現場巖體直剪試驗及室內巖塊模擬試驗的探討

白承安

（新疆水利水電勘測設計研究院勘測總隊，新疆昌吉831100）

現場巖體直剪試驗及室內巖塊模擬試驗的探討

白承安

（新疆水利水電勘測設計研究院勘測總隊，新疆昌吉831100）

為滿足玉龍喀什水利樞紐工程勘測設計要求，縮短現場巖體試驗周期，保證試驗結果的準確可靠，對現場巖體直剪試驗與室內巖塊模擬試驗進行對比得出：野外試驗周期一組約為45天左右，室內試驗試驗周期10天左右，室內試驗與現場試驗值較為接近，表明室內模擬現場原位試驗是可行的，室內試驗可以降低試驗成本，縮短試驗周期，保證試驗結果的準確可靠。

巖體直剪試驗；內摩擦角；黏聚力；模擬試驗

為滿足玉龍喀什水利樞紐工程勘測設計要求，需進行大量的現場巖體直剪試驗及結構面直剪試驗，現場巖體試驗周期長，工作難度大，為保證試驗結果的及時提交及試驗結果的準確可靠，本文對現場巖體試驗與室內巖塊模擬試驗進行對比。

1 工程概況與地質條件

1.1 工程概況

玉龍喀什水利樞紐工程是一座具有生態、防洪、灌溉、發電等綜合利用任務的水利工程。水庫正常蓄水位2170.0 m，相應庫容5.15億m3，電站裝機容量424 MW（其中，生態電站裝機容量24 MW），設計年發電量11.07億kW·h.最大壩高229.5 m；玉龍喀什水利樞紐工程為Ⅱ等大（2）型工程。

1.2 工程地質條件

工程區位于玉龍喀什河流中段上，河谷呈“Ⅴ”型谷，河谷地寬0.2 km~0.4 km，河谷兩側山體雄厚，兩岸岸坡基巖裸露，自然坡度50°~60°，壩址區出露地層為早元古界埃連產特巖群，巖性為灰黑色的二云母石英片巖。

2 試驗依據

①SL264-2001《水利水電工程巖石試驗規程》；

②《工程地質手冊》（第四版）中國建筑工業出版社。

3 試驗過程

為了工程勘察設計的需要，在壩址區左右兩岸山體布置了兩個試驗平硐PD8、PD16，分別進行巖石直剪試驗、混凝土與巖體接觸面直剪試驗。為進一步了解巖體力學特性，在PD8、PD16平硐用切割機及風鎬取立方體試件尺寸為20 cm×20 cm×20 cm巖石兩組送回室內進行巖體模擬抗剪試驗，試驗儀器為YZ20-1型巖石直剪儀，巖性為二云母石英片巖。試驗采用巖平推法，剪切方向平行于層理面。

3.1 室內巖塊模擬直剪強度試驗

根據試驗記錄以及收集的試件剪切面等資料，分別計算每個試體的法向應力和剪應力。繪制各法向應力下的剪應力（τ）~剪切位移（u）關系曲線、剪應力（τ）～法向應力（σ）關系曲線，根據上述關系曲線確定各階段特征的剪應力，用圖解法和最小二乘法分別確定抗剪（斷）強度指標值tgφ、c值，其變化規律遵循庫侖公式：

式中，τ為剪切面上的極限抗剪強度（MPa）；σ為剪切面上的法向應力（MPa）；tgφ為剪切面上的摩擦系數；c為剪切面上黏聚力（MPa）。

試驗成果采用了圖解法和最小二乘法分別確定了每組試驗的抗剪強度指標，各試點試驗成果參見表1。

（1）YMJ1(1-5)模擬抗剪試驗順層理面抗剪（斷）強度，試驗在飽和狀態下進行，抗剪斷強度圖解法得出φ=47.0°，c=1. 40 MPa；最小二乘法得出φ=47.3°，c=1.27 MPa。抗剪強度圖解法得出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)模擬抗剪試驗順層理面抗剪（斷）強度，試驗在飽和狀態下進行，抗剪斷強度圖解法得出φ=46.5°，c=1.30 MPa；最小二乘法得出φ=45.3°，c=1.36 MPa。抗剪強度圖解法得出φ=43.0°，c=0.70 MPa；最小二乘法得出φ=45.0°，c=0.40 MPa。

3.2 現場巖體直剪試驗

在PD8平洞內7 m~30 m弱風化巖層范圍內布置試墩2組，用風鎬將松散的巖石清除干凈，制備試墩時用切割機將試墩切成50 cm×50 cm×50 cm立方體試件，每組試墩5個，并用鋼筋網套加固澆筑，并養護28天，待強度達到設計強度后方可進行試驗工作。

3.2.1 現場試驗方法

在平洞進行巖體直剪試驗，本次試驗制做5個試件，采用平推法，法向應力采用150 T千斤頂，采用逐級施加壓力，待法向應力每小時位移不超0.05 mm時可施加剪切荷載。剪切荷載按預估最大荷載分10~12級，每級施加荷載后，立即測讀剪切位移和法向位移，5 min后再測讀一次，在剪切過程中垂直法向應力應該始終保持不變。當剪切位移明顯增大時，可適當減小級差。剪切破壞時剪切荷載不宜小于10級。試墩剪切完后將試墩反轉面起伏差進行描述拍照。

3.2.2 現場巖體直剪試驗結果分析

（1）PD8(YJ1-YJ5)巖體直剪試驗，試驗位置在右岸平硐7.0 m~15.0 m處，抗剪斷強度圖解法φ=45.5°，c=1.00 MPa；最小二乘法φ=45.1°，c=0.99 MPa；抗剪強度圖解法φ=42.0°，c=0.78MPa；最小二乘法φ=42.6°，c=0.69MPa。PD8(YJ6-YJ10)巖體直剪試驗，試驗位置在右岸平硐20.0～30.0 m處，抗剪斷強度圖解法φ=46.0°，c=0.95 MPa；最小二乘法φ=45.5°，c=0. 86 MPa；抗剪強度圖解法φ=43.0°，c=0.89 MPa；最小二乘法φ=42.4°，c=0.66 MPa，試驗成果見表2。

表1 巖塊順層理面室內模擬抗剪（斷）強度試驗成果表

表2 PD8平硐巖體直剪試驗成果表

（2）PD16主(YJ1-YJ5)巖體直剪試驗，試驗位置在右岸平硐30.0 m~40.0 m處，抗剪斷強度圖解法φ=47.0°，c=0.67 MPa；最小二乘法φ=47.9°，c=0.58 MPa；抗剪強度圖解法φ=44.0°， c=0.61MPa；最小二乘法φ=44.2°，c=0.63MPa；PD16 (YJ6-YJ10)巖體直剪試驗，試驗位置在右岸平硐9.0 m~20.0 m處，抗剪斷強度圖解法φ=46.0°，c=0.80 MPa；最小二乘法φ=45.7°，c=0.81 MPa；抗剪強度圖解法φ=43.5°，c=0.71 MPa；最小二乘法φ=42.6°，c=0.80 MPa；試驗成果見表3。

4 試驗成果及分析

PD8、PD16取巖塊送回室內進行巖塊直剪模擬試驗，從巖塊直剪強度模擬試驗分析看，平硐不同深度內，圖解法抗剪斷強度：內摩擦角為46.5°~47.0°，黏聚力為1.3 MPa~1.4 MPa；抗剪強度：內摩擦角為43.0°，黏聚力為0.70~0.89 MPa；最小二乘法抗剪斷強度：內摩擦角為:45.3°~47.3°，黏聚力為1.27 MPa~1.36 MPa；抗剪強度：內摩擦角為44.5°~45.0°，黏聚力為0.4 MPa~0.59 MPa；

表3 PD16平硐主硐巖體直剪試驗成果表

現場巖體直剪試驗在PD8（YJ1-YJ5）、(YJ6-YJ10)，平硐不同深度內，做兩組現場直剪試驗，圖解法抗剪斷強度：內摩擦角為45.5°~46.0°，黏聚力為0.95 MPa~1.0 MPa；抗剪強度：內摩擦角為42.0°~43.0°，黏聚力為0.78 MPa~0.89 MPa；最小二乘法抗剪斷強度（圖解法）：內摩擦角為:45.1°~45.5°，黏聚力為0.86 MPa~0.99 MPa；抗剪強度：內摩擦角為42.4°~42.6°，黏聚力為0.66 MPa~0.69 MPa；

現場原位直剪試驗在PD16主洞（YJ1-YJ5）、(YJ6-YJ10)，平硐不同深度內，做兩組原位（巖石/巖石）直剪試驗，圖解法抗剪斷強度：內摩擦角為46.0°~47.0°，黏聚力為0.67 MPa~0. 80 MPa；抗剪強度：內摩擦角為43.5.0°~44.0°，黏聚力為0.61 MPa~0.71 MPa；最小二乘法抗剪斷強度（圖解法）：內摩擦角為: 45.7°~47.9°，黏聚力為0.58 MPa~0.81 MPa；抗剪強度：內摩擦角為42.6°~44.2°，黏聚力為0.63 MPa~0.80 MPa；

從以上現場巖體直剪試驗數據分析：抗剪斷圖解法內摩擦角為45.0°~47.0°、黏聚力為0.66 MPa~1.0 MPa；與室內巖塊模擬直剪強度試驗圖解法內摩擦角46.5°~47.0°、黏聚力為1.3 MPa~1.4 MPa；現場巖體直剪試驗最小二乘法抗剪斷強度（圖解法）：內摩擦角為:45.1°~47.9°，黏聚力為0.58 MPa~0.99 MPa；室內巖塊模擬直剪強度試驗最小二乘法抗剪斷強度為45.3°~47.3°，黏聚力為1.27 MPa~1.36 MPa；

現場巖體直剪試驗圖解法參數值與室內巖塊模擬直剪強度試驗值基本相近，室內試驗巖塊參數受原巖強度的影響較大，一般來說巖塊強度越大內摩擦角也越大，反之則越小。黏聚力值略偏大，室內試驗受到試驗儀器尺寸效應的影響，黏聚力值會偏大，內摩擦角值也會相應增大，屬正常變化范圍。

室內最小二乘法抗剪斷強度值比現場巖體直剪試驗抗剪斷試驗略偏大，主要是試驗點值離散性偏大，受巖體內部節理面、微小裂隙、結構面、巖石強度等因素的影響。

5 結論及建議

通過室內巖塊模擬直剪強度試驗與現場巖體直剪試驗數據的對比，發現室內試驗與現場試驗值較為接近，表明室內模擬現場原位試驗是可行的，室內試驗可以降低試驗成本，縮短試驗周期（野外試驗周期一組約為45天左右，室內試驗試驗周期10天左右），加工樣品較為簡易，提高工作效率，為今后同類試驗提供可靠的試驗數據，具有重要的推廣意義。

隨著國民經濟的飛速發展，新疆的水利事業也得到蓬勃發展，越來越多的水利樞紐工程正在建設之中，勘測設計參數值的提供時間也將縮短，室內模擬試驗就顯得極其重要和迫切，室內模擬試驗簡單可行，試驗參數值與現場所測直剪參數值基本相近，參數值在可控的范圍之內，對今后類似水利工程試驗提供借鑒的經驗，縮短試驗周期，節約試驗成本具有重大的意義，在試驗過程中一定要遵守巖石試驗規程，把現場直剪試驗與室內模擬試驗結合起來，為新疆水利水電樞紐工程勘測試驗提供真實準確可靠的科學依據。

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，甘肅蘭州人，工程師，主要從事水利水電工程巖土試驗工作。