某核电站强风化花岗岩原位直剪试验研究剪试验

某核 电站强风化花岗岩原位直剪试验研究徐晓斌 ，秦晶晶 ，高 飞(1．广东省 电力设计研究院，广州 ；2．天津市地质工程勘察院，天津 ：3．集成期货有限公司，广州 )摘要：强风化花岗岩在某核 电站厂址区普遍发育，研究其剪切强度对于核岛边坡及常规 岛地基的稳定性评价具有重要意义。由于该岩体风化不均匀，常夹有 中等风化及微风化较硬夹层或球状风化体，扰动后 即碎裂，现场取样和室内试样的难度较大，而且 目前进行岩体强度参数反分析的资料相对匮乏。本文作者通过设计堆载式加荷直剪试验方法，并经野外大量现场试验 ，获得 了强风化花 岗岩原位直剪的剪应力一应变关系曲线，对强风化花 岗岩的剪切强度性质进行 了相应的理论分析 ，为工程区强风化花 岗岩设计输入提供 了可参考的c、 值 ，保证 了工程的可靠性 ，也避免过于保守，并为类似工程积 累了经验 。关键词：原位直剪试验 ；强风化花 岗岩 ；核 电站中图分类号 ：TU459 ．2文献标识码 ：AIn-in， in ，(1．， ，China；2．， ，China；3．．，LTD， ， ina )：．Th ion ．— ， ．out．—(Cand )，．：in-；te；边坡的开挖既安全稳定又经济合理 ，而要准确地判 0 前 言断边坡稳定性 ，不论运用何种数值算法，都必须以某核电站位于我 国南方沿海的半岛上，属低丘边坡强风化岩体相关 的抗剪强度指标 (c和 值) 陵地貌 ，规划容量为 6× 级压水堆核 能发为基础。

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另外 ，常规岛负挖至设计标高后 ，拟采用 电机组，核‘岛边坡顶部基本为强风化岩体揭露，厚天然地基 ，设计标高 以下地基基本为强风化花 岗 度大于 30m。边坡坡脚离厂房 的最小距离均小于岩，强风化岩体抗剪强度指标也是设计输入 的关键 50m，按有关核安全法规 ，该边坡与核安全有关 ， 指标。因此岩体抗剪强度指标的获取对边坡及常规岛地基等变形预测和稳定性评价就显得至关重要。 应进行抗震稳定性验算 。由于厂区边坡岩体开挖后由于岩体风化强烈 ，扰动后即碎裂 ，现场取样 易沿强风化和中微风化分割面以及强风化岩体内的 新生滑裂面产生滑动 ，影响范围较大 ，因此要准确收稿 日期 ：2009．02—09；修订 日期 ：2009—05—29 地对相关边坡进行稳定性分析 ，以便能够及时对工作者简介 ：徐晓斌 (1981一)，男 (汉族)，贵州织金人 ，硕 程设计和施工的质量做出反馈 ，保证强风化花岗岩士 ，工程师 ． 40 工程勘 察 a咖n＆ 年第 12期 和室内试样 的难度较大 ，且 目前进行岩体强度参数 反分析的资料相对匮乏。 #

作者针对强风化花岗岩体 设计了堆载式原位直剪试验中风化岩石直剪固快值，以获取岩体的抗剪强 度参数 ，取得了很好的效果。 1 试验方案 1．1 试验布置与制备强风化花 岗岩强度较低 ，扰动后即碎裂 ，基于 此直剪试验的法 向荷载可设计采用堆载形式 ，即堆 载式加荷直剪法。试验共 12组试样 ，每组有 4块图 1 试验堆载布置 试样 ，每块试样分别在不 同的法 向堆载作用下 ，施 加水平剪力进行剪切 ，得到各试样的剪应力一位移 曲线和每组试样的 r关系曲线，据此得出堆积体的 抗剪强度参数 c、 值 ，从而确定堆积体 的剪切强度 特性。 1．2 试样制备根据现场工程地质情况和工程进度 ，在强风化 花岗岩较厚地段分别开挖 A、B、C和 D四个试验 槽进行原位剪切试验 ，每个试样的尺寸均为 50cm× 50cm×55cm (剪切面积为 0．25m2)，试验过程 中用 50cm×50era×50cm的钢剪切盒进行 固定 。试样开 挖时先制成上小下大的四棱柱形状 ，然后将剪切盒图2 试验仪器布置 套在试样顶部 ，待剪切盒放平稳后刮去剪切盒下部 凸出的部分 ，边修饰边敲击剪切盒 ，使剪切盒下 落，直至剪切盒落至试样 的预剪位置，此时再拧紧 剪切盒上的螺栓，以保证剪切盒和试样紧密接触 。 #

12组试样中有4组进行了饱水试验，饱水方法 以中心注水法为主 ，四周浸水法为辅，待剪切盒安 装完毕后 ，用钢钎在试样 内部打 出 1～4个小孔 ，— — — — — — — — — ●■一 用软皮管将水滴灌人试样 内，同时在试样 四周开挖剪切方向 饱水槽 ，每个饱水试验 的浸水 时 间不得少于 18h，图3 百分表布置编号 在剪切试验过程 中，视水的情况不时向饱水槽内添为50kPa，摩擦角 为 35。。对同一组内的四块试样 加水 ，以保证试验过程 中试样能饱水。对应施加的法向荷载分别为 50kPa、、 1．3 压力装置及 变形量测 系统和，由于水平千斤顶的行程有限，且试样产法 向力和剪力的施加机具 为相互独立 的液压千生剪切位移后无法回位 ，通常每块试样在对应 的法 斤顶 ，加载的外部反力装置采用砂袋堆载 (堆载布向荷载下只能进行 2～3次循环剪切试验。根据预 置见图 1)。剪切位移和法向位移的量测设备采用百估的 c、 值 ，确定试样抗剪强度 的范围中风化岩石直剪固快值，从而有 分表 (百分表布置见图 2和图3)，其中表 1至表 4计划地施加剪切荷载。 量测法向位移 ，试样 的法向位移取表 1至表 4的平法向荷载通 常分 3到 5级均匀加到预定荷载 ， 均值；表 5至表 8量测剪切位移 ，试样的剪切位移然后法向应力保持不变 ，由于试样的渗透系数较大 取表5至表 8的平均值。

(数量级为 10I4)，其 中的孔隙水压力很小 ，可以不 1．4 加载过程考虑试样的固结阶段 ，所 以加载时可以适 当加快加本试验 目的是获取强风化花岗岩体的抗剪强度载速 率 ，通 常是 当每级荷 载 3min的沉 降小 于 指标 ，它们是剪切面上法 向应力 的函数。本试验设0．01mm时，则施加 下一级荷载 ，直至预定 的法 向 计以摩尔一库仑准则为指导，预估试样 的粘聚力 c 2009年第 12期工程勘察 咖 砌 ＆ 41 荷载。法 向应力保持不变 以后，剪力采用增量加载强，所以本试验中屈服强度选取是以位移控制法为 法施加 ，通常根据预估的抗剪强度分级逐步均匀施主，由于每次循环试验中试样在达到峰值强度时对 加 (至少分 10级施加)，以便控制剪切位移速率。 应的剪切位移为6～lOmm，因此选取剪切位移达到 在试样达到实际的抗剪强度 以前 ，通常要读取至少5mm时的剪切力作为试样的剪切屈服强度。 10组读数 ，每次循环试验的剪切位移行程至少要达曲线 Ⅱ可近似认为是塑性破坏类 型，峰值强度 到试样边长的3％。和残余强度的差别不明显 ，峰值强度取试验 中的剪应力最大值 ，建议取剪切位移大于 lOmm时对应 的 2 试验成果分析剪力为残余抗剪强度 ，据此选取结果与峰值强度 2．1 直剪试验应力计算差别不大，因此对此类曲线不选取残余强度。

屈服法向应力：强度 的选取 以位移控制法为主 ，控制位移仍取5mm，同时以图解法辅助选取 (见 图4)，即取剪力==———一(l1，)一 剪切位移曲线首、尾段的两切线相交点再投影到剪切应力 ：剪力一剪切位移曲线上的点为屈服强度点 ，如果位： 早(2) 移控制法和图解法 皆可行 ，则取两个结果 的较小A值 。 式中：G为试样 自重 (kN)；N为法 向堆载 (kN)；在选取每组试样的屈服强度和峰值强度后 ，运 p为水平剪力 (kN)；A为试样剪切面积 (rn2)。用最小二乘法 回归得到每组试样的屈服强度参数和 2．2 抗剪强度的选取方法峰值强度参数 。在计算受剪面的剪切力之前 ，由于本试验中强风化花岗岩试样风化强烈，呈褐黄要考虑施加剪切力时滚轴产生的摩阻力 ，通常要在∞ 舳 ∞ ∞ 如 ∞ 色、浅 肉红色 ，广泛分布铁锰质渲染的棕褐色节理剪切力 中扣除法向应力的 1％～2％，本试验在实际 面 ，岩芯呈坚硬土状或半岩半土状，原岩结构 (中处理中扣除了法向应力的 1．5％。 粗粒斑状结构)清晰可辨 ，锤击声 哑，岩质软弱。2．3 直剪试验 中试样应力一应变关系 岩石矿物成分除石英外 ，基本风化为次生矿物，由由于强风化岩体 中砾砂含量较 多，且粒径较 于岩体风化的不均匀性，该层 中常夹有中等风化及大 ，高压条件下曲线软化。

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根据现场试验记录 ，各 微风化较硬夹层或球状风化体 。实测标准贯入击数试样的剪力一变形关系曲线见 图5，由图可见强风 大于 50击，结合单次循环 的剪切试验和2～3次循化花岗岩体所表现的应力应变特点与岩体和土体有 环剪切试验的包络线来选取试样 的剪切强度。根据很大不同，因此室 内实验将强风化花 岗岩按土体进 单次循环的剪切试验和 2～3次循环剪切试验 的剪行实验的结果未能反应其力学特性，导致实验结果 力一剪切位移包络线可以将试验 曲线分为两类 ，见与实际偏差较大。 图4。尽豁皂躲剪切位移图4 屈服强度 图解法示意图曲线 I可近似认为是脆性破坏类型，峰值强度图5 第一组试样剪力一剪切位移 曲线 和残余强度都 比较明显 ，也较易确定，对于试样屈2．4 抗剪强度参数确定 服强度 的选取 ，建议以测量相对位移的辅助手段来以第一组试验为例 ，根据莫尔一库仑破坏准 确定 ，但是相对位移法对岩体沿混凝土剪切和结则 ，得到试验点的法向应力一剪应力关系曲线 ，见 构面直剪比较实用，而对岩体直剪试验可操作性不图 6。 42 工程勘 察 ation＆ 年第 12期∞ 舯 ∞ ∞ 加 ∞ 舳 ∞ ∞ 加 o由 ．r关系曲线 ，可以得知屈服强度和峰值强切面剪断，破坏面平直 ，剪切面上的应力计算准确 度线性关系基本一致 ，本次试验点屈服强度和峰值程度较高。 #

试验结果显示堆载式直剪试验是一种获 强度参数如表 1所示 。取堆积体剪切强度 的有效方法 ；(2)试验点选取上 ，本次试验所选取的试验点均分散在厂区强风化岩体较厚区域 ，试验点具有典型性和代表性 ，所得到的结论也具有广泛性 ；刍(3)从试验点试样的剪应力一位移 曲线可以看一魁出，剪切过程 中试样没有明显的弹性变形 阶段 ，施鹱尽加剪力时试体便进入应力强化阶段 ，在较小 的位移形变下试样 即达到峰值强度 ，试样沿底部形成贯通且较平整的剪切破坏面 ；(4)鉴于工程安全储备 ，设计时 ，强风化岩体一 般选取饱水状态参数 ，原位试验与室 内试验相比，更反映实际性质 ，而且原位试验强度参数值 明图6 第一组试样抗剪强度选取结果显高于室内试验 ，不但提高了工程可靠性 ，而且又原位试验结果汇总表表 1保证了工程的经济性。屈服强度峰值强度组号试验条件4 结语c (kPa) (。) C (kPa) (。)第一组天然 47 30 69 32本文提出运用堆载式直剪法来测试强风化岩体第二组天然 45 40 52 45的剪切强度，并通过野外现场试验验证 了测试方法第三组饱水 41 30 63 41的可行性。 #

多组试验及数据成果分析 ，基本认识 了第四组饱水 42 29 63 33强风化岩体 的剪切强度性质 ，得到更接近实际的强第五组天然 45 47 51 55第 六组饱水 44 40 68 44风化花岗岩体强度参数 ，不但保证了工程的安全可第七组天然 50 38 55 36靠性 ，还保证了工程的经济性。因此 ，原位试验不第八组天然 38 37 40 43但为强风化岩体性质研究提供 了手段，也拥有很大第 九组天然 52 46 58 49的工程实用性 ，减少 了不必要 的过于保守性。但第 十组饱水 33 37 36 45第 十一组饱水 44 42 52 43是 ，影响堆积体剪切强度的因素很多，例如强风化第 十二组饱水 32 38 38 41岩体土石的内在分布性状、块碎石 的尺寸效应和磨 所有试样平均值天然 46 40 54 43圆度、胶结程度、含水率和密实度等 ，还需要通过饱水 39 36 53 41大量 的原位试验来研究这些因素与强风化岩体剪切岩体强度实际使用时可以直接选用屈服强度或强度之间的规律性。

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者对峰值强度折减后再行采用 。原位试验和室内参 考 文 献 试验强风化花岗岩强度参数建议值如表2所示 ，可 见原位试验所得强度参数明显较高。[1] 中华人 民共和 国国家标准 ．岩土工程勘察规范 (—2001)[S]．北京 ：中国建筑工业 出版社 ，2001．强风化花 岗岩强度参数建议值表 2[2] 中华 人 民共 和 国行业 标 准 ．水利 水 电工程 岩 石试 验 规程 — — — 堕 ‘ l 苎 竺 !!!!!f竺!：(SL264—2001)[s]．北京 ：中国水利水 电出版社 ，2001．[3] 油新华 ，汤劲松 ．土石混合体野外水平推剪试验研 究 [J]．原位试验蓑 f4，6f ． 岩石力学与工程学报 ，2002，21(10)：1537 1540．[4] 《工程地质手册》编写委 员会 ．工程地质手册 [M]．北京：中国建筑工业 出版社 ，1992． 3 试验结果分析[5] 谭儒咬 ，胡瑞林等 ．虎跳峡工程区松散堆积体原位直剪试验研究 [J]．煤 田地质与勘探 ，2005，33(6)：53—55．(1)试验方法上，本次采用堆载提供法 向压[6] 中华人 民共 和国行业标准 ．土工试验规程 (SL237—1999) 力 ，避免了如千斤顶等其他加载方式所引起的剪切[S]．北京 ：中国水利水 电出版社 ，1999． 过程中的法向荷载偏心现象，而且堆载使直剪过程[7] 郑雨天 ．岩石力学试验建议方法 (上集)[M]．北京 ：煤炭工业出版社 ，1982． 中法向应力保持恒定。直剪试验试样沿底部预定剪 2009年 第 12期工程勘察 ation＆ 43 #