(黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南 鄭州 450003)

水利工程壩址巖基中常存在剪切帶，剪切帶的形成是一個極其復雜的過程，比如壩基下存在的緩傾角軟弱夾層(層間剪切帶)，不管其傾向上游或下游，均可與其他結構面組合構成對深層抗滑穩(wěn)定有不利影響的楔形塊體邊界條件，它們往往成為大壩穩(wěn)定的控制性因素。如何準確、合理的確定軟弱夾層的抗剪強度指標，對工程設計至關重要。

黃河古賢水利樞紐工程壩基巖層受水平構造應力的影響，巖體中發(fā)育一定數量的順層剪切帶，部分層間剪切帶逐漸演變?yōu)檐浫鯅A層(泥化夾層)。軟弱夾層多發(fā)育在砂巖與粉砂巖(粉砂黏土巖)分界面或附近，有的發(fā)育在粉砂巖層內，夾泥類型多為泥夾碎屑型和碎屑夾泥型。

如何選用剪切帶的強度參數，是一個較為困難的問題。為合理確定剪切帶的強度特性，深入了解古賢水利樞紐剪切帶的性質，進行壩址剪切帶原位直剪試驗，研究軟弱夾層類別劃分、軟弱夾層抗剪指標的影響因素和參數選取等。

1 試驗原理與方法

根據《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》(SL 264—2016)現場制備試驗試體，試體尺寸為50cm×50cm×35cm，確保軟弱夾層位于試體的最下部2cm范圍內，試體制備完成后澆筑混凝土保護套，預留剪切縫，澆筑完成后對混凝土保護套進行養(yǎng)護，并對試件進行飽和。待混凝土保護套達到預定強度即可開展現場原位直剪試驗，圖1為現場原位大型直剪試驗安裝圖。

圖1 現場原位大型直剪試驗安裝圖

試驗規(guī)程中要求最大法向應力不宜小于工程應力，當剪切面有軟弱充填物時，最大法向應力應以不擠出充填物為上限。

試驗過程中法向荷載分3～5級施加，待法向荷載穩(wěn)定后，開始施加剪切荷載。試驗最大剪向荷載由法向荷載和預估的摩擦系數確定。試驗中剪向荷載分級施加，在峰值前剪切荷載不少于10組讀數。試驗中，軟弱剪切帶在接近破壞時具有變形明顯增大的特點，其峰值強度與殘余強度較接近。本試驗在測讀試體剪斷時的剪切荷載峰值后，繼續(xù)施加剪切荷載直至剪切位移到達1.5cm以上。

剪切試驗完成后，繼續(xù)進行摩擦試驗，進一步確定剪切破壞后，軟弱剪切帶的抗剪強度，具體步驟與直剪試驗相同。現場原位試驗完成后，進行資料后處理，借助Mohr-Columnb強度準則進一步確定剪切帶巖體強度指標。

2 剪切帶原位直剪試驗

在前期工作基礎上，為充分了解古賢水利樞紐工程壩基剪切帶工程性質，在軟弱剪切帶所在高程進行了平洞勘探，河底平洞軸線與河流流向基本垂直，距河床垂直高度約45m，設置了支洞及貓耳洞，進行剪切帶的現場原位大型直剪試驗。貓耳洞位置選取根據已經揭露的軟弱剪切帶形態(tài)、起伏情況以及規(guī)范要求的試點最小間距確定，盡可能選取起伏差較小的剪切帶，兩試點間最小間距不宜小于試體最小邊長，共布置12個試驗點進行軟弱夾層原位直剪試驗。

3 試驗結果分析

3.1 試驗結果

根據試驗揭露剪切面，實測剪切面尺寸，換算出各試件的法向荷載、抗剪斷強度和抗剪(摩擦)強度，各試點資料匯總見下表。

現場原位大剪試驗結果統(tǒng)計表

3.2 影響剪切強度的因素分析

從試驗揭露的剪切面地質特性可知，剪切帶為復雜的地質體，其剪切破壞過程極其復雜，受多因素影響，分析認為影響軟弱剪切帶強度的主要因素有以下四點[1]：

a.巖性特征。此次試驗剪切面上主要巖性分布有青灰色夾泥、紫紅色泥巖及巖屑、灰色泥質粉砂巖。其中青灰色夾泥硬度較大，破碎后呈鱗片狀；泥巖具有典型的成層特性，易沿層面破壞成鱗片狀、碎片狀巖屑，巖層層面光滑，滑感強烈；泥質粉砂巖，表面光滑，滑感強烈，其表面發(fā)育有泥膜，個別試件可見方解石膜，巖層破壞后易形成鱗片狀、碎片狀巖屑。

b.剪切帶起伏差。從區(qū)域地質資料和剪切帶巖性特征分析可知，剪切帶巖層形成于沉積相中，在原始形成過程中具有層面不連續(xù)、產狀多變的特點。在經歷后期區(qū)域構造作用后，剪切帶巖層繼續(xù)發(fā)生擠壓錯動，進而形成現今狀態(tài)，根據試驗平洞揭露的剪切帶形態(tài)看，剪切帶起伏差較大，且?guī)r性變化較大，層面不連續(xù)。一般認為同種巖性起伏差越大，剪切強度越大。

c.原生結構面。從直剪試驗揭露的剪切面來看，巖層中原生層面對剪切帶強度影響較大。剪切帶巖層具有成層構造，在剪切荷載作用下巖層易沿層面破碎成鱗片狀巖屑，這種層狀構造和片狀巖屑直接影響了剪切帶強度。

d.試件飽和程度。軟弱剪切帶主要巖性為泥巖、泥巖巖屑和泥質粉砂巖，該類巖石為水敏性巖石，水理性極差，遇水后軟化呈泥，強度極低。因此，剪切帶飽和程度對剪切帶強度具有重要影響。從剪切面揭露情況分析，試件中間部分飽和程度不足，各試件飽和狀況差異性較大，以至于試驗過程中個別試驗結果出現異?，F象。此外，剪切帶飽和程度也直接影響著原生結構面強度，飽和程度高的結構面，其表面更光滑，強度更低。

3.3 試驗成果分析

根據現場原位試驗資料和顆分試驗成果，將剪切帶類型和力學性質相近的試件歸并為一組，按照Mohr-Columnb求解剪切帶強度指標[2]。

根據剪切面巖性、起伏差和飽和程度等因素剔除了部分剪切異常的試驗點，最后留下8個試驗點的數據進行分類。根據現場剪切面地質特性，按照《水利水電工程地質勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)可初步將試體分成兩組，A組為泥在剪切面上所占比例較高，B組為巖屑在剪切面上所占比例較高，均為泥夾巖屑型。

a.A組。A組試件主要表現為剪切過程中，沿夾泥剪斷，在上、下剪切面均有夾泥(泥巖)分布，這類破壞模式主要有ZD03、ZD05、ZD07、ZD08。

A組直剪試驗τ～σ關系曲線如圖2所示。

根據試驗結果對抗剪斷強度擬合曲線有τ=0.240σ+0.014，即飽和狀態(tài)下夾泥控制的剪切帶摩擦系數為0.240，內聚力為0.014MPa；抗剪強度擬合曲線有τ=0.205σ+0.009，即剪切帶的抗剪強度摩擦系數為0.205，內聚力為0.009MPa。

圖2 A組直剪試驗τ～σ關系曲線

b.B組。B組剪切面上巖屑所占比例較高，含有一定比例的泥，同時存在結構面。試件有ZD04、ZD06、ZD09、ZD12。

B組直剪試驗τ～σ關系曲線如下頁圖3所示。

根據試驗資料對抗剪斷強度擬合曲線有τ=0.230σ+0.073，即對應的摩擦系數為0.230，內聚力為0.073MPa；對抗剪強度擬合曲線有τ=0.227σ+0.058，對應的抗剪強度摩擦系數為0.227，內聚力為0.058MPa。

圖3 B組直剪試驗τ～σ關系曲線

4 結 論

根據本工程原位直剪試驗的研究分析，得出以下結論：

a.剪切帶的巖性特征、剪切起伏差、原生結構面構造和剪切帶飽和程度是影響剪切帶抗剪強度的主要因素。

b.根據本次原位直剪試驗，該剪切帶的強度指標為：A組(泥夾巖屑、夾泥較多)抗剪斷摩擦系數為0.240，內聚力為0.014MPa；抗剪強度指標摩擦系數為0.205，內聚力為0.009MPa；B組(泥夾巖屑、巖屑較多)抗剪斷摩擦系數為0.230，內聚力為0.073MPa，抗剪強度摩擦系數為0.227，內聚力為0.058MPa。

本次原位直剪試驗，得到了該剪切帶兩種不同夾層類型的剪切強度參數，為古賢水利樞紐工程大壩抗滑穩(wěn)定驗算提供了數據支持。