攀枝花市金江钛业钛渣项目现场剪切试验分析

鄢 松, 罗 衡

(1.中冶成都勘察研究总院有限公司，四川成都610023；2.四川省电力设计院，四川成都610072)

土体强度指标c、φ值的确定方法很多，不同的排水条件和施工速度对c、φ值的测定有不同的要求。在试验中，尽管可以通过努力把取样扰动和制样扰动降低到最小限度。但是试样从地层深部取出时因应力释放而引起的扰动是无法避免的，而且精细的取土和试验技术现在还难以普遍推广应用。而现场剪切试验的试样比室内试样大，能包含土体宏观结构的变化，而且土体结构没有受到扰动破坏，所以试验条件接近工程实际情况。而且原位测试是在原位应力条件下进行实验，不用取样，避免或减轻了对土样的扰动程度，测定土体的范围大，能反映微观、宏观结构对土体性状的影响。因此，对重要的工程，必须使试验条件尽可能接近土的实际工作条件，从而提高工程的安全可靠度。

1 工程地质概况

金江钛业15×104t/a钛渣项目位于四川省攀枝花市金江片区的南部、金沙江右岸的钒钛产业园区内，目前该产业园是四川省最大、最有成效的工业园区，是攀枝花城市建设和发展的重点地区。

1.1 地形地貌

拟建场地位于金沙江右岸河谷坡地。地貌上属于构造剥蚀中切割台状中山，总体地形走势西高东低，倾向金沙江河谷。地形坡度较缓，平均约10°～30°，地面高程介于1 154.0～1 245.0 m之间。场地内冲沟微地貌发育，多呈由西向东走向。

1.2 气象水文

拟建场地气候属于我国亚热带西段金沙江―龙川江岛状南亚热带干热河谷气候区，具有典型的南亚热带半干旱季风气候特点。

场地主要地表水系为东侧的金沙江，根据金沙江水文水资源勘测队1994年～2003年实测资料，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，水资源丰富。

1.3 地层岩性

根据现场地质调查、钻探，该场地地层主要有：第四系全新统植物层(Q4pd)，第四系全新统人工填土(Q4ml)，第四系全新统坡洪积层(Q4dl+pl)，第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)，第四系全新统坡残积层(Q4dl+el)，第四系中更新统冰积土(Q2gl)，三叠系大箐组泥岩、砂岩(T3)、三叠系热变质带(T3)、华力西期花岗岩(P3)。

1.4 地质构造

拟建场地区域上位于川滇南北向构造带中段，处于南北向深大断裂与早期东西向褶皱的复合部位，区域构造形迹极为复杂。区域构造以南北向及北北东向的压扭性断裂构造为主，南北向构造以昔格达断裂为代表。

2 原位剪切试验系统设计及现场试验

2.1 试验系统

结合试验现场实际情况，本场地采用千斤顶法(现场剪切试验装置见图1)。

图1 现场剪切试验装置

(1)垂向加压部分。垂向加压系统采用堆荷平台装置提供垂向力，独立的千斤顶～压力表施力系统分级施力。传力系统采用传力柱、钢垫板传力、球铰矫正施力方向，利用滚轴将剪切盒与施力装置之间的水平摩阻降至较小。

(2)水平推力部分。水平推力采用试槽壁固定支座提供反力，采用球铰、传力柱及千斤顶直接将分级水平推力作用于剪切盒上，独立的千斤顶～压力表施力系统施力，达到分级加力的目的。

(3) 形变测量系统。本次形变测量部分垂直压缩变形及水平位移均采用大量程百分表观测。

安装荷载系统时，千斤顶要严格定位，使其施力中心对准剪切面，且位于试样中线。

2.2 试件尺寸及竖向加荷等级的选择

根据委托单位要求并结合现场实际情况，共在场地内选取了3种粉质黏土进行试验，分别是：

(1)粉质黏土③1：褐红、褐黄色，局部含少量角砾及卵石，无摇振反应，稍有光滑，干强度一般，韧性中等，硬塑状，稍湿。

(2) 粉质黏土⑤1：褐黄、灰黄色，结构致密，干强度中等，韧性中等，稍湿，硬塑状。其中，碎石含量15 %～25 %，呈次棱角形，石质成分为砂岩，岩质软，用手可掰开，全～强风化状；卵石含量约5%～10%，呈亚圆形～圆形，磨圆度好，石质成分主要为花岗岩、闪长岩等，坚硬，中风化。在该层存在方向不规则的光滑面，可见明显擦痕，倾角∠25°～45°。

(3)含碎石粉质黏土⑤2：褐黄、灰黄、浅灰色，碎块石含量20%～45%，硬塑状，稍湿。厚度2.00～20.30 m。该层同样存在方向不规则的光滑面及擦痕，倾角∠25°～45°。

其中粉质黏土③1、粉质黏土⑤1按天然状态进行现场剪切试验，含碎石粉质黏土⑤2按浸水状态进行现场剪切试验；试样尺寸按规范要求取：长50 cm、宽50 cm、高15 cm。考虑到试验条件的复杂性和试验结果可能出现较大的离散性，每一组试验均不少于3个试样。

为更好模拟投入使用后地基土的实际工况条件，竖向荷载的选用按以下原则选用：(1)最小垂直荷载不应小于剪切面以上地层的自重压力；(2)最大垂直荷载应大于拟建(构)筑物设计荷载；(3)试验荷载应根据岩土的性质或技术要求确定。最终确定为100 kPa、250 kPa、400 kPa三个垂直加载等级。

2.3 现场试验

现场试验采用固结快剪法：将每一垂直加载等级均分为4级，每级荷载施加后立即记录垂直变形百分表读数，此后每15 min观测垂直变形一次，当连续两次测读差δ≤0.05 mm，即认为当级垂直变形已经稳定，此时可加下一级荷载，待4级荷载均施加完毕，便可施加横向推力。

本工程试验横向推力分8级施加，每分钟记录压力表和百分表读数，当变形相对趋于平稳时，方可施加下一级荷载，直至剪切破坏。

当剪切变形不断增加，压力表压力值下降或横向位移与试样宽度之比达到1/10时即为剪切破坏。

3 现场剪切试验资料处理

采用每组试验抗剪断峰值对应的σ(法向应力)，τ(剪应力)进行最小二乘法线性回归，分析得出c(内聚力)，进而计算出φ(内摩擦角)。计算公式如下：

4 原位剪切试验结果分析

4.1 剪切应力与剪切位移曲线

根据原位剪切试验结果，将每一试验点的三个加载等级的剪切应力-剪切位移曲线绘在同一坐标系中，得出剪切力-剪切位移曲线(图2～图7)。

图2 1#点剪切应力与剪切位移曲线

图3 2#点剪切应力与剪切位移曲线

图4 3#点剪切应力与剪切位移曲线

图5 4#点剪切应力与剪切位移曲线

图6 5#点剪切应力与剪切位移曲线

图7 6#点剪切应力与剪切位移曲线

4.2 垂直应力与剪切应力曲线图

根据原位剪切试验结果，得出各试验点的垂直应力与剪切应力曲线图(图8～图13)。

图8 1#点垂直应力与剪切应力曲线

图9 2#点垂直应力与剪切应力曲线

图10 3#点垂直应力与剪切应力曲线

图11 4#点垂直应力与剪切应力曲线

图12 5#点垂直应力与剪切应力曲线

图13 6#点垂直应力与剪切应力曲线

4.3 现场剪切试验成果整理

根据现场剪切试验结果计算的抗剪强度指标见表1。

4.4 原位剪切试验结果分析

结果表明：

(1)天然状态下冰积粉质黏土⑤1的c、φ值比坡洪积粉质黏土③1高，说明岩土层时代成因及状态和其力学特性呈正相关，时代越老、状态越好的土层其c、φ值越高。

(2)同是冰积成因，浸水状态含碎石粉质黏土⑤2的c、φ值比天然状态冰积粉质黏土⑤1分别降低约25.1%、30.2%，说明含水率增加，使薄膜水变厚，甚至增加自由水，导致土的抗剪强度降低；在本场地，水对土体抗剪强度的降低作用是极其明显的。

(3)剪切试样的剪损面并不一定沿着预先的剪切面开缝发展，剪切试样除周边在剪切过程中少量剥落外，剪切面基本完整，沿剪切强度相对较低的裂隙、土石颗粒界面破坏，整个剪损面平整度不一，起伏度较大，有一定粗糙度，剪损面上可见摩擦光滑面。

5 与室内剪切实验数据的对比

5.1 室内剪切实验成果的对应选取

为使原位剪切试验数据更加准确，根据现场勘察钻孔的平面布置，选取以下3组对应土样的室内剪切实验与原位剪切试验进行对比。室内结果见表2。

表1 现场剪切试验c、φ 值结果

表2 室内剪切实验成果

5.2 试验结果对比分析

将上述原位试验、室外实验结果进行比较，列表于表3。

表3 原位试验与室内实验结果对比

对比结果表明：

(1)室内实验c、φ值指标均比现场原位试验指标值低，主要原因可能是现场钻探取样扰动及室内实验土样制备的影响。

(2)由于现场剪切试验的剪切面基本沿剪切强度相对较低的裂隙、土石颗粒界面破坏，整个剪损面平整度不一，起伏度较大，使试样剪损时需要的横向推力偏大，从而导致c、φ值有一定程度的增大。

(3)勘察区地层由于成因、种类、分布范围、埋置深度的不同其力学指标差异较大，导致土工实验指标离散性较大。

6 结论

(1)含水量的增加对抗剪强度有较大的影响。现场剪切试验的结果表明，当处于浸水状态下，试样的内聚力c相对天然状态下降低约25.1%，试样的摩擦角φ相对天然状态下降低约30.2%，可见水对土体抗剪强度的降低作用是极其明显的。

因此雨季施工时，由于水的浸入渗透，将使土体的抗剪强度降低。降低的幅度取决于土体的渗透性和饱水的程度，虽然场地内土属于中～弱透水性土，但因具有膨胀性，土体风干失水后裂面张开，遇水软化，沿裂面易产生滑动，所以施工时应采取相应措施。

(2)剪切试样的剪损面并不一定沿着预先的剪切面开缝发展，一般均沿剪切强度相对较低的裂隙、土石颗粒界面破坏，整个剪损面平整度不一，起伏度较大。

(3)现场剪切试验所得土的抗剪强度指标明显高于室内实验的结果，主要原因是现场钻探取样扰动及室内实验土样制备的影响导致土体强度下降，另一方面现场剪切试验的剪切面的发展导致试样剪损时需要的横向推力偏大，从而导致c、φ值有一定程度的增大。

(4)虽然现有的原位试验存在数量及场地条件的限制，在试验点的分布上，无法做到在平面上和垂向上全面兼顾，使得基础资料有一定的局限性和误差，因此导致最终结果有一定的局限和误差，但总体来说现场剪切试验能按实际工程要求确定应力路径，能保证土样的原始结构状态、含水状态并沿可能的滑动方向进行大面积剪切，所以能真实反映出土体的实际抗剪强度，是一种合理有效的试验方法。

[1] 中国冶金建设集团成都勘察研究总院. 金江钛业15×104t/a钛渣项目初步设计阶段岩土工程勘察报告[R].2008

[2] YS 5221-2000 现场直剪试验规程[S]

[3] 《工程地质手册》编委会.工程地质手册[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2006

[4] GB 50021-2001 岩土工程勘察规范(2009版)[S]

[5] 陈希哲.土力学地基基础[M].4版.北京：清华大学出版社，2004