原位直剪试验在三峡库区地质灾害防治中的应用

倪海波, 刘　俊, 王彦黎

(1.湖北交投麻武高速公路建设指挥部,湖北 浠水　438200; 2.湖北博诚公路工程有限公司,湖北 荆州　434000; 3.湖北省地质环境总站,湖北 武汉　430034)

0　引言

三峡库区存在着大量的崩滑堆积体,其物质组成为土夹碎(块)石(以下简称碎石土),碎石含量在30%～70%之间[1],这些堆积体的稳定性直接关系到库区道路桥梁和居民建筑等基础设施的建设,是库区灾害防治的重点。由于碎石土组成复杂,粒径较大,取样困难,而常规的室内剪切试验受剪面积小,不能真实反映现场情况,试验结果离散度大,没有代表性。因此,碎石土的抗剪强度一直缺乏可直接参考的资料,这给工程的稳定性评价和设计施工带来了困难。

原位直剪试验按实际工程要求确定应力路径,现场制作试样,保证了土体的天然状态,使土样不发生扰动,且可根据上覆土层自重施加法向荷载,保证了土体的应力状态不变。另外,它还能够沿着堆积体滑动方向施加水平推力,并可直接对滑动面进行剪切,受剪面积较大,所以原位直剪试验能真实反映出土体的实际抗剪强度。相关规定也要求中型以上滑坡对滑动面(带)必须进行2～4组原位直剪强度试验[2]。

1　原位直剪试验原理

原位直剪试验的抗剪强度是指在外力作用下,岩土体具有抵抗剪切的极限强度。试验时,在同一类型的一组试体上,通过施加不同的法向荷载,分别进行剪切,测得剪切破坏时的剪应力。根据各剪切阶段特征点的剪应力和法向应力,采用图解法确定其相应的抗剪强度参数值。

2　原位直剪试验的实施

2.1　试验设备

剪切盒(自制);液压千斤顶系统;滚轴排、垫板、传力柱;压力表、位移表及表架、表座等(在探槽里试验还需工字钢、跳板、砂袋)。

2.2　试体布置

为了研究堆积体的物质组成、结构特征及滑动破坏情况,根据滑带的埋深和走向,在堆积体下部开掘勘探平硐(或在其前沿和后沿开挖探槽),沿主硐两侧依滑带走向开掘支硐,并预留土样制作试体。每组试验制作不少于4个试体,相邻试体间距应大于试体边长[3]。

2.3　试体制备

在预留试体位置停止全面开挖,以减少对试体的扰动。在土样上放自制的剪切盒,边切削边向下徐徐施压,直至剪切盒下沿距剪切面3 cm左右。水平推力方向与剪切面平行。修平试件顶部,使试体略高于剪切盒,用细砂找平试体顶部并填实剪切盒四周与试体的局部缝隙。

2.4　试验操作

2.4.1设备安装

按法向荷载系统→切向荷载系统→量测系统顺序依次安装(图1)。

法向荷载系统应垂直于剪切面,测表分布于试体对称部位,每侧装法向位移表和切向位移表各两只,测表支架的支点不受试体变形影响。平硐内以硐顶作为法向反力座,探槽中用堆载方式作为法向反力座。法向荷载系统安装好后,先施加适量的法向应力对试体进行预压,再安装切向荷载系统,以平硐或探槽壁为切向反力座。

2.4.2法向荷载的施加

在一组试体上分别施加不同的法向荷载,其值为最大法向荷载的4～5等分值。最大法向荷载按试体上履土体自重设计,兼顾不挤出软弱面上充填物或破坏试体为限。法向位移相对稳定后即可施加剪切荷载。

2.4.3剪切荷载的施加

按各级法向荷载的5%～10%分级施加剪切荷载。试体剪断后应继续施力,直到出现大致相等的剪切荷载为止。

第一，高校要根据时代发展对学生的新要求进行教育理念的转变，让学校的教育跟上时代需求。在对大学生的思想教育工作中，教育者要具有先进的教育理念和超前意识，摒弃传统的“填鸭式”教学，积极向“向双互动”交流方式转变。

2.4.4剪切面描述

试验结束后,掀开试体进行剪切面描述,并测量剪切面的有效剪切面积。

3　试验数据整理

(1) 绘制各法向应力下剪应力与剪切位移关系曲线,并根据曲线取稳定点为各级特征点的剪应力值。

图1　设备安装图

(2) 绘制各级剪应力与法向应力关系曲线,并根据曲线确定相应的抗剪强度参数c、φ值。

4　试验成果总结

表1是在三峡库区开展原位直剪试验取得的部分成果汇总,据此可归纳出以下结论：

表1　部分原位直剪试验成果汇总表

(1) 同一试验点,无论天然状态下(如水田坝高切坡项目)还是饱和状态下(如曹家老屋、柚子树坪滑坡),测得的抗剪强度参数值离散度都很小,说明大面积原位剪切试验的代表性很好,更能真实地反映试验点的抗剪强度,可以作为滑坡等灾害防治工程稳定性评价和设计施工的依据。

(3) 不同的试验点,天然抗剪强度参数值的离散度明显大于饱和抗剪强度参数值的离散度,并且饱和抗剪强度参数值普遍很小,说明库区的堆积体在天然状态下,稳定性是不一样的,而一旦受水侵蚀软化,其稳定性都会明显降低。

5　注意事项及建议

5.1　试体大小的确定

通常情况下,剪切面积越大,试验的代表性越好,得出的参数越真实。但剪切面的大小直接决定了试验的成本和难度,剪切面积加大,相应的法向荷载成倍增加,以平硐顶为法向反力座时,由于碎石土不够紧密,压缩性比较大,并且易破碎,反力很难满足要求。另外,一组试验需要制作多个具有相同结构类型的试体,在平硐和探槽狭小的空间里,要找到这样一组试体比较困难,试体剪切面越大,制作的难度就越大。通过一系列试验,本文建议剪切面边长控制在35～50 cm范围比较合适。

5.2　试体不能浇筑混凝土保护套

因为混凝土中的水分改变了试体的天然状态,并且在试验时,保护套受压破碎,使位移表的读数失真,易导致试验失败。

5.3　千斤顶的行程

由于碎石土的压缩性比较大,如果千斤顶的行程过短,往往压力还没有达到设计值而行程已走完,只得卸压后重新安装,造成不必要的经济损失甚至风险。因此应选用行程>20 cm的千斤顶。

参考文献：

[1]时卫民,郑宏录,刘文平,郑颖人.三峡库区碎石土抗剪强度指标的试验研究[J].重庆建筑,2005(2)：30-35.

[2]湖北省三峡库区地质灾害防治工作领导小组办公室.湖北省三峡库区滑坡防治地质勘察与治理工程技术规定[M].武汉：中国地质大学出版社,2003.

[3]GB/T50266—99，工程岩体试验方法标准[S].