惠州地區(qū)全風(fēng)化花崗巖現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)研究

龐忠華

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

巖土體強(qiáng)度是邊坡穩(wěn)定分析與支護(hù)方案設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，受結(jié)構(gòu)面、地下水等多種因素影響，其參數(shù)取值一直是困擾工程設(shè)計(jì)人員的難題。一般來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度參數(shù)可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)以及工程類(lèi)比等方法確定［1］。室內(nèi)試驗(yàn)獲取的強(qiáng)度參數(shù)受試樣擾動(dòng)、試樣尺寸等因素的影響很大，與工程現(xiàn)場(chǎng)巖土體所體現(xiàn)出的力學(xué)特性有所相差?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)巖土體擾動(dòng)小，巖土體的結(jié)構(gòu)性、含水率以及部分軟弱面都能在現(xiàn)場(chǎng)試樣中體現(xiàn)，所測(cè)得的力學(xué)參數(shù)具有較強(qiáng)的工程參考價(jià)值，許多國(guó)內(nèi)外重要工程的設(shè)計(jì)分析都是基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所得力學(xué)參數(shù)。

邢皓楓等人［2］針對(duì)南水北調(diào)工程中復(fù)雜的沿線地質(zhì)條件，選取了幾個(gè)典型地段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)，闡述了現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)的方法和過(guò)程，并對(duì)剪應(yīng)力與位移和正應(yīng)力與剪應(yīng)力間的關(guān)系曲線進(jìn)行了分析和總結(jié)，提出了反映巖石不同狀態(tài)下的抗剪斷強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，并以此參數(shù)和室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)分別對(duì)邊坡穩(wěn)定進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果表明現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)獲得的力學(xué)參數(shù)不僅真實(shí)可靠，而且對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的。劉斯宏等人［3］采用了一種新型現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)法用于獲取宜興抽水蓄能電站上庫(kù)堆石料的抗剪強(qiáng)度，該方法通過(guò)鏈條張拉剪切框從而使試樣受剪，能克服剪切框內(nèi)壁摩擦對(duì)剪切面上正應(yīng)力的影響，能更精確地測(cè)定試樣的抗剪強(qiáng)度。徐曉斌等人［4］對(duì)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖進(jìn)行了原位直剪試驗(yàn)，獲得了直剪試驗(yàn)的剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，同時(shí)對(duì)其剪切強(qiáng)度性質(zhì)進(jìn)行了相應(yīng)的理論分析，最終得出工程設(shè)計(jì)所需參數(shù)c、φ值。程?hào)|幸等人［5］為了得到粗顆粒鹽漬土的強(qiáng)度特性，在地層結(jié)構(gòu)、易溶鹽、地基土顆粒分析的基礎(chǔ)上，選擇甘肅河西走廊一在建電廠的典型粗顆粒鹽漬土場(chǎng)地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)剪切試驗(yàn)研究。徐寧等人［6］對(duì)碾壓成型后的建筑垃圾進(jìn)行篩分試驗(yàn)，分析了建筑垃圾級(jí)配，得到了建筑垃圾顆粒破碎的分維，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)結(jié)果，得到了不同正應(yīng)力下剪應(yīng)力-剪切位移和剪應(yīng)力-正應(yīng)力的關(guān)系曲線，確定了建筑垃圾剪切強(qiáng)度的峰值和殘余值參數(shù)。侯光榮［7］為了驗(yàn)證填方邊坡的穩(wěn)定性，采用了現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)測(cè)定填土的實(shí)際c、φ值。該填土的地基處理采用分層填土碾壓及分層強(qiáng)夯的地基處理方法，以保證邊坡的穩(wěn)定和滿(mǎn)足坡頂建筑物的承載力和沉降要求。黃劍宇［8］先通過(guò)試驗(yàn)量測(cè)粘性土的土水特征曲線，后利用土水特征曲線預(yù)測(cè)土的抗剪強(qiáng)度，并將預(yù)測(cè)值與等吸力直剪抗剪強(qiáng)度值進(jìn)行對(duì)比分析。徐曉宇等人［9］以廣州地區(qū)花崗巖殘積土為研究對(duì)象，進(jìn)行了一系列室內(nèi)直剪試驗(yàn)，分析了試驗(yàn)中剪切速率、加載級(jí)數(shù)和破壞值選取的綜合影響。

本文對(duì)廣東省惠州市博羅縣某建筑邊坡工程中的全風(fēng)化花崗巖進(jìn)行了不同正應(yīng)力下的現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)，了解其力學(xué)特性，分析了土體在受力過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變特征，并獲得了其強(qiáng)度參數(shù)，為邊坡穩(wěn)定分析與工程設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試樣與試驗(yàn)方案

1.1 試樣

未擾動(dòng)全風(fēng)化花崗巖試樣位于惠州市博羅縣某建筑邊坡，取樣深度5.0 m，如圖1所示，需要注意的是圖1 中地面并非原地面。根據(jù)地勘報(bào)告，土體母巖為燕山晚期花崗巖（r53）。土樣主要呈黃褐、肉紅、灰白等色，并夾雜著黑點(diǎn)。未擾動(dòng)土樣原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，但尚可辨認(rèn)，有殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可用鎬挖，干鉆可鉆進(jìn)，標(biāo)貫擊數(shù)N=37，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范：GB 50021—2001》［10］表A.0.3 的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，該土樣風(fēng)化程度為全風(fēng)化。

圖1 土樣現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Soil Sample Site

1.2 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)采用上部堆載的方式施加法向荷載，剪切荷載通過(guò)一支撐在側(cè)向土壁上的千斤頂施加，直剪試驗(yàn)簡(jiǎn)圖如圖2?所示，現(xiàn)場(chǎng)局部如圖2?所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)及裝置局部Fig.2 Field Shearing Test and Partial of the Device

土樣尺寸為長(zhǎng)×寬×高=600 mm×500 mm×350 mm，剪切盒由4 塊20 mm 厚的鋼板拼接而成，尺寸為長(zhǎng)×寬×高=600 mm×500 mm×300 mm。法向荷載和切向荷載通過(guò)2 個(gè)獨(dú)立的千斤頂分別進(jìn)行施加，法向千斤頂位于土樣頂中心位置處，為了防止土樣頂部被局部壓壞，在千斤頂與土樣之間放置1 塊厚度20 mm 的鋼墊板，切向千斤頂位于剪切盒側(cè)面1/3高度處，剪切荷載直接施加于剪切盒側(cè)板。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)2個(gè)對(duì)稱(chēng)放置于土樣頂面墊板上的百分表來(lái)測(cè)量土樣的法向位移，并通過(guò)2 個(gè)對(duì)稱(chēng)放置于剪切盒后側(cè)板的百分表來(lái)測(cè)量土樣的切向位移，如圖2?所示。

1.3 試驗(yàn)方法

現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖2 個(gè)試坑，每個(gè)試坑的5 個(gè)土樣為1 組，共2 組試驗(yàn)。開(kāi)挖制備土樣時(shí)參考文獻(xiàn)［1］的開(kāi)挖方法，用小鎬與手工鋸先將土樣修割成上小下大的四棱柱狀，再將拼接好的剪切盒套在土樣頂部，然后一邊修整下部土體一邊將剪切盒逐漸往下套入，直到達(dá)到預(yù)定位置。需要注意的是，為了使剪切盒與土樣緊密接觸，試驗(yàn)前在剪切盒與土樣間灌入風(fēng)干的細(xì)砂，并用膠錘輕輕敲擊剪切盒側(cè)板使細(xì)砂更加密實(shí)。

每組的5個(gè)土樣分別在法向荷載0 kN、15 kN、30 kN、45 kN、60 kN下進(jìn)行剪切，即正應(yīng)力分別為0 kPa、50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。法向荷載分5 級(jí)等荷施加，每一級(jí)荷載作用下土樣豎向位移在任意5 min 內(nèi)小于0.01 mm，即認(rèn)為穩(wěn)定，即可施加下一級(jí)荷載直至預(yù)定值。隨后保持法向荷載不變，通過(guò)切向千斤頂采用應(yīng)力控制的方式對(duì)土樣施加剪切荷載。剪切荷載按預(yù)估最大荷載的10%分級(jí)等荷施加，每一級(jí)荷載作用下的土樣剪切位移在任意5 min 內(nèi)小于1 mm 認(rèn)為其穩(wěn)定，即可施加下一級(jí)荷載直至土樣破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系

2 組試驗(yàn)的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3 所示，圖3中標(biāo)注的壓力值為土樣所受正應(yīng)力。

圖3 2組土樣不同法向荷載作用下剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 The Shear Stress-shear Strain Relation Curves under Different Normal Stress of Soil Specimen

可以看出，在剪切初始階段，剪切面上的剪應(yīng)力隨著剪應(yīng)變的逐漸發(fā)展而不斷增大，土體呈應(yīng)變硬化；當(dāng)剪應(yīng)變?cè)龃蟮揭欢〞r(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到最大，隨后隨著剪應(yīng)變的增加，各試樣剪應(yīng)力呈現(xiàn)出不同程度的下降，呈應(yīng)變軟化，最終趨于某一穩(wěn)定值。土樣承受的正應(yīng)力越大，峰值剪應(yīng)力也越大。值得注意的是，第1組土樣在不同正應(yīng)力水平下的峰值剪應(yīng)力對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變略高于第2 組土樣，這表明第1 組土樣有著更好的塑性。

2.2 法向位移-剪應(yīng)變關(guān)系

2 組試驗(yàn)剪切過(guò)程中的法向位移-剪應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示，土樣頂面位移向下（剪縮）為正，位移向上（剪脹）為負(fù)。

圖4 2組土樣不同法向荷載作用下法向位移-剪應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 The Normal Deformation-shear Strain Relation Curves under Different Normal Stress of Soil Specimen

可以看出，當(dāng)土樣所受正應(yīng)力較小時(shí)（0 kPa、50 kPa），剪切過(guò)程中土樣頂面位移一直向上，即土樣一直呈剪脹狀態(tài)；隨著正應(yīng)力的不斷增大，土樣逐漸從一直剪脹漸變到先剪縮后剪脹，達(dá)到壓力為200 kPa 時(shí)，第二組試驗(yàn)中的土樣呈現(xiàn)出一直剪縮的變形特征。這在一定程度上表明土樣所受正應(yīng)力大小決定了剪切過(guò)程中土樣法向變形特征。

2.3 土樣破壞包線

將2組試驗(yàn)中各土樣在不同法向荷載作用下剪切面上的峰值剪應(yīng)力-正應(yīng)力繪制如圖5所示。

圖5 2組土樣不同法向荷載作用下峰值剪應(yīng)力-正應(yīng)力數(shù)據(jù)點(diǎn)線性擬合Fig.5 The Peak Shear Stress-normal Stress under Different Normal Stress of Soil Specimen

可以看出，2 組試驗(yàn)中土樣的峰值剪應(yīng)力τmax-正應(yīng)力σ試驗(yàn)點(diǎn)均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，線性擬合結(jié)果如下：

第一組試驗(yàn)：τ=1.137 2σ+76.14（R2=0.907 3）⑴

第二組試驗(yàn)：τ=2.346σ+45.2（R2=0.992 6） ⑵

從式⑴、式⑵可以得出，第一組試驗(yàn)土樣的粘聚力c=76.14 kPa，內(nèi)摩擦角φ=48.7°；第二組試驗(yàn)土樣的粘聚力c=45.2 kPa，內(nèi)摩擦角φ=66.9°。

3 結(jié)論

本文對(duì)惠州地區(qū)未擾動(dòng)全風(fēng)化花崗巖進(jìn)行了不同正應(yīng)力水平下的現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

⑴不同正應(yīng)力水平下，未擾動(dòng)全風(fēng)化花崗巖在剪切過(guò)程中達(dá)到峰值剪應(yīng)力后均呈現(xiàn)出不同程度的應(yīng)變軟化，土樣所受正應(yīng)力越大，其峰值剪應(yīng)力也越大。

⑵土樣所受正應(yīng)力大小決定了剪切過(guò)程中法向變形特性，正應(yīng)力較小時(shí)，土樣一直呈剪脹，隨著正應(yīng)力不斷增大，土樣從一直剪脹逐漸過(guò)渡為先剪縮后剪脹。

⑶土樣強(qiáng)度準(zhǔn)則可采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，不同正應(yīng)力條件下的峰值剪應(yīng)力-正應(yīng)力數(shù)據(jù)點(diǎn)線性擬合良好，得出的強(qiáng)度參數(shù)c、φ可為邊坡穩(wěn)定分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。