原位直剪试验在某核电厂强风化岩体强度参数研究中的应用

麦华山

1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663

2.广东科诺勘测工程有限公司，广东 广州 510663

岩土体的强度参数是分析边坡稳定性的关键参数，可通过室内剪切试验或现场原位直剪试验两种方法获取，多年来国内外学者采用多种手段和方法开展了岩石（体）强度参数的研究，如赵建军等[1]进行了全风化花岗岩人工边坡岩体饱水直剪试验；许宝田等[2]研究了不同含水率下马三峰人工边坡粉砂质泥岩软弱夹层的剪切力学特性；鲁祖德等[3]在岭澳核站进行了针对天然状态及饱和状态强风化角岩的原位直剪试验。现场原位直剪试验保证了岩土体材料的天然状态，使土样不发生扰动，且可根据上覆土层自重施加垂直荷载，保证了土体的应力状态，试样的受剪面积比室内实验大得多，因而与室内实验相比更加符合实际情况。

边坡的稳定性分析中除考虑天然状态条件下岩土体的强度参数外，还需考虑极端条件下如暴雨工况下岩体强度的衰减情况，因此对岩土体饱和状态下的强度参数进行研究至关重要[4]。文章以南方某滨海核电站自然边坡强风化岩体的原位直剪试验为例，获取饱和状态下强风化岩体强度参数，并根据场地强风化岩体的风化特征，通过不同的试验点选取，进一步确定土状强风化岩体及半岩半土状强风岩体的强度参数，为边坡稳定性分析提供参数。

1 试验条件

1.1 试验地点

试验对象为厂区内烟墩岭自然边坡强风化熔结凝灰岩岩体，根据现场调查，烟墩岭南侧在开挖修建上山道路时已有强风化岩体出露，岩体呈棕黄、黄褐色，坚硬土状～半岩半土状。此次试验在选择试验点时，采取“边开挖边辨别”的方式进行，即在山体断面揭露为强风化岩体的路边地段，利用小型挖掘机进行开挖，开挖试坑的同时对试坑内的岩体进行辨别，保证试坑揭露的全部岩体均为强风化熔结凝灰岩。共选取6组30个样品进行试验，其中第1组及第6组岩体呈坚硬土状，强度接近全风化岩体，第2～5组岩体呈半岩半土状，试验点样品如图1、图2所示。

图1 第1组试样

图2 第2组试样

1.2 试验装置

现场试验采用平推法，平推法直剪试验立面示意图如图3所示。

图3 平推法直剪试验立面示意图

2 试验方法

2.1 操作流程

此次试验采取地锚提供法向反力的方法，遵循的基本流程如下：试坑开挖→样品制备→安装剪切盒→地锚成孔→锚杆安装、浇筑→锚杆混凝土养护→开挖剪切面→试样饱水→开始试验。

2.2 试样饱水方法

试样的饱水方法以中心注水法为主，四周浸水法为辅，待剪切盒安装完毕后，用钢钎在试样内部打出1～4个小孔，用软皮管将水滴灌入试样内，同时在试样四周开挖浸水槽，每个饱水试样的浸水时间不得少于12h，在剪切试验过程中，视水面的情况不时向浸水槽内添加清水，以保证试验过程中浸水槽内始终充满水。

2.3 试验操作过程

每个试样分别进行1次抗剪断和3～5次摩擦试验。试样最大法向压力按0.55MPa考虑，每次试验的最大法向力分5次，由小到大均匀加载，每次加载后立即测读每级荷载下的法向位移，5min后再读取1次，然后施加下一级荷载，直至预定法向压力，此后仍每5min读取1次，直至连续两次法向位移之差小于0.01mm。待法向位移稳定后再施加剪切力，预估可能需要施加的最大剪切力大小，施加剪切力时，按预估的最大剪切力分10次由小到大分级施加，加载前后读取法向和剪切位移，每5min加载一级，接近剪断时加密测读荷载和位移读数，直至剪断。剪力施加过程中，法向压力保持恒定。

3 试验成果及分析

此次强风化熔结凝灰岩（饱和）直剪试验共完成6组，编号为第1组至第6组；每组5个试样，试样编号由“1-1”至“6-5”。每组试验进行时，分别完成各试样在不同法向荷载作用下的抗剪断试验及断后不同法向荷载作用下的摩擦试验。根据每次试验的剪应力与剪切位移关系曲线，拾取每组试验各试样在法向荷载作用下的抗剪断峰值，建立抗剪断峰值-法向应力关系曲线，按库伦-奈维表达式，根据最小二乘法线性回归，确定相应的抗剪断强度参数（黏聚力、内摩擦角）。抗剪断试验成果如表1所示。

表1 饱和状态下强风化熔结凝灰岩抗剪断试验成果表

从试验结果可看出，不同试验点抗剪强度指标存在一定的差异，这主要与其风化程度有密切相关，其中第1组及第6组试样呈坚硬土状，含水率相对较高，其黏聚力相对较低，分别为45.9kPa和69.9kPa，其余4组试样呈半岩半土状，含水率相对较低，其黏聚力则相对较高，达到162.2～ 219.2kPa。

4 结论

文章采用平推法进行饱和状态下强风化熔结凝灰岩边坡岩体的现场直接剪切试验，获得了饱和状态下强风化岩体强度参数，得出了如下结论：（1）饱和状态下岩体强度与其风化程度密切相关，坚硬土状强风化岩体风化强烈，其强度参数相对较低，半岩半土状强风化岩风化程度与前者相比相对较弱，其强度参数相对较高；（2）在饱水条件一致情况下，各组试验试样含水率指标与其强度呈反相关，试样含水率越高，其抗剪强度参数越低；（3）强风化岩体力学特征变化较大，设计过程中可根据不同风化特性的强风化岩体选取相关的强度参数。