王傳寶

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

西域礫巖具有物質(zhì)成分復(fù)雜、膠結(jié)差、強(qiáng)度低、易風(fēng)化和遇水泥化的物理力學(xué)特性，使得相關(guān)工程的開發(fā)建設(shè)面臨地基不均勻沉降、圍巖變形、邊坡失穩(wěn)等一系列工程建設(shè)問題與地質(zhì)災(zāi)害問題。如何正確地揭示西域礫巖力學(xué)特性，并將其應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)之中，是工程建設(shè)中的關(guān)鍵科學(xué)問題。

近年來(lái)，隨著新疆地區(qū)在西域礫巖地層中工程活動(dòng)的增多，國(guó)內(nèi)學(xué)者逐漸開始關(guān)注西域礫巖的工程地質(zhì)特性及物理力學(xué)特性研究工作。例如，張敬東[1]等根據(jù)工程實(shí)踐總結(jié)了西域礫巖的工程地質(zhì)特性，鄒德高[2]等開展了西域礫巖濕化變形特性的試驗(yàn)研究，閆建玲[3]等關(guān)于西域礫巖變形特性的探討分析[3]，萇登侖[4～5]、王玉杰[6]等針對(duì)西域礫巖高邊坡進(jìn)行的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與防治方案研究，秦學(xué)林[7]、黎康平[8]等對(duì)西域礫巖高邊坡坡腳軟化侵蝕破壞機(jī)理的研究等等。

但是，由于西域組礫巖的特殊性，目前對(duì)其工程力學(xué)特性研究的方法、技術(shù)也不成熟，有關(guān)西域礫巖材料物理力學(xué)性質(zhì)的科學(xué)認(rèn)識(shí)還十分有限，迫切需要對(duì)其物理力學(xué)特性及工程特性進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。因此，本文以天山北麓奎屯河右岸西域礫巖為主要研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)方法對(duì)西域礫巖的抗剪強(qiáng)度特性開展研究，為西域礫巖相關(guān)工程的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)提供支撐。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試點(diǎn)布置

西域礫巖現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)布置在奎屯河右岸西域礫巖山體的3條平硐內(nèi)，每條平硐內(nèi)布置1組巖體與巖體直剪試驗(yàn)，共3組。其中平硐PD11高程1 006.5 m，長(zhǎng)度83.0 m，試驗(yàn)點(diǎn)位于24～33 m處；平硐PD12高程1 085.0 m，長(zhǎng)度80.0 m，試驗(yàn)點(diǎn)位于65～75 m處；平硐PD13高程1 116.0 m，長(zhǎng)度82.0 m，試驗(yàn)點(diǎn)位于65～75 m處。

1.2 試樣制備

試驗(yàn)點(diǎn)由石匠進(jìn)行試驗(yàn)面加工，試點(diǎn)受力方向與河流方向一致，承壓面積不宜小于2 000 cm2，試點(diǎn)邊緣至平硐頂部和底部邊緣距離應(yīng)大于承壓板直經(jīng)或邊長(zhǎng)的1.5倍，試點(diǎn)間距應(yīng)大于承壓板直徑或變長(zhǎng)的3倍，試驗(yàn)點(diǎn)表面以下3倍承壓板直徑或邊長(zhǎng)范圍內(nèi)的巖性宜相同，試點(diǎn)表層受擾動(dòng)的巖體應(yīng)清除干凈。承壓面應(yīng)加鑿平整，起伏差應(yīng)小于承壓板直徑或變長(zhǎng)的1%。試驗(yàn)毛坯樣如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)荷載

現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)最大壓力值按4.5 MPa進(jìn)行（工程設(shè)計(jì)壓力3 MPa的1.5倍），等分5級(jí)施加，分別施加于每個(gè)試體上（圖2）。其方法是確定每個(gè)試體上垂直荷載后，分3～5級(jí)施加垂直荷載。法向荷載施加采用時(shí)間控制，加荷后立即測(cè)讀法向位移，5 min后再讀1次，即可施加下一級(jí)荷載，加至預(yù)定載荷后，仍按每5 min測(cè)讀1次，當(dāng)連續(xù)2次法向位移之差不大于0.01 mm時(shí)，可開始施加剪切載荷。剪切載荷按預(yù)估的最大值分8～10級(jí)施加，當(dāng)剪切位移增量為前級(jí)位移增量的1.5倍時(shí)，宜將級(jí)差減半。施加方法以時(shí)間控制，每5 min加載1次，每級(jí)載荷施加前后各測(cè)讀變形1次，密切注視測(cè)記壓力變化情況及相應(yīng)的水平變形。

2 結(jié)果分析

2.1 西域礫巖直剪試驗(yàn)曲線

西域礫巖現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)典型曲線如圖3所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得：（1）西域礫巖剪應(yīng)力-剪切位移曲線呈非線性增大，無(wú)明顯線性段；（2）西域礫巖剪斷破壞后抗剪強(qiáng)度特征值無(wú)明顯降低。

2.2 西域礫巖抗剪強(qiáng)度特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)記錄以及收集的試件剪切面等資料，分別計(jì)算每個(gè)試體的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。采用莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，獲得西域礫巖的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表1和圖4所示。

表1 西域礫巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)

式中：τ為剪切面上的極限抗剪強(qiáng)度（MPa）；σn為剪切面上的法向應(yīng)力（MPa）；φ為內(nèi)摩擦角（°）；c為剪切面上黏聚力（MPa）。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得：（1）PD11號(hào)平硐τ1組西域礫巖的內(nèi)摩擦角為25.2°，粘聚力為1.45 MPa；PD12號(hào)平硐τ2組西域礫巖的內(nèi)摩擦角為35.0°，粘聚力為0.72 MPa；PD13號(hào)平硐τ3組西域礫巖的內(nèi)摩擦角為37.3°，粘聚力為0.48 MPa。（2）西域礫巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)與高程的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示，西域礫巖的內(nèi)摩擦角隨高程的增加而增加，粘聚力則隨高程的增加而降低。這一變化規(guī)律表明，西域礫巖埋深越大，膠結(jié)性狀越好，由膠結(jié)物和水膜的分子引力所產(chǎn)生的黏聚力對(duì)其抗剪強(qiáng)度的作用也越明顯。

2.3 西域礫巖直剪破壞特征

西域礫巖直剪破壞后，破壞面典型照片如圖6所示。破壞面典型特征為，試體沿預(yù)留剪切面破壞，剪切面呈凹陷狀，起伏差為2～4 cm，破壞為顆粒間繞粒破壞，基本無(wú)巨粒顆粒剪斷現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）采用現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)方法，獲得西域礫巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角范圍值在25.2°～37.3°，粘聚力為0.48～1.45 MPa；（2）西域礫巖抗剪強(qiáng)度由礫石顆粒間的內(nèi)摩擦角以及由膠結(jié)物和水膜的分子引力所產(chǎn)生的粘聚力共同組成。西域礫巖高程越低埋深越大，膠結(jié)程度越好，粘聚力越高。（3）西域礫巖直剪破壞的破壞面呈凹陷狀，起伏差為±4 cm，破壞為顆粒間繞粒破壞，基本無(wú)巨粒顆粒剪斷。