湖北咸宁核电站场平工程原位直剪试验研究

朱伟兵

湖北咸宁核电站场平工程原位直剪试验研究

朱伟兵

（湖北省宜昌市鼎诚工程试验检测有限公司，湖北宜昌443002）

结合湖北咸宁核电站场平工程，从试点的选择、试件制备、试验布置、设备安装、荷载施加等方面探讨了水平推挤法试验的关键步骤。根据试验记录和现场资料，得出了抗剪强度参数，绘制了土体破坏剪切压力与位移的关系曲线。

湖北咸宁核电站；场平工程；原位直剪试验；水平推挤法；抗剪强度参数

0　引言

原位直接剪切试验是测定土体本身、土体软弱面、地基土与混凝土接触面的抗剪强度的一种方法［1］。它通常是在现场某个位置制成几个土样，在土体上施加推力，使土体发生剪切破坏，然后按照极限平衡理论，建立平衡方程，分析出抗剪强度。由于原位测试是在原位应力条件下进行的，不用取样，从而避免或减轻了对土样的扰动［2］。另外，该方法测定土体的范围大，能反映微观、宏观结构对土体特性的影响。

原位直接剪切试验方法有平推法、斜推法、楔形体法和水平推挤法。其中，水平推挤法是对土体试样施加水平推力，使土体在达到极限强度条件下，失去稳定滑动。它适用于碎石土、风化沙砾混合土和黏性土层［3］。另外，由于水平推挤法试验装置简便，易于操作，是工程中更切合实际的常见检测方法。湖北咸宁核电站场平工程回填边坡为堆石料，采用水平推挤法进行现场直剪试验，获得回填边坡岩土体的抗剪强度参数（c、φ值），为边坡稳定性分析和施工图设计提供了依据。

1　工程概况

湖北咸宁核电站场平工程的主要项目为厂区开挖和各区域场地回填、边坡施工以及观景平台和连接道路工程。各区域场地回填的填料为开挖弃料，其岩性复杂，风化程度不均匀。厂区回填材料设计主要物理力学指标如表1所示。回填边坡的堆石料为新鲜完整的灰质砾岩。其饱和抗压强度大于40MPa，软化系数大于0.7，风化系数大于0.75，含泥量小于5%。其粒级组成为：粒径为60～80 cm的大石占60%，粒径为30～60 cm的中石占30%，粒径为10～30cm的小石占10%。

表1　厂区回填材料主要物理力学性指标表Tab.1 M ain physical and mechanical indicators of factory backfill materials

2　试验方法及关键步骤

2.1试验点的选择与试样制备

选择的试验点填筑料对应的工况应与边坡施工的工况一致。试样制备时，为防止非滑动土体对所测试土体滑动的影响，破坏土体的天然结构，使三向问题变为平面问题，应在测试土体左右两侧挖槽，使测试土体与左右两侧的非测试土体断开。另外，在槽中回填细粉沙等材料，以免在土体发生剪切破坏的滑动过程中，塌落或松弛，影响试验结果［4］。本试验采用自填筑面层向下开挖的方法。具体为：先在一端挖坑，用以安装施加水平推力的传压板、千斤顶及测试位移的量表，再在测试土体左右两侧挖槽，使测试土体与左右两侧的非测试土体断开。

本试验是在现场实际土体上进行的，反映了土体实际，且试验不受试验仪器尺寸限制，保持原级配和自然状态。试验土体尺寸视土料颗粒组成与最大粒径而定。本试验试样采用长方体，尺寸为1.5m× 1.5m×1.0m（长×宽×高），其平面布置如图1所示。

图1　试样平面布置图Fig.1 Test sample layout p lan

2.2试验布置

该试验为露天作业，试样采取地表露天开挖，采用堆载方法施加法向反力，水平推挤法原位直剪试验布置如图2所示。

图2　水平推挤法原位直剪试验布置图Fig.2 In-situ direct shear test layout plan of thrust and shear test

2.3试验设备及安装

2.3.1试验设备

（1）反力装置。采用钢梁-堆载平台组合，土工袋装回填料。（2）加荷设备。水平加载和垂直加载均采用油压千斤顶。（3）量测设备。采用油压表量测荷载，采用百分表量测水平位移。

2.3.2设备安装

（1）水平载荷系统的安装。水平千斤顶的压力作用点应对准试件高度的1／3和1／2处。（2）垂直荷载系统的安装。垂直荷载通过反力装置横梁将反力传至堆载平台，其合力作用点应通过预定剪切面中心。（3）量测系统的安装。表座支架位于试验变形影响范围之外，测试量表在支架上应对称安装，垂直方向安装2个百分表，水平方向安装4个百分表。

2.4荷载施加的要求和方法

2.4.1法向荷载施加的要求和方法

法向荷载应尽可能通过剪切面中心。对于高含水量的塑性软弱层，法向荷载应分级施加，以免软弱层挤出［5］。

本试验的最大垂直压力按400 kPa考虑，每次分5级均匀施加，垂直压力加载方案如表2所示。

2.4.2剪切荷载施加方法及速率

剪切荷载分级快速施加，按预估的最大剪应力百分数施加，每5min加载一级。

表2　垂直压力加载方案Tab.2 Vertical p ressure loading plan

2.5变形观测和稳定标准

垂直荷载每级加载稳定后，读取水平压力、垂直和水平位移表的读数。5min后，再读取一次。然后，施加下一级荷载，读取水平压力、垂直和水平位移表读数，直到预定的垂直压力。此后，每5min观测1次，直至连续2次法向位移之差小于0.01mm。待垂直变形稳定后，再施加水平推力，每5min加载一级，直至土体破坏，获得最大水平推力Qmax和最小水平推力Qmin。

2.6资料整理与计算

根据收集数据，绘制滑动体实测断面图，并根据滑动体的转折点或按等距将滑动体划分成若干块。然后，计算单位宽度每块土体的重力。最后，计算强度参数c（黏聚力）和φ（内摩擦角）。

3　试验结果分析

3.1试验结果

根据试验记录和现场描绘资料，计算并绘制出土体破坏剪切压力与位移关系曲线（如图3所示），再按极限平衡原理等进行具体分析，求得强度参数。其试验结果如表3所示。

图3　典型的剪切压力－位移曲线Fig.3 Typical shear stress and disp lacem ent curve

表3　试样强度参数计算表Tab.3 Test sample strength parameter calculation

在进行原位直剪试验的同时，本试验还对土体进行了含水量、干密度、颗粒级配分析试验。这些试验反映了不同强度参数（c、φ值）对应的填料颗粒级配及填筑压实情况，以便提供边坡施工填料的设计指标要求。从试验情况看，咸宁核电站场平工程边坡施工用填料的含水量为4%左右，不均匀系数在18以上，曲率系数在1～3之间，是良好的填筑料。

3.2强度参数的影响因素

（1）干密度。试验土体干密度越大，剪切强度也越大。

（2）粗颗粒含量及含泥量。当粗颗粒形成连续骨架时，土体材料即具有粗颗粒的性质，土体的剪切强度随粗颗粒含量的增加而增加，达某一界限时，粗颗粒含量增加，剪切强度反而会减小。土体的剪切强度随着含泥量的增加而减小。

（3）土体颗粒本身的强度。颗粒本身的强度愈高，产生破碎的压力愈高，剪切强度也愈高。反之，颗粒本身的强度愈低，产生破碎的压力愈低，剪切强度也愈低。

（4）试样的含水量。干样的剪切强度比饱和样的剪切强度大。

4　结语

（1）通过水平推挤法进行现场直剪试验，获得回填边坡岩土体的抗剪强度参数（c、φ值），为咸宁核电厂区回填边坡岩土体采用边坡稳定性分析和施工图设计提供依据。

（2）现场原位试验能更好地反映土体颗粒组成级配及土体天然结构。

（3）水平推挤法原位直剪试验由于用推力的方法使试样受剪，在剪切过程中，试样容易发生剪胀，会在其接触点处产生一方向向下的摩擦力，而该摩擦力在试验中无法测定，从而使得剪切面上的正应力比实际外加的正应力要大，致使抗剪强度高于实际强度。建议，在确定填筑料抗剪强度参数（c、φ值）时，采用小值平均法。

（4）考虑到边坡运行条件在水下，试验处于饱和状态比干燥状态的抗剪强度降低，推荐抗剪强度参数（c、φ值）时，采用小值平均值。

［1］SL 237－1999，原位直剪试验［S］.

［2］葛明明，王宁，杜冰.南水北调穿黄工程黄土原位直剪试验研究［J］.南水北调与水利科技，2010（5）：22－25.

［3］胡毅夫，刘恋，孙飞飞.全风化花岗岩坡积土水平推挤试验分析［J］.中南林业科技大学学报，2011（12）：159－163.

［4］常士骠，张苏民.工程地质手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007：261－290.

［5］郭庆国.粗粒土的工程特性及应用［M］.郑州：黄河水利出版社，1998：286－312.

[责任编辑胡修池]

Study on Xianning Nuclear Power Station Field－leveling Engineering In－situ Direct Shear Test of Hubei Province

ZHU Wei－bing
（Dingcheng Engineering Test Co.，Ltd.，Yichang 443002，Hubei，China）

Combined with Hubei xianning nuclear power station field－leveling engineering，this paper discusses the key steps in thrust and shear test from the aspects of test site selection，test material preparation，test arrangement，equipment installation，load application，etc.According to the test record and field data，it obtained the shear strength parameters and drew the relation curve of soil destruction of shear stress and displacement.

X ianning nuclear power station of Hubei Province；field－leveling engineering；In－situ direct shear test；thrust and shear test；shear strength parameters

TU411

A

1008-486X（2016）01-0032-04

2015－09－29

朱伟兵（1969－），男，江西修水人，高级工程师，主要从事工程试验检测的管理与技术研究工作。