慢剪試驗

慢剪試驗是為了正確選取泥化夾層的抗剪強度參數，對水工建築物及其地基的穩定分析是致關重要的.為此，在勘測設計的過程中，給予了充分的重視.

基本介紹

• 中文名：慢剪試驗
• 外文名：Slow shear test
• 學科：土木工程
• 領域：建築
• 目的：正確選取泥化夾層的抗剪強度參數
• 範圍：勘測設計

簡介

小浪底壩址區的泥化夾層，多數是沿軟岩與堅硬砂岩接觸而發育，也有發生在軟岩中部或硬岩中部.一般是單層出現，少數是全泥化狀，軟岩厚度較大或軟岩具有多層時，有時為雙層或多層構造.泥化夾層的延伸長度，一般數十米或百餘米，部分厚層可達數百米.泥化夾層一般由泥化帶，類泥化帶和片理帶所組成，其中泥化帶呈泥質結構，由泥化程度較高的全泥型過渡到泥化程度較低的碎屑夾泥型，直至泥膜型結構.

泥化夾層抗剪強度參數的正確選取，對水工建築物及其地基的穩定分析是致關重要的.為此，在勘測設計的過程中，給予了充分的重視.曾先後做了一系列現場和室內試驗，現場抗剪強度試驗集中在T1岩組中具有代表性的泥化夾層中進行.雖然測試方法不斷改進和發展，取得了試件不擾動、限制夾泥膨脹條件下的抗剪強度參數，但由於當時抗剪試驗設備屬於應力控制式，剪下速率不能控制，只能進行快剪或固結快剪試驗.孔隙水壓力既不能在試驗過程中消散，也無法直接測定，孔隙水壓力對抗剪強度參數的影響無法確定.本次現場試驗，採用“七五”科技攻關課題中，新研製的岩體軟弱夾層慢剪試驗儀，控制剪下速率進行慢剪試驗.目的是取得泥化夾層中孔隙水壓力消散或基本消散的有效應力抗剪強度參數.為了與過去快剪試驗對比，試驗仍選在20#探洞中進行，與原來的2號支洞平行開挖4號支，對T1岩組的泥化夾層進行慢剪試驗.從1987年秋開始製件，到1988年冬結束現場試驗，歷時一年有餘.

試驗方法概述

1.試件製備

在試驗支洞底泥化夾層頂部保留40-50cm的岩層厚度.確定試點位置、澆築100 x100cm的薄層混凝土蓋板，設定檔梁，兩端用錨桿固定、錨桿深人到夾泥層以下50-60cm.然後沿混凝土蓋板周邊切割岩體直至夾泥層底面、製成試件、澆築混凝土外殼，這種製件方法即水利水電岩石試驗補充規程的外錨法.

在試件頂部，打埋設孔隙水測壓計孔，三排孔、每排三個、呈方格布置.孔徑38mm、孔深直至夾泥層頂部.

試件飽和，採用孔中注水和試件外築匯水，使夾泥層處於水面下，因製件與儀器研製加工同步進行，泡水期較長，達5-6個月才進行試驗.

2.儀器安裝

清理剪下縫周圍雜物和積水，採用透水性和變形與夾泥層相近的塑膠封閉剪下縫，並加以固定，提高法向承載能力，減少夾泥擠出.

埋設孔隙水測壓計，為便於測壓計回收，測孔採用膨潤土回填，接通孔隙水監測系統的有關線路.

安裝法向載入系統.在試件上部依次置放100 x 100 x 5cm的承載板，50 x 50cm的測力枕，70 x 70cm的滾軸排，法向油缸，傳力柱等，為避免停電造成的影響，補充安裝一台手動油泵.

安裝剪下載入系統.在試件剪下方向安裝剪下油缸，荷載感測器及球形接頭剪下橫樑等.

安裝測量系統.位移感測8支(其中:法向4支、剪向2支，側向2支).荷載感測器3個，即法向測力枕液壓感測器1支，剪向荷載感測器1支，滾軸拉壓感測器1支;孔隙水測壓計感測9支;上述20支感測器分別進人控制箱和數據採集系統.

3.試驗步驟

試驗前、系統檢查油路，電路、控制系統及測量系統等，使之處於待用狀態.同時，沖洗孔隙水測壓系統、排除管路中的氣體、使之處於待用狀態.

施加法向荷載，使試件下的夾泥層達到壓縮穩定，此次試驗中法向荷載分別為200,400, 600, 800kN.每一試點又分四級施加，即每lOmin載入一次，在達到最後一組荷載時，每小時一次，直到壓縮穩定，其穩定標準，定為每小時壓縮量小於O.OOSmm.試件固結後，折除試件製備時安裝的錨桿的檔梁，同時清理剪下縫中的封閉填料.

施加剪下荷載，採取速率控制，初始剪下速率為0.075mm / h，臨近峰值時為1-4mm / h，峰值後穩定值時為8-12mm / h，最大剪下位移控制40-SOmm左右.

數據採集，採用自動採集的方式，法向固結階段每小時採集一次，剪下階段:低速時(0.075mm / h)每小時採集一次;中速(1-4mm / h)每半小時採集一次;高速((8-12mm / h)每lOmin採集一次.試驗結束後，將全部數據錄到磁帶上，然後在室內微機上整理列印，作為最後原始記錄成果.

試件固結的目的

試件固結的目的，在於使試件在法向荷載作用下讓夾泥層內孔隙水壓力充分消散.根據加拿大B.C水電局資料，認為孔隙水測壓計顯示出大氣壓力，即達到孔隙水壓力消散的目的.按他們的經驗，相當於這種情況的固結時間約7-l0d，國際岩石力學學會建議方法，是以試件法向壓縮量作為固結穩定標準.規定每支法向位移測表的變化速率在10min內小於0.05mm，達到固結穩定.我國水利水電岩石試驗規程的規定，大體上與國際岩石力學學會建議方法相似，其差別是對高塑性夾泥層的測讀時間改為15min.本次試驗資料表明，從壓縮量來看，法向位移的變化速率每小時不超過0.05min時，固結基本達到穩定.但總的來說固結時間要比B.C水電局的經驗短得多.

試件固結曲線

根據試驗實測資料，在對數紙上點繪固結曲線，推求固結度100%的T100時間，然後與相當於穩定剪應力的剪下時間對比.由此可見，達到穩定值的剪下時間為估算的T100的時間10倍以上。

國際岩石力學學會建議方法規定，對於“排水”試驗(慢剪)，尤其是充填粘土的不連續面進行試驗時，在到峰值強度的全部時間應超過固結曲線所規定的T100的6倍，這個規定是假定孔隙水壓力消散90%的條件下求得的，因此，本次試驗採用初始剪下速率為每小時0.075mm求得的剪應力，符合上述要求，可以認為是有效應力剪下試驗.

孔隙水壓力監測曲線

在試件中布設孔隙水測壓計、監測夾泥層的孔隙水壓力，主要是了解孔隙水壓力在固結和剪下過程中的消散情況.充分反映了:試件的變化過程，在固結階段當法向荷載施加後，孔隙水壓力急劇上升，然後逐漸消散，試驗中由於儀器故障，法向荷載退零後重新載入，孔隙水壓力明顯反映出二次上升和消散，而且二次載入時升幅低於第一次，說明孔隙水壓力已有部分消散，壓力減弱，固結完成後、孔隙水壓力殘存0.0025MPa，已接近大氣壓力，在剪下過程中，孔隙水壓力變化極小，最大不超過0.0025MPa，這就證明，本次試驗的固結階段達到了孔隙水壓力消散的目的，剪下階段是孔隙水壓力消散的條件下進行，應當屬於有效應力剪下試驗.

從室內資料與現場成果比較，可以看出:室內固結飽和慢剪的廠值大於固結飽和決剪廠位:室內原狀樣、重塑樣的快慢剪值，都大於現場慢剪廠值.其主要原因在於:現場泥化夾層抗剪試驗的破壞面，多發生在夾泥與岩體的接觸帶，而這些接觸帶表現的形式較多，主要的一種是尚未完成泥化的粘土岩片狀或鱗片狀結構，加上含水量的影響，抗剪強度就較低，常常低於夾泥本身的抗剪強度.由於結構上的因素以及地質代表性等因素的影響，室內試驗成果只能作為分析論證的輔助資料.它還不能完全表達岩體軟弱夾層的實際抗剪力度.

總結

1新研製的岩體軟弱夾層慢剪設備，通過現場試驗的檢驗，證明其性能達到設計要求，可以用於現場軟弱夾層慢剪試驗，但伺服系統包括伺服閥、過濾器、液壓油等必須配套使用，否則易發生堵塞現象，影響試驗進程.目前控制系統電子元件耐久性能不夠，防潮措施也不夠嚴密需進一步改進.

2軟弱夾層慢剪試驗，採用每小時超過0.005mm的壓縮量作為固結穩定標準，以每小時0.075mm的初始速率施剪，夾泥層中的孔隙水壓力基本消散，試驗成果可以作為有效應力抗剪強度參數.

3 T1岩組的泥化夾層中，現場慢剪試驗成果C= 0.005MPa,廠與常規快剪比較灌提高31.6%，與限制夾泥膨脹快剪比較，f值提高8.7 % .

4從應力一位移曲線分析，本次試驗有部分試點峰值不明顯，可能與埋設孔隙水測壓計數量過多、人工打孔等因素有關.

5取夾泥層的原狀和散狀樣，作室內原狀，重塑快慢剪下試驗是必要的，是資料分析論證的一項重要手段，其成果也是重要的參考資料.

6本次試驗歷時較長，每一個試件從壓縮固結到剪下結果，長達80-90h，對儀器設備防潮、電力供應都有很多困難，都需要專題解決.看來備用電源是必不可少的，對電子儀器的防潮性能還有待於進一步提高.