原位直剪試驗在三峽庫區地質災害防治中的應用

倪海波, 劉　俊, 王彥黎

(1.湖北交投麻武高速公路建設指揮部,湖北 浠水　438200; 2.湖北博誠公路工程有限公司,湖北 荊州　434000; 3.湖北省地質環境總站,湖北 武漢　430034)

0　引言

三峽庫區存在著大量的崩滑堆積體,其物質組成為土夾碎(塊)石(以下簡稱碎石土),碎石含量在30%～70%之間[1],這些堆積體的穩定性直接關系到庫區道路橋梁和居民建筑等基礎設施的建設,是庫區災害防治的重點。由于碎石土組成復雜,粒徑較大,取樣困難,而常規的室內剪切試驗受剪面積小,不能真實反映現場情況,試驗結果離散度大,沒有代表性。因此,碎石土的抗剪強度一直缺乏可直接參考的資料,這給工程的穩定性評價和設計施工帶來了困難。

原位直剪試驗按實際工程要求確定應力路徑,現場制作試樣,保證了土體的天然狀態,使土樣不發生擾動,且可根據上覆土層自重施加法向荷載,保證了土體的應力狀態不變。另外,它還能夠沿著堆積體滑動方向施加水平推力,并可直接對滑動面進行剪切,受剪面積較大,所以原位直剪試驗能真實反映出土體的實際抗剪強度。相關規定也要求中型以上滑坡對滑動面(帶)必須進行2～4組原位直剪強度試驗[2]。

1　原位直剪試驗原理

原位直剪試驗的抗剪強度是指在外力作用下,巖土體具有抵抗剪切的極限強度。試驗時,在同一類型的一組試體上,通過施加不同的法向荷載,分別進行剪切,測得剪切破壞時的剪應力。根據各剪切階段特征點的剪應力和法向應力,采用圖解法確定其相應的抗剪強度參數值。

2　原位直剪試驗的實施

2.1　試驗設備

剪切盒(自制);液壓千斤頂系統;滾軸排、墊板、傳力柱;壓力表、位移表及表架、表座等(在探槽里試驗還需工字鋼、跳板、砂袋)。

2.2　試體布置

為了研究堆積體的物質組成、結構特征及滑動破壞情況,根據滑帶的埋深和走向,在堆積體下部開掘勘探平硐(或在其前沿和后沿開挖探槽),沿主硐兩側依滑帶走向開掘支硐,并預留土樣制作試體。每組試驗制作不少于4個試體,相鄰試體間距應大于試體邊長[3]。

2.3　試體制備

在預留試體位置停止全面開挖,以減少對試體的擾動。在土樣上放自制的剪切盒,邊切削邊向下徐徐施壓,直至剪切盒下沿距剪切面3 cm左右。水平推力方向與剪切面平行。修平試件頂部,使試體略高于剪切盒,用細砂找平試體頂部并填實剪切盒四周與試體的局部縫隙。

2.4　試驗操作

2.4.1設備安裝

按法向荷載系統→切向荷載系統→量測系統順序依次安裝(圖1)。

法向荷載系統應垂直于剪切面,測表分布于試體對稱部位,每側裝法向位移表和切向位移表各兩只,測表支架的支點不受試體變形影響。平硐內以硐頂作為法向反力座,探槽中用堆載方式作為法向反力座。法向荷載系統安裝好后,先施加適量的法向應力對試體進行預壓,再安裝切向荷載系統,以平硐或探槽壁為切向反力座。

2.4.2法向荷載的施加

在一組試體上分別施加不同的法向荷載,其值為最大法向荷載的4～5等分值。最大法向荷載按試體上履土體自重設計,兼顧不擠出軟弱面上充填物或破壞試體為限。法向位移相對穩定后即可施加剪切荷載。

2.4.3剪切荷載的施加

按各級法向荷載的5%～10%分級施加剪切荷載。試體剪斷后應繼續施力,直到出現大致相等的剪切荷載為止。

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2.4.4剪切面描述

試驗結束后,掀開試體進行剪切面描述,并測量剪切面的有效剪切面積。

3　試驗數據整理

(1) 繪制各法向應力下剪應力與剪切位移關系曲線,并根據曲線取穩定點為各級特征點的剪應力值。

圖1　設備安裝圖

(2) 繪制各級剪應力與法向應力關系曲線,并根據曲線確定相應的抗剪強度參數c、φ值。

4　試驗成果總結

表1是在三峽庫區開展原位直剪試驗取得的部分成果匯總,據此可歸納出以下結論：

表1　部分原位直剪試驗成果匯總表

(1) 同一試驗點,無論天然狀態下(如水田壩高切坡項目)還是飽和狀態下(如曹家老屋、柚子樹坪滑坡),測得的抗剪強度參數值離散度都很小,說明大面積原位剪切試驗的代表性很好,更能真實地反映試驗點的抗剪強度,可以作為滑坡等災害防治工程穩定性評價和設計施工的依據。

(3) 不同的試驗點,天然抗剪強度參數值的離散度明顯大于飽和抗剪強度參數值的離散度,并且飽和抗剪強度參數值普遍很小,說明庫區的堆積體在天然狀態下,穩定性是不一樣的,而一旦受水侵蝕軟化,其穩定性都會明顯降低。

5　注意事項及建議

5.1　試體大小的確定

通常情況下,剪切面積越大,試驗的代表性越好,得出的參數越真實。但剪切面的大小直接決定了試驗的成本和難度,剪切面積加大,相應的法向荷載成倍增加,以平硐頂為法向反力座時,由于碎石土不夠緊密,壓縮性比較大,并且易破碎,反力很難滿足要求。另外,一組試驗需要制作多個具有相同結構類型的試體,在平硐和探槽狹小的空間里,要找到這樣一組試體比較困難,試體剪切面越大,制作的難度就越大。通過一系列試驗,本文建議剪切面邊長控制在35～50 cm范圍比較合適。

5.2　試體不能澆筑混凝土保護套

因為混凝土中的水分改變了試體的天然狀態,并且在試驗時,保護套受壓破碎,使位移表的讀數失真,易導致試驗失敗。

5.3　千斤頂的行程

由于碎石土的壓縮性比較大,如果千斤頂的行程過短,往往壓力還沒有達到設計值而行程已走完,只得卸壓后重新安裝,造成不必要的經濟損失甚至風險。因此應選用行程>20 cm的千斤頂。

參考文獻：

[1]時衛民,鄭宏錄,劉文平,鄭穎人.三峽庫區碎石土抗剪強度指標的試驗研究[J].重慶建筑,2005(2)：30-35.

[2]湖北省三峽庫區地質災害防治工作領導小組辦公室.湖北省三峽庫區滑坡防治地質勘察與治理工程技術規定[M].武漢：中國地質大學出版社,2003.

[3]GB/T50266—99，工程巖體試驗方法標準[S].