiáng)度。結(jié)果表明，紅層軟巖土石混合填料體存在明顯的應(yīng)力屈服和塑性變形特征。油新華和湯勁松［9］基于現(xiàn)場推剪試驗(yàn)研究了土石混合體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。結(jié)果表明，土石混合體雖然也表現(xiàn)出全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。王參松等［10］綜合采用現(xiàn)場推剪試驗(yàn)和室內(nèi)三軸試驗(yàn)，研究了玄武巖風(fēng)化土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律及含水率對(duì)土體強(qiáng)度指標(biāo)的影響。結(jié)果表明，土的殘余強(qiáng)度指標(biāo)中內(nèi)摩擦角與峰值強(qiáng)度相近，而內(nèi)聚力相對(duì)穩(wěn)定。

本文依托華能霞浦核電工程，開展原位水平推剪試驗(yàn)，系統(tǒng)分析研究區(qū)土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)獲取方法，并在此基礎(chǔ)上采用理論方法得到滑移面的具體位置，本文的研究可為相似工程的邊坡穩(wěn)定性分析和防護(hù)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1" 工況概況

研究區(qū)所在邊坡走向NE—SW，寬200～400 m，海拔21～104 m。區(qū)域地形為低山丘陵，岸坡較陡，基巖裸露。山體北坡陡峻，基巖裸露較少，植被較發(fā)育。南坡表面除局部有露頭外，基本被坡殘積層覆蓋，植被發(fā)育。山體南側(cè)、東端的沖溝、陡崖地段可見崩塌或滑塌造成的滾石和陡傾角巖體。試驗(yàn)場地山體自然坡度30°～60°，植被茂密，場地西側(cè)與邊坡相交處存在人工挖方邊坡，高約20 m，NW—SE走向，近乎垂直。根據(jù)已有資料，廠前區(qū)主要為丘陵地貌，局部由于開挖形成人工地貌。標(biāo)高10～104 m。上覆地層主要為第四系上更新統(tǒng)坡殘積層（Q3dl+el）及殘積層（Q3el）；下伏燕山晚期侵入巖，巖性主要有長石斑巖、花崗斑巖等，以及局部發(fā)育的閃長玢巖、流紋巖巖脈等。地表出露巖石以長石斑巖為主。

2" 試驗(yàn)方案

2.1" 場地及試樣制作

根據(jù)現(xiàn)場野外測繪及強(qiáng)風(fēng)化巖土體分布區(qū)域，選擇滿足試驗(yàn)場地條件的地段進(jìn)行人工試挖掘，確認(rèn)地層符合試驗(yàn)要求后，再進(jìn)行試坑開挖。

在選定的試驗(yàn)點(diǎn)，清掉表層土，向下開挖1.2 m，然后制備一個(gè)三面臨空的長方形的試驗(yàn)土體，試樣尺寸為0.8 m×0.7 m×0.25 m。試塊兩側(cè)邊各挖寬20～30 cm的小槽，為方便觀察滑動(dòng)面的剪切破壞過程，將一側(cè)小槽適當(dāng)加寬，槽中放置塑料布，并在其上回填挖出的土，分層稍加夯實(shí)。

本文采用灌水法測試試樣的密度。先將測點(diǎn)處地面整平，開挖尺寸不小于20 cm×25 cm×30 cm的密度試驗(yàn)試坑，將試坑開挖出的強(qiáng)風(fēng)化巖屑收集起來并進(jìn)行稱重，之后在試坑中鋪設(shè)塑料薄膜，再緩緩灌入純凈的水，并對(duì)所耗水量進(jìn)行稱重，最后按照等體積法計(jì)算出強(qiáng)風(fēng)化巖石和水的密度比，最后得到土體的密度。

2.2" 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用水平推剪法進(jìn)行，試驗(yàn)裝置主要包括：（1）前后枕木：前枕木尺寸為25 cm×70 cm，厚約5 cm，后枕木尺寸為30 cm×70 cm；（2）鋼板：尺寸為25 cm×70 cm，厚度1.5 cm；（3）裝有壓力測力計(jì)并經(jīng)標(biāo)定的臥式油壓千斤頂一個(gè)。具體試驗(yàn)裝置如圖1所示。

2.3" 試驗(yàn)過程

完成試驗(yàn)準(zhǔn)備和設(shè)備安裝后，即可在水平千斤頂上加載。開始試驗(yàn)后，首先緩慢徐施加水平推力，其加荷速度在每15～20 s內(nèi)使水平位移在4 mm左右，當(dāng)土體開始出現(xiàn)剪切面時(shí)，壓力表上的讀數(shù)達(dá)最大值，繼續(xù)加荷，壓力表讀數(shù)下降或者穩(wěn)定，此時(shí)認(rèn)為試塊已被剪壞，記錄壓力表上的最大推力數(shù)，即為Qmax值。松開閥門以卸載壓力，進(jìn)行二次加載，加載達(dá)到壓力表最大讀數(shù)為最小水平推力Qmin。

工程結(jié)構(gòu)左新衛(wèi)： 全風(fēng)化花崗巖原位水平推剪試驗(yàn)研究

3" 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1" 水平荷載-位移關(guān)系

本次現(xiàn)場直剪試驗(yàn)共布置5組，具體試驗(yàn)點(diǎn)為S1、S2、S3、S4和S5。由圖2可知，隨著試驗(yàn)水平荷載的增大，5組試樣的水平位移均表現(xiàn)出先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定的趨勢。當(dāng)荷載增大到一定程度時(shí)，位移表現(xiàn)出明顯降低趨勢，證明試樣發(fā)生了剪切破壞。總體來看，5組試樣都存在峰值強(qiáng)度，當(dāng)當(dāng)載增大到一定程度時(shí)，強(qiáng)度下降均比較小，這是因?yàn)楫?dāng)試件開始發(fā)生破壞時(shí)，并未完全擠出所導(dǎo)致的。此外，試樣從加載到破壞的變形主要經(jīng)歷了3個(gè)階段：（1）當(dāng)荷載由初始的0值開始增大到一定程度時(shí)，該階段土體的變形速率較大，土試樣被壓實(shí)；（2）隨著荷載的進(jìn)一步增大，試樣土體進(jìn)入屈服階段，位移顯著增大，而荷載保持不變甚至有所降低；（3）當(dāng)水平外荷載大于土體的屈服強(qiáng)度時(shí)，荷載-位移曲線趨于平穩(wěn)，證明土體發(fā)生剪切破壞。

3.2" 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與滑動(dòng)面確定

根據(jù)極限平衡法理論，將試塊滑動(dòng)弧按等距將滑動(dòng)體劃分成若干條塊（圖3），分別求出計(jì)算單位寬度的每塊土體的重力及c和φ值，見式（1）～式（2）。

c=Qmax-QminG（∑ni=1gicosαi）2+（∑ni=1gisinαi）2QminG∑ni=1gisinαi+∑ni=1gicosαiBli（1）

tanφ=QminG∑ni=1gicosαi-∑ni=1gisinαiQminG∑ni=1gisinαi+∑ni=1gicosαi（2）

式中：Qmax為最大水平推力，（kN）；Qmin為最小水平推力，（kN）；gi為第i條塊的重力，（kN）；G為滑動(dòng)體的重力，（kN）；ai為第i條塊的滑動(dòng)面與水平面夾角，（°）；li為第i條塊滑動(dòng)線長度（m）；B為滑動(dòng)土體寬度，（m）。

圖4和圖5給出了S4和S5試樣試驗(yàn)過程中的裂縫分布形態(tài)及滑動(dòng)面位置。試驗(yàn)過程中可以清楚看到加載過程中裂縫出現(xiàn)的時(shí)間、位置及分布特征。隨著水平外荷載的增大，試樣的局部先出現(xiàn)裂縫，隨著裂紋的擴(kuò)展，逐漸貫穿形成完整的滑動(dòng)面。此外，裂縫在貫穿過程中由于土體的非均勻性特點(diǎn)，裂縫在擴(kuò)展過程中伴隨著多條次生裂紋貫穿的現(xiàn)象。根據(jù)最終試樣的破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，裂縫表現(xiàn)出典型的弧線破壞面。其中S5試樣的滑移面的弧形特征較弱。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是由于土體材料的非均勻性所造成的。

表1匯總了5組試樣的密度、最大和最小水平推力及試樣對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。根據(jù)結(jié)果，研究區(qū)土體的密度為21.6 kN/m3，土體的內(nèi)聚力標(biāo)準(zhǔn)值為36.5kPa，內(nèi)摩擦角為61.1°。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及極限平衡理論繪制出5組試樣破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)面形態(tài)如圖6所示。結(jié)果表明，除S1試樣外，組滑移面曲線均表現(xiàn)出典型的拋物線形態(tài)。而S1試樣表現(xiàn)出近似線性曲線形態(tài)。這是因?yàn)樵谠囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)，S1試樣中存在較多的大顆粒碎石。因此土體與塊石的接觸面內(nèi)聚力相對(duì)較小，內(nèi)摩擦角較大，當(dāng)試樣在受剪應(yīng)力時(shí)，容易發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，具體表現(xiàn)在圖6中為無明顯拐點(diǎn)。

3.3" 誤差分析

總結(jié)了本次實(shí)驗(yàn)過程中存在的誤差主要有三個(gè)方面：（1）規(guī)范要求剪切面平整度不大于剪切方向邊長的1％～2％，試驗(yàn)中存在一定的誤差；（2）試樣時(shí)制作過程中，軟弱結(jié)構(gòu)面或受到擾動(dòng)會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響；（3）由于土體的不均勻性，各試樣之間的粒徑分布和顆粒形態(tài)均有所差別，也會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響。

4" 結(jié)論

本文依托華能霞浦核電工程，開展了原位水平推剪試驗(yàn)，分析了研究區(qū)土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)獲取方法及滑移面的具體位置，得到幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）5組試樣的水平位移均表現(xiàn)出先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定的趨勢。試樣從加載到破壞的變形主要經(jīng)歷了壓實(shí)、屈服及破壞的3個(gè)典型階階段。

（2）采用極限平衡法反演研究區(qū)土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，最終得到研究區(qū)土體的密度為21.6 kN/m3，內(nèi)聚力標(biāo)準(zhǔn)值為36.5 kPa，內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值為61.1°。

（3）根據(jù)5組試樣滑移面的形態(tài)發(fā)現(xiàn)，原位水平推剪試驗(yàn)形成的滑面表現(xiàn)出典型的弧形。采用極限平衡原理得到的滑移面位置及形態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，無需選擇特定的計(jì)算滑面，較傳統(tǒng)的計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果更為合理。

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