现场岩体直剪试验及室内岩块模拟试验的探讨

白承安

（新疆水利水电勘测设计研究院勘测总队，新疆昌吉831100）

现场岩体直剪试验及室内岩块模拟试验的探讨

白承安

（新疆水利水电勘测设计研究院勘测总队，新疆昌吉831100）

为满足玉龙喀什水利枢纽工程勘测设计要求，缩短现场岩体试验周期，保证试验结果的准确可靠，对现场岩体直剪试验与室内岩块模拟试验进行对比得出：野外试验周期一组约为45天左右，室内试验试验周期10天左右，室内试验与现场试验值较为接近，表明室内模拟现场原位试验是可行的，室内试验可以降低试验成本，缩短试验周期，保证试验结果的准确可靠。

岩体直剪试验；内摩擦角；黏聚力；模拟试验

为满足玉龙喀什水利枢纽工程勘测设计要求，需进行大量的现场岩体直剪试验及结构面直剪试验，现场岩体试验周期长，工作难度大，为保证试验结果的及时提交及试验结果的准确可靠，本文对现场岩体试验与室内岩块模拟试验进行对比。

1 工程概况与地质条件

1.1 工程概况

玉龙喀什水利枢纽工程是一座具有生态、防洪、灌溉、发电等综合利用任务的水利工程。水库正常蓄水位2170.0 m，相应库容5.15亿m3，电站装机容量424 MW（其中，生态电站装机容量24 MW），设计年发电量11.07亿kW·h.最大坝高229.5 m；玉龙喀什水利枢纽工程为Ⅱ等大（2）型工程。

1.2 工程地质条件

工程区位于玉龙喀什河流中段上，河谷呈“Ⅴ”型谷，河谷地宽0.2 km~0.4 km，河谷两侧山体雄厚，两岸岸坡基岩裸露，自然坡度50°~60°，坝址区出露地层为早元古界埃连产特岩群，岩性为灰黑色的二云母石英片岩。

2 试验依据

①SL264-2001《水利水电工程岩石试验规程》；

②《工程地质手册》（第四版）中国建筑工业出版社。

3 试验过程

为了工程勘察设计的需要，在坝址区左右两岸山体布置了两个试验平硐PD8、PD16，分别进行岩石直剪试验、混凝土与岩体接触面直剪试验。为进一步了解岩体力学特性，在PD8、PD16平硐用切割机及风镐取立方体试件尺寸为20 cm×20 cm×20 cm岩石两组送回室内进行岩体模拟抗剪试验，试验仪器为YZ20-1型岩石直剪仪，岩性为二云母石英片岩。试验采用岩平推法，剪切方向平行于层理面。

3.1 室内岩块模拟直剪强度试验

根据试验记录以及收集的试件剪切面等资料，分别计算每个试体的法向应力和剪应力。绘制各法向应力下的剪应力（τ）~剪切位移（u）关系曲线、剪应力（τ）～法向应力（σ）关系曲线，根据上述关系曲线确定各阶段特征的剪应力，用图解法和最小二乘法分别确定抗剪（断）强度指标值tgφ、c值，其变化规律遵循库仑公式：

式中，τ为剪切面上的极限抗剪强度（MPa）；σ为剪切面上的法向应力（MPa）；tgφ为剪切面上的摩擦系数；c为剪切面上黏聚力（MPa）。

试验成果采用了图解法和最小二乘法分别确定了每组试验的抗剪强度指标，各试点试验成果参见表1。

（1）YMJ1(1-5)模拟抗剪试验顺层理面抗剪（断）强度，试验在饱和状态下进行，抗剪断强度图解法得出φ=47.0°，c=1. 40 MPa；最小二乘法得出φ=47.3°，c=1.27 MPa。抗剪强度图解法得出φ=43.0°，c=0.89 MPa；最小二乘法得出φ=44.5°，c=0.59 MPa。

（2）YMJ2(1-5)模拟抗剪试验顺层理面抗剪（断）强度，试验在饱和状态下进行，抗剪断强度图解法得出φ=46.5°，c=1.30 MPa；最小二乘法得出φ=45.3°，c=1.36 MPa。抗剪强度图解法得出φ=43.0°，c=0.70 MPa；最小二乘法得出φ=45.0°，c=0.40 MPa。

3.2 现场岩体直剪试验

在PD8平洞内7 m~30 m弱风化岩层范围内布置试墩2组，用风镐将松散的岩石清除干净，制备试墩时用切割机将试墩切成50 cm×50 cm×50 cm立方体试件，每组试墩5个，并用钢筋网套加固浇筑，并养护28天，待强度达到设计强度后方可进行试验工作。

3.2.1 现场试验方法

在平洞进行岩体直剪试验，本次试验制做5个试件，采用平推法，法向应力采用150 T千斤顶，采用逐级施加压力，待法向应力每小时位移不超0.05 mm时可施加剪切荷载。剪切荷载按预估最大荷载分10~12级，每级施加荷载后，立即测读剪切位移和法向位移，5 min后再测读一次，在剪切过程中垂直法向应力应该始终保持不变。当剪切位移明显增大时，可适当减小级差。剪切破坏时剪切荷载不宜小于10级。试墩剪切完后将试墩反转面起伏差进行描述拍照。

3.2.2 现场岩体直剪试验结果分析

（1）PD8(YJ1-YJ5)岩体直剪试验，试验位置在右岸平硐7.0 m~15.0 m处，抗剪断强度图解法φ=45.5°，c=1.00 MPa；最小二乘法φ=45.1°，c=0.99 MPa；抗剪强度图解法φ=42.0°，c=0.78MPa；最小二乘法φ=42.6°，c=0.69MPa。PD8(YJ6-YJ10)岩体直剪试验，试验位置在右岸平硐20.0～30.0 m处，抗剪断强度图解法φ=46.0°，c=0.95 MPa；最小二乘法φ=45.5°，c=0. 86 MPa；抗剪强度图解法φ=43.0°，c=0.89 MPa；最小二乘法φ=42.4°，c=0.66 MPa，试验成果见表2。

表1 岩块顺层理面室内模拟抗剪（断）强度试验成果表

表2 PD8平硐岩体直剪试验成果表

（2）PD16主(YJ1-YJ5)岩体直剪试验，试验位置在右岸平硐30.0 m~40.0 m处，抗剪断强度图解法φ=47.0°，c=0.67 MPa；最小二乘法φ=47.9°，c=0.58 MPa；抗剪强度图解法φ=44.0°， c=0.61MPa；最小二乘法φ=44.2°，c=0.63MPa；PD16 (YJ6-YJ10)岩体直剪试验，试验位置在右岸平硐9.0 m~20.0 m处，抗剪断强度图解法φ=46.0°，c=0.80 MPa；最小二乘法φ=45.7°，c=0.81 MPa；抗剪强度图解法φ=43.5°，c=0.71 MPa；最小二乘法φ=42.6°，c=0.80 MPa；试验成果见表3。

4 试验成果及分析

PD8、PD16取岩块送回室内进行岩块直剪模拟试验，从岩块直剪强度模拟试验分析看，平硐不同深度内，图解法抗剪断强度：内摩擦角为46.5°~47.0°，黏聚力为1.3 MPa~1.4 MPa；抗剪强度：内摩擦角为43.0°，黏聚力为0.70~0.89 MPa；最小二乘法抗剪断强度：内摩擦角为:45.3°~47.3°，黏聚力为1.27 MPa~1.36 MPa；抗剪强度：内摩擦角为44.5°~45.0°，黏聚力为0.4 MPa~0.59 MPa；

表3 PD16平硐主硐岩体直剪试验成果表

现场岩体直剪试验在PD8（YJ1-YJ5）、(YJ6-YJ10)，平硐不同深度内，做两组现场直剪试验，图解法抗剪断强度：内摩擦角为45.5°~46.0°，黏聚力为0.95 MPa~1.0 MPa；抗剪强度：内摩擦角为42.0°~43.0°，黏聚力为0.78 MPa~0.89 MPa；最小二乘法抗剪断强度（图解法）：内摩擦角为:45.1°~45.5°，黏聚力为0.86 MPa~0.99 MPa；抗剪强度：内摩擦角为42.4°~42.6°，黏聚力为0.66 MPa~0.69 MPa；

现场原位直剪试验在PD16主洞（YJ1-YJ5）、(YJ6-YJ10)，平硐不同深度内，做两组原位（岩石/岩石）直剪试验，图解法抗剪断强度：内摩擦角为46.0°~47.0°，黏聚力为0.67 MPa~0. 80 MPa；抗剪强度：内摩擦角为43.5.0°~44.0°，黏聚力为0.61 MPa~0.71 MPa；最小二乘法抗剪断强度（图解法）：内摩擦角为: 45.7°~47.9°，黏聚力为0.58 MPa~0.81 MPa；抗剪强度：内摩擦角为42.6°~44.2°，黏聚力为0.63 MPa~0.80 MPa；

从以上现场岩体直剪试验数据分析：抗剪断图解法内摩擦角为45.0°~47.0°、黏聚力为0.66 MPa~1.0 MPa；与室内岩块模拟直剪强度试验图解法内摩擦角46.5°~47.0°、黏聚力为1.3 MPa~1.4 MPa；现场岩体直剪试验最小二乘法抗剪断强度（图解法）：内摩擦角为:45.1°~47.9°，黏聚力为0.58 MPa~0.99 MPa；室内岩块模拟直剪强度试验最小二乘法抗剪断强度为45.3°~47.3°，黏聚力为1.27 MPa~1.36 MPa；

现场岩体直剪试验图解法参数值与室内岩块模拟直剪强度试验值基本相近，室内试验岩块参数受原岩强度的影响较大，一般来说岩块强度越大内摩擦角也越大，反之则越小。黏聚力值略偏大，室内试验受到试验仪器尺寸效应的影响，黏聚力值会偏大，内摩擦角值也会相应增大，属正常变化范围。

室内最小二乘法抗剪断强度值比现场岩体直剪试验抗剪断试验略偏大，主要是试验点值离散性偏大，受岩体内部节理面、微小裂隙、结构面、岩石强度等因素的影响。

5 结论及建议

通过室内岩块模拟直剪强度试验与现场岩体直剪试验数据的对比，发现室内试验与现场试验值较为接近，表明室内模拟现场原位试验是可行的，室内试验可以降低试验成本，缩短试验周期（野外试验周期一组约为45天左右，室内试验试验周期10天左右），加工样品较为简易，提高工作效率，为今后同类试验提供可靠的试验数据，具有重要的推广意义。

随着国民经济的飞速发展，新疆的水利事业也得到蓬勃发展，越来越多的水利枢纽工程正在建设之中，勘测设计参数值的提供时间也将缩短，室内模拟试验就显得极其重要和迫切，室内模拟试验简单可行，试验参数值与现场所测直剪参数值基本相近，参数值在可控的范围之内，对今后类似水利工程试验提供借鉴的经验，缩短试验周期，节约试验成本具有重大的意义，在试验过程中一定要遵守岩石试验规程，把现场直剪试验与室内模拟试验结合起来，为新疆水利水电枢纽工程勘测试验提供真实准确可靠的科学依据。

Discussion on Direct Shear Test and Indoor Rock Mass Simulation Experiment

Bai Cheng’an
（General team,XinjiangWater Conservancyand Hydropower Surveyand Design Institute Changji 831100,Xinjiang）

In order to meet the requirements of the survey and design of the Yulong Kashi Water Conservancy Project and toshorten the test period of the rock mass in the field and ensure the accuracy and reliability of the test results.the direct shear test of the rock mass in the field is compared with the simulation test of the indoor rock block.The indoor test is feasible,and the indoor test can reduce the test cost and shorten the test period to ensure the accuracy and reliability of the test results.The indoor test can reduce the test cost and shorten the test period.

The direct shear test ofrock mass；internal friction angle；cohension and the simulation test

TV45

B

1673-9000（2017）03-0098-03

2017-04-09

白承安（1983-），男，甘肃兰州人，工程师，主要从事水利水电工程岩土试验工作。