侯艷玲，石豫川，李大鑫

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059）

某水電站壩址左岸堆積體強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)研究

侯艷玲，石豫川，李大鑫

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059）

以某水電站壩址左岸堆積體為例，采用室內(nèi)土工試驗(yàn)中大剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)2種試驗(yàn)方法，測(cè)得碎石土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)并進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，三軸試驗(yàn)比大剪試驗(yàn)測(cè)得的碎石土抗剪強(qiáng)度參數(shù)值更真實(shí)、準(zhǔn)確。并進(jìn)一步提出2種試驗(yàn)結(jié)果的適用條件：大剪試驗(yàn)中的快剪適用于滲透系數(shù)小、受荷速度快的高塑性粘土，各向異性且剪破面未知的土體不宜采用快剪，對(duì)于滲透性較強(qiáng)的粗粒土，快剪的結(jié)果較三軸試驗(yàn)差異較大；三軸試驗(yàn)中的不固結(jié)不排水試驗(yàn)適合于一般粘性土、砂類土，但特易擾動(dòng)土除外，其試驗(yàn)結(jié)果較接近實(shí)際。

碎石土；大剪試驗(yàn)；三軸試驗(yàn)；抗剪強(qiáng)度

邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題是水電站壩址區(qū)研究的重點(diǎn)，邊坡的破壞大多屬于剪切破壞，與土的抗剪強(qiáng)度直接相關(guān)。不同的試驗(yàn)方法測(cè)得土的抗剪強(qiáng)度有所差異，因此，正確測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度具有重要意義。某水電站壩址左岸堆積體物質(zhì)組成為碎石夾角礫土，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算的結(jié)果與宏觀地質(zhì)判斷不符，因而有必要對(duì)碎石土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究。巖土工程勘察中通常要求采用大剪快剪或三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，本文以某水電站壩址左岸堆積體為例，應(yīng)用上述2種試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到準(zhǔn)確的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，為評(píng)價(jià)碎石土的抗剪強(qiáng)度提供依據(jù)，并提出2種試驗(yàn)結(jié)果的適用條件。

1 工程概況

水電站壩址位于大渡河中游，河谷形態(tài)受巖性控制，峽谷發(fā)育，枯水期河床寬70～80 m，正常蓄水位處河谷寬161～175 m。區(qū)內(nèi)山勢(shì)陡峻，嶺谷高差多在1 000 m以上，由于區(qū)域性地殼抬升，伴隨著強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升作用，河谷迅速下切，侵蝕基準(zhǔn)面也進(jìn)入快速下切期。河流循寬谷期后期的河道快速下切，形成深切河流地貌，沿河階地保存較少；根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，峽谷期河谷下切速率平均為1.8 mm／a。由于河谷狹窄，谷坡陡峻，下切導(dǎo)致邊坡前緣臨空，隨著前緣臨空面高度的加劇，形成了前陡后緩的地貌形態(tài)（見(jiàn)圖1），前部懸崖陡峭，坡度達(dá)70°以上，高度達(dá)300 m以上；后部坡度約35°，谷坡巖體因卸荷及應(yīng)力重分布的影響易發(fā)生相應(yīng)的變形破壞，導(dǎo)致重力地質(zhì)災(zāi)害形成。

圖1 工程區(qū)地貌形態(tài)Fig.1 Project area topography

勘察資料表明，壩址左岸分布約200×104m3松散堆積體，巖性主要為二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）生物碎屑灰?guī)r和上統(tǒng)茅口組（P1m）生物碎屑灰?guī)r，偶夾粉砂質(zhì)鈣質(zhì)頁(yè)巖及燧石結(jié)核，900 m高程以上為玄武巖。堆積體物質(zhì)組成主要為碎石夾角礫土，其物理性質(zhì)指標(biāo)和顆粒組成分別見(jiàn)表1和圖2。

表1 碎石土物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Indicators of physical properties of rubble soil

堆積體穩(wěn)定與否，與壩址區(qū)工程建筑布置密切相關(guān)，一旦失穩(wěn)，將危及樞紐建筑的安全。在了解堆積體結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，選取勘探平硐三層碎石土進(jìn)行代表性取樣，共9組。采用大剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)測(cè)得天然、飽水狀態(tài)下碎石土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并對(duì)2種試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確定碎石土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，為科學(xué)評(píng)價(jià)堆積體穩(wěn)定性提供必要條件。

圖2 級(jí)配曲線Fig.2 Grading curve

2 室內(nèi)試驗(yàn)成果與分析

土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)包括內(nèi)摩擦角φ和粘聚力C，這2項(xiàng)指標(biāo)是評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的重要依據(jù)。對(duì)堆積體取樣進(jìn)行大剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)各3組，獲得天然、飽水狀態(tài)下碎石土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，對(duì)比分析2種試驗(yàn)結(jié)果，提出2種試驗(yàn)結(jié)果的適用條件。試驗(yàn)過(guò)程中，試樣的制作和操作方法均嚴(yán)格遵守《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T50123－1999），按粗粒土的試料制備規(guī)定進(jìn)行試料制備，根據(jù)試驗(yàn)要求的重度、含水量和試樣尺寸，計(jì)算并稱取所需的試驗(yàn)用料。

試驗(yàn)中制備飽和試樣時(shí)，所需加水量按飽和重度配水公式計(jì)算（見(jiàn)式（1）、式（2）），將計(jì)算好的配水量均勻噴灑于土樣上，充分?jǐn)嚢韬笱b入容器內(nèi)蓋緊，分別測(cè)定潤(rùn)濕土樣的含水率，得到所需的飽和狀態(tài)含水率。

式中：Ww為所需加水量（kg）；W為風(fēng)干土質(zhì)量（kg）；W0為風(fēng)干含水量（%）；W′為要求含水量（即飽和含水量，%）；Δs為比重；γd為干重度（kN／m3）；γt為天然重度（kN／m3）；Wt為天然含水率（%）。

2.1 大剪試驗(yàn)

大剪試驗(yàn)選用快剪，采用應(yīng)力式大型直接剪切儀（見(jiàn)圖3）。先在剪切盒上安放開(kāi)縫環(huán)并開(kāi)縫，然后將剪切盒放上，并用固定插銷定位。將稱好的試料拌勻后分層裝入剪切盒內(nèi)（一般3～5層），需刨毛表面后，再裝第二層，并分層擊實(shí)。每組試樣制備4個(gè)試樣，試樣規(guī)格為40 cm×40 cm×40 cm，其重度差值不大于0.03 kN／m3；含水量差值不大于1%。試樣表面依次放上透水板、傳壓板、垂直千斤頂與傳力柱等，再安裝2～4個(gè)垂直量表，搖動(dòng)千斤頂使各部分接觸并記錄量表起始讀數(shù)。在5級(jí)不同垂直壓力下（0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 MPa）進(jìn)行剪切試驗(yàn)，每次施加額定的垂直壓力，使其在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保持恒定。安裝完畢后，拆除剪切盒固定插銷和開(kāi)縫環(huán)，施加水平剪力，每30 s加一級(jí)。當(dāng)水平壓力表讀數(shù)不再上升或剪切變形急驟增長(zhǎng)，即認(rèn)為已剪損。若無(wú)上述2種情況出現(xiàn)，可控制剪切變形達(dá)剪切盒直徑1／10以上，方可停止試驗(yàn)。

圖3 應(yīng)力式大型直接剪切儀Fig.3 Large-scale direct shear stress-type instrum ent

2.2 三軸試驗(yàn)

工程經(jīng)驗(yàn)表明，與大剪試驗(yàn)相比三軸試驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可以控制試樣排水條件，特別是對(duì)含水量高的粘性土快剪試驗(yàn)；②空間受力，且可以控制大、小主應(yīng)力；③剪切面不固定，土樣能沿最弱面破壞；④可以準(zhǔn)確測(cè)定土的孔隙水壓力和體積的變化。

三軸試驗(yàn)選用不固結(jié)不排水剪，采用應(yīng)力路徑控制三軸剪切試驗(yàn)機(jī)（見(jiàn)圖4）。每組至少制備3個(gè)試樣，試樣直徑30 cm，高60 cm，其重度差值不得大于0.03 kN／m3；含水量差值不得大于1%。對(duì)應(yīng)圍壓σ3分別為200，400，600 kPa，最大一級(jí)圍壓與最大的實(shí)際荷重大致相等。在壓力室底盤(pán)放透水板、圓形的無(wú)紡布濾布，檢查橡膠膜不漏氣后，在底盤(pán)外面套上橡膠膜，用乳膠管依次捆扎好橡膠膜。在橡膠膜外面安裝并固定對(duì)開(kāi)試樣成形筒。在試樣與橡膠膜間墊一圈3～5 mm厚的橡膠板。將稱好的試樣拌勻后分層裝入橡膠筒內(nèi)（一般6～12層），需刨毛表面，再裝第二層，并分層擊實(shí)，直至最后一層，整平表面，加上透水板濾布、試樣帽、扎緊橡膠膜，連接試樣帽至壓力室底盤(pán)的真空抽氣管道軟管。起動(dòng)真空泵抽氣使試樣內(nèi)部形成－0.06～－0.08 MPa的負(fù)壓，使試樣直立，去掉試樣成形筒。將壓力室底盤(pán)推入壓力室外殼下，對(duì)準(zhǔn)壓力室底盤(pán)的定位銷孔，安裝旋緊壓力室外殼與底盤(pán)的連接螺栓，使壓力室與油缸中心對(duì)齊，之后向壓力室內(nèi)注滿水。按200，400，600 kPa分別施加圍壓，以2 mm／min的剪切速率進(jìn)行三軸試驗(yàn)。每次試驗(yàn)保持圍壓和剪切速率恒定，剪切時(shí)間為60 min。剪切至測(cè)力計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定，當(dāng)測(cè)力計(jì)讀數(shù)無(wú)峰值時(shí)，剪切應(yīng)進(jìn)行到軸向應(yīng)變?yōu)?0%，即剪切位移為120 mm時(shí)終止。

圖4 應(yīng)力路徑控制三軸剪切試驗(yàn)機(jī)Fig.4 The triaxial shear testing machine on stress path control

2.3 試驗(yàn)成果對(duì)比分析

大剪試驗(yàn)中快剪與三軸試驗(yàn)中不固結(jié)不排水剪的剪切方法相當(dāng)，2種試驗(yàn)測(cè)得碎石土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表2。分別繪制天然、飽水狀態(tài)下大剪試驗(yàn)垂向壓應(yīng)力-水平剪應(yīng)力關(guān)系曲線（見(jiàn)圖5，圖6）及三軸試驗(yàn)正應(yīng)力-剪應(yīng)力關(guān)系曲線（見(jiàn)圖7，圖8）。

表2 大剪和三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度參數(shù)成果表Table 2 Large shear and triaxial test resu lts of shear strength parameters

通過(guò)抗剪強(qiáng)度參數(shù)成果表對(duì)比可看出，天然、飽水狀態(tài)下2種試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)存有較大的差異。具體表現(xiàn)在：與三軸試驗(yàn)相比，大剪試驗(yàn)的C值較小，但φ值較大。因?yàn)橹奔魞x除剪切面固定，其面積隨剪切位移的增加而減小等缺點(diǎn)外，最主要的缺陷在于剪切過(guò)程中不能嚴(yán)格控制試樣排水，部分水分從剪切盒縫隙排出，使得內(nèi)摩擦角φ值偏大；而三軸試驗(yàn)的剪切面是不固定的，剪切面是試樣抗剪能力最弱的面，且能嚴(yán)格控制排水，試驗(yàn)結(jié)果更接近于土樣的實(shí)際值。因此，對(duì)滲透性較大的碎石土來(lái)說(shuō)，選用直剪儀進(jìn)行試驗(yàn)難以獲得準(zhǔn)確的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

土工試驗(yàn)規(guī)程（SL237－021－1999）指出，對(duì)滲透性較大的土來(lái)說(shuō)，進(jìn)行快剪試驗(yàn)時(shí)，所得結(jié)果用庫(kù)侖公式表示時(shí)，具有較大的內(nèi)摩擦角。因此，三軸試驗(yàn)成果比大剪試驗(yàn)成果更為合理、準(zhǔn)確，采用三軸試驗(yàn)測(cè)得碎石土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)堆積體進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

圖5 天然大剪垂向壓應(yīng)力-水平剪應(yīng)力曲線Fig.5 Large shear vertical curve of stress-pressure and the level of shear stress in natural condition

圖6 飽水大剪垂向壓應(yīng)力-水平剪應(yīng)力曲線Fig.6 Large shear vertical curve of stress-pressure and the level of shear stress in saturated condition

圖7 天然三軸正應(yīng)力-剪應(yīng)力曲線Fig.7 Triaxial stress-shear stress curve in natural condition

圖8 飽水三軸正應(yīng)力-剪應(yīng)力曲線Fig.8 Triaxial stress-shear stress curve in saturated condition

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）與大剪試驗(yàn)相比，三軸試驗(yàn)測(cè)得碎石土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值內(nèi)摩擦角φ較小，粘聚力C值較大。

（2）三軸試驗(yàn)比大剪試驗(yàn)測(cè)得碎石土抗剪強(qiáng)度參數(shù)值的精確度要高。

（3）大剪試驗(yàn)中的快剪適用于滲透系數(shù)小、受荷速度快的高塑性粘土；各向異性且剪破面未知的土體不宜采用快剪；對(duì)于滲透性較強(qiáng)的粗粒土，快剪的結(jié)果較三軸試驗(yàn)差異較大。

（4）三軸試驗(yàn)中的不固結(jié)不排水試驗(yàn)適合于一般粘性土、砂類土，但特易擾動(dòng)土除外。盡管三軸試驗(yàn)造價(jià)高、試驗(yàn)周期長(zhǎng)和操作復(fù)雜等，但其試驗(yàn)結(jié)果較接近實(shí)際，尤其是重要工程應(yīng)進(jìn)行三軸試驗(yàn)，以保證試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)、準(zhǔn)確，使其在保證安全的條件下充分利用土的強(qiáng)度，降低工程造價(jià)。

（5）在選用試驗(yàn)方法和條件時(shí)，應(yīng)充分考慮工程所受載荷方式和排水條件?？旒暨m用于土體受力而孔隙水壓力不消散的情況，如受荷速度快、排水條件差的土體；固結(jié)不排水剪則適用于土體在某一壓力下固結(jié)穩(wěn)定后，突然受荷情況；固結(jié)排水剪則適用于受荷速度緩慢，排水條件好的土體。

［1］ 朱百里，錢炳生.土的基本性質(zhì)及測(cè)試原理［M］.南京：南京大學(xué)出版社，1994.（ZHU Bai-li，QIAN Bingsheng.The Basic Nature and Testing Principles of the Soil［M］.Nanjing：Nanjing University Press，1994.（in Chinese））

［2］ SL－237－1999，土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：水利水電出版社.（SL－237－1999，Specification of soil test［S］.Beijing：China WaterPower Press.）

［3］ GB 50287－99，水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社.（GB 50287－99，Code for water resources and hydroppower engineering geological investigation［S］.Beijing：China Planning Press.）

［4］ 成 靜，徐凡凡.土工試驗(yàn)中的抗剪強(qiáng)度分析［J］.江西水利科技，2004，30（S1）：34－36.（CHENG Jing，XU Fan-fan.Analysis of the resistance to shear in soil test［J］.Jiangxi Hydraulic Science＆Technology，2004，30（S1）：34－36.（in Chinese））

［5］ 彭華娟.淺談土工試驗(yàn)中室內(nèi)大型剪切與小型剪切試驗(yàn)［J］.廣西水利水電，2000，（4）：44－47.（PENGHuajuan.Elementary discussion on the shear test，large and small sized，of the earthwork in room［J］.GxWater Resources＆Hydropower Engineering，2000，（4）：44－47.（in Chinese））

［6］ 李 振，李 鵬.粒土直接剪切試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律［J］.防滲技術(shù)，2002，8（1）：11－14.（LIZhen，LIPeng.Coarse-grained soil direct shear test variation of shear strength index［J］.Technique of Seepage Control，2002，8（1）：11－14.（in Chinese））

［7］ 李珍秀，江兆云，尚思良.室內(nèi)土體剪切試驗(yàn)方法比較及結(jié)果分析［J］.資源環(huán)境與工程，2008，22（1）：80－81.（LI Zhen-xiu，JIANG Zhao-yun，SHANG Si-liang.Comparison and analysis of soil shear testmethods in laboratory［J］.Resources Environment＆Engineering，2008，22（1）：80－81.（in Chinese））

（編輯：周曉雁）

Strength Parameters for Stack Body of Some Hydroelectric Power Station Left Bank

HOU Yan-ling，SHIYu-chuan，LIDa-xin
（State Key Laboratory of Geohazard Prevention＆Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

With a stack body of some hydroelectric power station left bank as an example，in order to obtain rubble anti-shear intensity parameters，the results of the direct shear test and triaxial compression testwere compared and analyzed.Experimental results show that：the rubble anti-shear intensity parametersmeasured by the triaxial compression test aremore true and accurate and the applicable conditions of the two test results are also expounded；fast-shear test is fit for a high-speed plastic clay which has a smaller permeability coefficient and is to be loaded fast，but it is not fit for the soil which possesses anisotropy and unknown shear-breaking surface，in addition，in comparison with triaxial compression test，the results of fast-shear test are quite different for coarse-grained soil which possesses stronger permeability；the non-consolidated and undrained shear test is suit for general clay and sand soil，except soil disturbed easily，and the test results are closer to the real.

rubble；large sized shear test；triaxial compression test；anti-shear intensity

TV411.7

A

1001－5485（2010）06－0054－04

2009-06-10；

2009-09-28

侯艷玲（1984-），女，吉林樺甸人，碩士研究生，主要從事地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)研究，（電話）15982043251（電子信箱）houyanling20032300＠126.com。