侯艳玲，石豫川，李大鑫

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059）

某水电站坝址左岸堆积体强度参数试验研究

侯艳玲，石豫川，李大鑫

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059）

以某水电站坝址左岸堆积体为例，采用室内土工试验中大剪试验和三轴试验2种试验方法，测得碎石土的抗剪强度参数并进行对比分析。试验结果表明，三轴试验比大剪试验测得的碎石土抗剪强度参数值更真实、准确。并进一步提出2种试验结果的适用条件：大剪试验中的快剪适用于渗透系数小、受荷速度快的高塑性粘土，各向异性且剪破面未知的土体不宜采用快剪，对于渗透性较强的粗粒土，快剪的结果较三轴试验差异较大；三轴试验中的不固结不排水试验适合于一般粘性土、砂类土，但特易扰动土除外，其试验结果较接近实际。

碎石土；大剪试验；三轴试验；抗剪强度

边坡稳定性问题是水电站坝址区研究的重点，边坡的破坏大多属于剪切破坏，与土的抗剪强度直接相关。不同的试验方法测得土的抗剪强度有所差异，因此，正确测定土的抗剪强度具有重要意义。某水电站坝址左岸堆积体物质组成为碎石夹角砾土，根据经验参数进行稳定性验算的结果与宏观地质判断不符，因而有必要对碎石土的抗剪强度进行深入的试验研究。岩土工程勘察中通常要求采用大剪快剪或三轴不固结不排水试验测定土的抗剪强度指标，本文以某水电站坝址左岸堆积体为例，应用上述2种试验方法对试验结果进行对比分析，得到准确的抗剪强度参数，为评价碎石土的抗剪强度提供依据，并提出2种试验结果的适用条件。

1 工程概况

水电站坝址位于大渡河中游，河谷形态受岩性控制，峡谷发育，枯水期河床宽70～80 m，正常蓄水位处河谷宽161～175 m。区内山势陡峻，岭谷高差多在1 000 m以上，由于区域性地壳抬升，伴随着强烈的构造抬升作用，河谷迅速下切，侵蚀基准面也进入快速下切期。河流循宽谷期后期的河道快速下切，形成深切河流地貌，沿河阶地保存较少；根据区域地质资料，峡谷期河谷下切速率平均为1.8 mm／a。由于河谷狭窄，谷坡陡峻，下切导致边坡前缘临空，随着前缘临空面高度的加剧，形成了前陡后缓的地貌形态（见图1），前部悬崖陡峭，坡度达70°以上，高度达300 m以上；后部坡度约35°，谷坡岩体因卸荷及应力重分布的影响易发生相应的变形破坏，导致重力地质灾害形成。

图1 工程区地貌形态Fig.1 Project area topography

勘察资料表明，坝址左岸分布约200×104m3松散堆积体，岩性主要为二叠系下统栖霞组（P1q）生物碎屑灰岩和上统茅口组（P1m）生物碎屑灰岩，偶夹粉砂质钙质页岩及燧石结核，900 m高程以上为玄武岩。堆积体物质组成主要为碎石夹角砾土，其物理性质指标和颗粒组成分别见表1和图2。

表1 碎石土物理性质指标Table 1 Indicators of physical properties of rubble soil

堆积体稳定与否，与坝址区工程建筑布置密切相关，一旦失稳，将危及枢纽建筑的安全。在了解堆积体结构特征的基础上，选取勘探平硐三层碎石土进行代表性取样，共9组。采用大剪试验和三轴试验测得天然、饱水状态下碎石土的抗剪强度参数，并对2种试验的结果进行对比分析，确定碎石土的抗剪强度参数，为科学评价堆积体稳定性提供必要条件。

图2 级配曲线Fig.2 Grading curve

2 室内试验成果与分析

土的抗剪强度参数包括内摩擦角φ和粘聚力C，这2项指标是评价边坡稳定性的重要依据。对堆积体取样进行大剪试验和三轴试验各3组，获得天然、饱水状态下碎石土的抗剪强度参数，对比分析2种试验结果，提出2种试验结果的适用条件。试验过程中，试样的制作和操作方法均严格遵守《土工试验方法标准》（GB／T50123－1999），按粗粒土的试料制备规定进行试料制备，根据试验要求的重度、含水量和试样尺寸，计算并称取所需的试验用料。

试验中制备饱和试样时，所需加水量按饱和重度配水公式计算（见式（1）、式（2）），将计算好的配水量均匀喷洒于土样上，充分搅拌后装入容器内盖紧，分别测定润湿土样的含水率，得到所需的饱和状态含水率。

式中：Ww为所需加水量（kg）；W为风干土质量（kg）；W0为风干含水量（%）；W′为要求含水量（即饱和含水量，%）；Δs为比重；γd为干重度（kN／m3）；γt为天然重度（kN／m3）；Wt为天然含水率（%）。

2.1 大剪试验

大剪试验选用快剪，采用应力式大型直接剪切仪（见图3）。先在剪切盒上安放开缝环并开缝，然后将剪切盒放上，并用固定插销定位。将称好的试料拌匀后分层装入剪切盒内（一般3～5层），需刨毛表面后，再装第二层，并分层击实。每组试样制备4个试样，试样规格为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%。试样表面依次放上透水板、传压板、垂直千斤顶与传力柱等，再安装2～4个垂直量表，摇动千斤顶使各部分接触并记录量表起始读数。在5级不同垂直压力下（0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 MPa）进行剪切试验，每次施加额定的垂直压力，使其在整个试验过程中保持恒定。安装完毕后，拆除剪切盒固定插销和开缝环，施加水平剪力，每30 s加一级。当水平压力表读数不再上升或剪切变形急骤增长，即认为已剪损。若无上述2种情况出现，可控制剪切变形达剪切盒直径1／10以上，方可停止试验。

图3 应力式大型直接剪切仪Fig.3 Large-scale direct shear stress-type instrum ent

2.2 三轴试验

工程经验表明，与大剪试验相比三轴试验具有以下优点：①可以控制试样排水条件，特别是对含水量高的粘性土快剪试验；②空间受力，且可以控制大、小主应力；③剪切面不固定，土样能沿最弱面破坏；④可以准确测定土的孔隙水压力和体积的变化。

三轴试验选用不固结不排水剪，采用应力路径控制三轴剪切试验机（见图4）。每组至少制备3个试样，试样直径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%。对应围压σ3分别为200，400，600 kPa，最大一级围压与最大的实际荷重大致相等。在压力室底盘放透水板、圆形的无纺布滤布，检查橡胶膜不漏气后，在底盘外面套上橡胶膜，用乳胶管依次捆扎好橡胶膜。在橡胶膜外面安装并固定对开试样成形筒。在试样与橡胶膜间垫一圈3～5 mm厚的橡胶板。将称好的试样拌匀后分层装入橡胶筒内（一般6～12层），需刨毛表面，再装第二层，并分层击实，直至最后一层，整平表面，加上透水板滤布、试样帽、扎紧橡胶膜，连接试样帽至压力室底盘的真空抽气管道软管。起动真空泵抽气使试样内部形成－0.06～－0.08 MPa的负压，使试样直立，去掉试样成形筒。将压力室底盘推入压力室外壳下，对准压力室底盘的定位销孔，安装旋紧压力室外壳与底盘的连接螺栓，使压力室与油缸中心对齐，之后向压力室内注满水。按200，400，600 kPa分别施加围压，以2 mm／min的剪切速率进行三轴试验。每次试验保持围压和剪切速率恒定，剪切时间为60 min。剪切至测力计读数稳定，当测力计读数无峰值时，剪切应进行到轴向应变为20%，即剪切位移为120 mm时终止。

图4 应力路径控制三轴剪切试验机Fig.4 The triaxial shear testing machine on stress path control

2.3 试验成果对比分析

大剪试验中快剪与三轴试验中不固结不排水剪的剪切方法相当，2种试验测得碎石土的抗剪强度参数见表2。分别绘制天然、饱水状态下大剪试验垂向压应力-水平剪应力关系曲线（见图5，图6）及三轴试验正应力-剪应力关系曲线（见图7，图8）。

表2 大剪和三轴试验抗剪强度参数成果表Table 2 Large shear and triaxial test resu lts of shear strength parameters

通过抗剪强度参数成果表对比可看出，天然、饱水状态下2种试验的抗剪强度参数存有较大的差异。具体表现在：与三轴试验相比，大剪试验的C值较小，但φ值较大。因为直剪仪除剪切面固定，其面积随剪切位移的增加而减小等缺点外，最主要的缺陷在于剪切过程中不能严格控制试样排水，部分水分从剪切盒缝隙排出，使得内摩擦角φ值偏大；而三轴试验的剪切面是不固定的，剪切面是试样抗剪能力最弱的面，且能严格控制排水，试验结果更接近于土样的实际值。因此，对渗透性较大的碎石土来说，选用直剪仪进行试验难以获得准确的抗剪强度参数。

土工试验规程（SL237－021－1999）指出，对渗透性较大的土来说，进行快剪试验时，所得结果用库仑公式表示时，具有较大的内摩擦角。因此，三轴试验成果比大剪试验成果更为合理、准确，采用三轴试验测得碎石土的抗剪强度参数对堆积体进行分析评价。

图5 天然大剪垂向压应力-水平剪应力曲线Fig.5 Large shear vertical curve of stress-pressure and the level of shear stress in natural condition

图6 饱水大剪垂向压应力-水平剪应力曲线Fig.6 Large shear vertical curve of stress-pressure and the level of shear stress in saturated condition

图7 天然三轴正应力-剪应力曲线Fig.7 Triaxial stress-shear stress curve in natural condition

图8 饱水三轴正应力-剪应力曲线Fig.8 Triaxial stress-shear stress curve in saturated condition

3 结 语

（1）与大剪试验相比，三轴试验测得碎石土的抗剪强度参数值内摩擦角φ较小，粘聚力C值较大。

（2）三轴试验比大剪试验测得碎石土抗剪强度参数值的精确度要高。

（3）大剪试验中的快剪适用于渗透系数小、受荷速度快的高塑性粘土；各向异性且剪破面未知的土体不宜采用快剪；对于渗透性较强的粗粒土，快剪的结果较三轴试验差异较大。

（4）三轴试验中的不固结不排水试验适合于一般粘性土、砂类土，但特易扰动土除外。尽管三轴试验造价高、试验周期长和操作复杂等，但其试验结果较接近实际，尤其是重要工程应进行三轴试验，以保证试验结果的真实、准确，使其在保证安全的条件下充分利用土的强度，降低工程造价。

（5）在选用试验方法和条件时，应充分考虑工程所受载荷方式和排水条件。快剪适用于土体受力而孔隙水压力不消散的情况，如受荷速度快、排水条件差的土体；固结不排水剪则适用于土体在某一压力下固结稳定后，突然受荷情况；固结排水剪则适用于受荷速度缓慢，排水条件好的土体。

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（编辑：周晓雁）

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

侯艳玲（1984-），女，吉林桦甸人，硕士研究生，主要从事地质灾害评价与预测研究，（电话）15982043251（电子信箱）houyanling20032300＠126.com。