深层基岩原位剪切试验方法研究

吴庆保+李海燕

摘 要：在建筑场地基础特别是深基坑开挖后的边坡支护施工过程中，场地边坡支护需要提供揭露各岩土层的抗剪强度，以便确定支护方式，并设计计算支护锚杆、锚索的长度及规格，由于在勘察阶段，受场地条件限制，很难对深层揭露的岩土层进行准确的抗剪强度确定，本文就通过一次成功的现场深层原位剪切试验，对场地深部基岩的抗剪强度提供了准确的岩土参数，达到预期设计目的。

关键词：全风化；强风化；中风化岩；原位剪切；人工挖孔

中图分类号：TU458 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）23-0060-02

1 前言

拟建建筑位于某市的核心地段，總建筑面积约29万平方米，其中地上建筑面积22万平方米，地下建筑面积7万平方米。主塔楼为85层，建筑高度500m，结构高度为400m，采用双重抗侧力结构体系：混凝土核芯筒+伸臂桁架+巨型框架。裙楼4层，设4层地下室（基坑开挖深度约为24.0m）。

本建筑基坑较深且揭露有地下水，准确确定场地各岩土层的物理参数尤为重要，建设单位应设计要求，拟对场地各岩土层在勘察阶段进行现场基岩载荷试验及原位剪切试验，以准确了解场地土层各项参数，确定建筑基础及基坑支护设计方案。

2 场地岩土层及地下水概况

根据钻探资料，钻探揭露深度范围内，区内地层自上而下主要为：素填土、淤泥质粉质粘土、碎石、全风化板岩、强风化板岩、中风化板岩、微风化板岩。

场地内原位试验在人工挖孔桩内进行，人工挖孔各段均护壁，确保孔内安全，孔径1.2-1.5米不等，确保试验可以孔内进行。场地内各孔揭露地下水埋深4.0-5.0米，为配合现场原位试验，在孔周布设降水井，确保现场试验安全可靠。

3 试验方法

3.1 试验原理

本次现场直接剪切试验拟在人工开挖的探井内进行，采用一次水平剪切法。

规范规定：试验时施加的法向荷载、剪切荷载应位于剪切面、剪切缝的中心；或使法向荷载与剪切荷载的合力通过剪切面的中心，并保持法向荷载不变，如图1。

剪切过程中为减少水平推剪过程中弯矩对试验结果产生不利影响，加载点宜尽量靠近试验的根部。同时，应增加钢试样箱的刚度，以减少试样自身剪切变形对试验结果的影响。此外，加工剪切试样时，应确保试样受到扰动为最小，避免影响试验结果。

3.2 探井规格

探井采用外径1.6m的人工挖孔，内径为1.3m±0.05m。人工挖孔井筒（护壁）厚度为15cm，采用C30混凝土，内配环向和纵向钢筋，钢筋设置由施工单位按照当地经验自行配置。探井的实际开挖深度根据试验岩层的埋藏深度、破碎程度等因素确定，具体为：1号探井最终开挖至15.6m深度左右，2号探井最终开挖至16m，3号探井最终开挖至17m。现场探井情况如图2所示。

3.3 试样设置

根据规范规定，现场直剪试验每组岩体不宜少于5个，试体最小边长不宜小于50cm，高度不宜小于最小边长的0.5倍。且同一组试验体的岩性应基本相同，受力状态应与岩土体在工程中的实际受力状态相近。本次试验试样尺寸为50cm×50cm×30cm。

现场剪切试验的数量为：全风化、强风化板岩、中风化板岩：各5个点，分布在各探井中。

3.4 试验装置

现场直接剪切试验装置由试验箱、加载系统及量测系统等组成。本试验钢试验箱采用10mm厚的钢板加工而成，内侧净尺寸为50cm×50cm×30cm，详见图3所示。

3.5 加载及量测装置

由于探井内空间有限，量测装置宜采用无需人工干预的自动数据采集系统。基准点的应设置在影响范围之外，如在探井内设置监测点，应考虑反力装置对位移量测的影响。

基于以上两点要求，我司采用由静载检测仪器改装成的自动数据采集系统，该系统由RS-JYB桩基静载荷测试分析系统、传感器、摄像头及油压控制设备等组成，详见图4所示。

现场剪切试验的加载系统由水平加载系统及竖向加载系统组成。水平加载系统负责提供作用在试样上的水平推剪力；竖向加载负责提供作用在试样上的法向压力。加压采用液压千斤顶（50T级，精度0.5T），控制系统见图4中所示，加压见图5中所示。

水平加载系统示意图如图5所示：加载系统采用液压千斤顶辅以自动加载系统，预留40cm的空间给水平加载装置，加载系统采用型钢埋入探井护壁作为反力装置，再通过液压千斤顶辅以自动加载系统施加竖向荷载。反力型钢长1.8m，尺寸规格为180mm×95mm×5mm。

此外，竖向加压承载板为500mm×500mm的钢板，钢板下采用20mm的圆钢作为滚轴。详见图5所示。

3.6 加载设计

根据“受力状态应与岩土体在工程中的实际受力状态相近”的原则，竖向荷载的取值为：，以最大可能开挖深度20.0m计，最大竖向荷载约为100kN。根据规范规定“最大法向荷载应大于设计荷载，并按等量分级；荷载精度应为试验最大荷载的±2%；每一试体的法向荷载可分4～5级施加；当法向变形达到相对稳定时，即可施加剪切荷载”。具体数值如表1所示。

水平最大加载量预估：。根据规范“每级剪切荷载按预估最大荷载的8%～10%分级等量施加，或按法向荷载的5%～10%分级等量施加；岩体按每5～10min，土体按每30s施加一级剪切荷载”。综合考虑加载设备的精度、岩体的抗剪强度以及竖向荷载的大小，本次试验每级加载量取5kN，相邻加载时间间隔取5min，一直加载至最大位移5cm（即剪切应变10%）时停止试验。

3.7 本试验方法及技术要点

（1）施加的法向荷载、剪切荷载应位于剪切面、剪切缝的中心；或使法向荷载与剪切荷载的合力通过剪切面的中心，并保持法向荷载不变；（2）最大法向荷载应大于设计荷载，并按等量分级；荷载精度应为试验最大荷载的±2%；（3）每一试体的法向荷载可分4～5级施加；当法向变形达到相对稳定时，即可施加剪切荷载；（4）每级剪切荷载按预估最大荷载的8%～10%分级等量施加，或按法向荷载的5%～10%分级等量施加；岩体按每5～10min，土体按每30s施加一级剪切荷载；（5）当剪切变形急剧增长或剪切变形达到试体尺寸的1/10时，可终止试验；（6）根据剪切位移大于10mm时的试验成果确定残余抗剪强度，需要时可沿剪切面继续进行摩擦试验。

4 试验成果分析

通过以上试验过程，我院成功得出场地全风化、强风化、中风化岩石的抗剪强度指标（粘聚力、内摩擦角及其他相关极限破坏曲线），向建设单位提交场地深层原位剪切试验报告，试验结果满足设计施工要求。目前本项目已成功完成基础施工，进行主体建设。本方法不论对深层还是浅层岩土的剪切试验还是具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]GB50007—2002，建筑地基基础设计规范[S].2002.

[2]《工程地质手册》（第四版）[S].

[3]GB50021—2001，岩土工程勘察规范[S].2009.

[4]GB 50009-2001，建筑结构荷载规范[S].2006.endprint