黄河古贤水利枢纽工程室内岩石三轴压缩强度试验和直剪试验的对比研究（方旭东,王增玉,刘信勇）

［关键词］三轴压缩强度试验直剪试验凝聚力内摩擦角

1 工程概况

古贤水利枢纽工程位于黄河中游北干流碛口至禹门口河段，是黄河干流七大骨干工程之一，以防洪减淤为主，兼顾发电、供水和灌溉，是黄河水沙调控体系的重要组成部分，具有承上启下的战略地位。

工程位于国家重点名胜风景区壶口瀑布上游约10.1km 处，坝址左岸为山西省吉县，右岸为陕西省宜川县。碛口至禹门口河段位于晋陕峡谷下段，区间流域面积6.7 万km2，主要为黄土丘陵沟壑区。工程等别为I 等，工程规模为大(1)型。坝段位于华北地层区，陕甘宁蒙盆地地层分区，鄂尔多斯台向斜的东南边缘，总体上为一走向10～40°、倾向NW、倾角0~1°30’的单斜构造，地层平缓，区内主要有4 组发育的构造节理，3 条构造破碎带。坝段内基岩在岩性结构上为厚层、中厚层长石砂岩与泥质粉砂岩、粉砂质粘土岩互层，软岩、硬岩呈相间分布。坝址内泥化夹层普遍存在，是主要工程地质问题之一。

2 试验概况

2.1 试件情况

试件取自黄河古贤水利枢纽工程项目建议书阶段坝基钻孔岩芯，其岩性为泥质粉砂岩，试件为饱和状态，每组试验所需标准试件5 块。

3 试验方法

3.1 三轴压缩强度试验

三轴压缩强度试验是指三向应力状态下岩石所承受的能力。三轴压缩强度试验是在三向应力状态下测定岩石的强度（C、φ值），采用常规三轴，即σ1＞σ2=σ3，侧向压力相等。在试验中侧向压力大小的选择是根据该工程的需要、岩石特性和三轴试验机的性能确定的，并按等差级数进行分级，在不同侧向压力下施加轴向压力直至试件破坏。考虑到水利工程的需要，试样均采用饱和状态。按下列公式计算不同侧压力下的轴向应力。

式中：σ1——不同侧压力下的轴向应力（MPa）；

P——试件轴向破坏荷载（N）；

A——试件截面积（mm2）。

3.2 直剪试验

岩石的直剪强度是指岩石抵抗剪切破坏（滑动）的能力。本次试验采用平推法，将试件在所选定的平面内进行剪切，提供峰值强度为抗剪断强度。试验时，先在试件上施加法向荷载P,然后在水平方向逐级施加水平剪切荷载Q，直至试件发生破坏为止。用同一组试样、不同的法向荷载进行多次试验，可得出不同的法向荷载下的剪切荷载，绘制σ～τ关系曲线，即可得出岩石的直剪强度指标（C、φ值）。法向荷载的最大值为工程压力的1.2 倍。

其中法向应力和剪应力按下列公式计算：

式中：σ——法向应力（MPa）；

τ——剪应力（MPa）；

P——法向荷载（N）；

Q——剪切荷载（N）；

A——有效剪切面积（mm2）。

3.3 试验要点

（1）三轴压缩强度试验中一定要注意防油技术：压力油是否渗入岩石中对测试结果有着直接的影响。

（2）直剪试验中受剪方向应与工程岩体受力方向一致，方向荷载和水平荷载作用方向应通过预定剪切面的几何中心，法向和切向位移表都不少于两个（共4 个），对称布置。

3.4 三轴压缩强度试验和直剪试验的区别

三轴试验是一种三维应力状态下的应力，而直剪试验是平面状态下的应力。三轴试验可在一定程度上弥补直剪试验剪切面上应力分布不均的问题，但三轴试验的结果和意义与直剪不尽相同，这主要是直剪试验预定了剪切面，而三轴试验却不是。

4 试验成果分析

本次试验共对16 组泥质粉砂岩在三轴压缩强度试验和直剪试验中所得出的C、φ值进行分析、对比，得出之间的关系曲线，见表1 和表2。

从表1 中可以看出三轴压缩强度试验中C 的最大值为7.79、最小值为1.54、平均值为4.63，φ值的最大值为52.4、最小值为40.8、平均值为45.0。从表2 中可以看出直剪试验中C 的最大值为6.30、最小值为1.53、平均值为3.73，φ值的最大值为57.9、最小值为40.5、平均值为48.7。

5 测试结果对比

5.1 三轴压缩强度C 值与直剪C 值的关系

根据表1 和表2 的三轴压缩强度C 值和直剪C 值，将两种试验的C 值分别绘在坐标系上，得到他们的关系曲线图见图1，用最小二乘法进行回归分析，求得相应的关系如下：

其中： Y 为直剪C 值，X 为三轴压缩强度的C 值。

5.2 三轴压缩强度φ值与直剪φ值的关系

根据表1 和表2 的三轴压缩强度φ值和直剪φ值，将两种试验的C 值分别绘在坐标系上，得到他们的关系曲线图见图2，用最小二乘法进行回归分析，求得相应的关系如下：

Y=0.7907X+13.074

其中：Y 为直剪φ值，X 为三轴剪切的φ值。

6 结论与建议

（1） 根据测试结果可以看出，两种试验的C、φ值存在一定的对应关系，但是C 值的离散性太大，φ值的关系相对较好。

（2） 试验结果分析，三轴压缩强度试验所得到的C 值平均值大于直剪试验，而φ大致相同。