水利工程中古近系砾岩抗剪强度研究

王波波，邵根安,左霖

(1.河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450008；2.河南省特殊岩土环境控制工程技术中心，河南 郑州 450008)

0 引言

文章研究对象为豫西低山与丘陵过渡区某水库输水洞进口边坡附近的古近系砾岩，边坡岩性主要为古近系风化砾岩夹粘土岩，砾石粒径尺寸差异较大(大多为2～5 cm，局部大于20 cm)，岩质不均、呈散体结构，以泥质胶结为主，对其抗剪强度指标的确定具有一定的难度。传统的室内试验多是结合现场测得天然颗粒级配、土石比、含水率等参数，再根据实际情况通过现场取样缩比配制重塑碎石土试样进行室内试验，未考虑到岩土体自身的结构性及胶结状态等因素，求得的岩土体抗剪强度指标与实际参数存在一定的误差，采用原状土试验方法则无此类问题，因此求得的抗剪强度指标相对重塑碎石土试验要合理得多。此外常规的直剪试验受试验受仪器和试验条件的限制，一般试样尺寸较小，试验结果受尺寸效应影响较大。文章结合现场勘察资料，采用尺寸较大的原位大型直剪试验和室内大型直剪试验，研究了区内古近系砾岩的抗剪强度指标，并对相关参数的主要影响因素进行了分析，研究过程对类似砾岩抗剪强度指标的优选具有一定的参考意义。

1 直剪试验

1.1 室内大型直剪试验

现场工程地质勘察期间在输水洞进口边坡附近选取了五个试验点，通过试坑灌水法对边坡古近系砾岩进行了天然密度测试，同时也进行了含水率、颗粒级配等测试，测得试样天然密度为2.02～2.24 g/cm3，天然含水率为11.30%～13.00%，计算五组试验的平均值后取平均天然密度为2.10 g/cm3，平均天然含水率为12.10%。结合现场测试所得天然级配进行室内试验试样配置。鉴于现场测试中局部砾石粒径超过大型直剪仪器最大测定粒径(仪器测定最大粒径不超过100 mm)，故通过相似配比法，按照几何相似条件将天然粒径进行等比例缩小后，再结合含水率进行试样配置，在保证缩比后的试样不均匀系数和曲率系数不变的前提下，通过天然密度、剪切盒体积控制装样量，分层击实装样后进行室内大型直剪试验。

本研究所采用的室内试验仪器是成都东华卓越科技有限公司的ZJ50-2G大型应变控制式直剪仪，试验尺寸为φ504 mm×400 mm，本次试验共分为五组天然直剪试验和五组饱和直剪试验，每组试验分五级加载，每组试样重复利用。考虑到试样含水率受环境的影响，在装样前加水配置不同含水率的试样进行直剪试验，试验仪器自动采集法向压力-法向位移曲线、剪应力-剪切位移曲线等数据，剪切试验完成后记录剪切面的破坏特征和特殊现象，分析剪应力-剪切位移曲线选取合适抗剪强度数值绘制剪应力-正应力关系图，再根据最小二乘法拟合数据求得抗剪强度指标。试验成果见表1所示。

表1 室内大型直剪试验成果表

1.2 原位大型直剪试验

为更进一步查明研究区域古近系砾岩的抗剪强度指标，为相关水库边坡稳定性分析提供可靠的岩体力学参数，在室内大型直剪试验结束之后又补充进行了现场砾岩大型直剪试验。试验场地位于研究区边坡顶部空地处，区内选取代表性地段开挖两个坑槽，于坑槽内壁刻槽加工试体进行直剪试验。

现场大型直剪试验采用平推法，试样尺寸为50 cm×50 cm×35 cm，外套钢模与预剪切面之间预留2 cm的剪切缝，通过液压传导装置施加一定的正应力之后进行直剪试验。结合现场试验的各种限制条件以及计算需求，将试验分为一组天然态直剪试验和两组饱和态直剪试验，每组试验分六级压力加载进行试验，在实验过程中绘制剪应力-剪切位移曲线、剪应力-法向位移曲线，在每个试样试验结束之后翻转试体，测量实际剪切面面积，并对剪切面特征进行描述。现场试验期间对剪切面进行描述过程中发现饱和状态下剪切面特征分为平直和起伏两类，故在常规试验参数分析的同时，另外考虑剪切面性状进行数据分析，整理试验成果见表2所示。

表2 现场大型直剪试验成果表

2 试验结果及影响因素分析

通过分析试验过程和现象，对影响试验结果的各项因素进行总结，有利于改进试验中的不足，为参数优选和工程地质现象分析提供依据。

在进行室内试验的过程中发现，试样的装样过程很难控制，人工分层击实很难完整的将试样恰好按配比装入剪切盒，尤其是对于饱和态的试样，更难控制装样的均匀性；剪切试验结束之后剪切面多较平直，局部可见砾石被剪断；剪应力-正应力最小二乘法拟合的过程中发现，室内试验结果具有较好的规律性，拟合优度基本上都在0.95以上。

现场试验过程中不存在试样配制和装样的问题，但会遇到岩土体砾石分布不均匀的问题，在剪切试验结束之后多可见剪切面有起伏现象，分析剪切破坏面特征发现起伏现象的试样破坏面多可见强度较高、不易剪断的大块石；局部试体含石量相对较低时会导致剪切峰值强度偏低，在拟合过程中影响较大；剪应力-正应力散点拟合过程中发现，优定斜率法拟合优度高于最小二乘法。对比现场试验中不同含水率组间数值，发现饱水前后C、φ值都有下降，但下降幅度不同，即内摩擦角φ值下降幅度约28.20%，而粘聚力C值下降约66.60%，故水对粘聚力C的影响较大。

在试验过程和结果分析时可以发现，室内试验结果具有良好的规律性，但由于未考虑到岩土体的结构性和不均匀性导致所求抗剪强度指标相对实际偏低；室内试验过程中试样的重复利用，许多块石、砾石在剪切试验结束之后虽未破碎，可能存在强度降低的现象。现场试验受到的人为干扰因素较小，偶尔出现的抗剪强度偏高或偏低更能反映客观、真实的地质情况，试验结果也更接近于实际岩土体抗剪强度指标，但是存在试样不均匀导致的重复工作，以及拟合方法导致的误差等问题，此外现场试验饱和试体制备过程中饱和度的控制也有待进一步的研究。现场试验和室内试验虽尺寸相对常规试验虽大，相对现场古近系砾岩地层来说仍是远远不足，尺寸效应是个不可忽视的问题。

3 结论与建议

文章以豫西某低山-丘陵过渡区古近系砾岩夹粘土岩为研究对象，通过现场试验和室内试验对其抗剪强度指标进行了研究，并对影响试验结果的因素进行了分析，研究过程和结论对类似工程参数取值具有一定的参考价值。主要结论如下。

①室内大型直剪试验受人为干扰因素较多，且不能有效的考虑到原岩的结构性，故所求抗剪强度指标相对较低，仅适用于堆积碎石土相关的研究计算，对原位古近系砾岩不适用；

②分析直剪试验剪切面特征和试验结果发现，含水率对抗剪强度指标中的粘聚力C值影响较大；

③尺寸效应对现场试验和室内试验的影响都比较大，因此具体参数应该针对实际工程进行进一步的研究；

④直剪试验结果处理时应结合试验过程中的一些特殊现象进行进一步发掘，遇到剪切面平直、起伏或剪切面含石量变化较大时应适量补做试验，研究岩土体的最高或最低抗剪强度，再分析平均值或最小值。