王剛++嚴(yán)明

摘 要：在工程建設(shè)中，非飽和土體的抗剪強(qiáng)度值以及內(nèi)摩擦角的求取具有重要意義。為了精確求得該值，現(xiàn)在常用的方法有室內(nèi)土工試驗(yàn)及原位試驗(yàn)。相對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)，原位試驗(yàn)?zāi)軌蜃畲笙薅鹊谋３滞恋脑粻顟B(tài)，并且受剪面非人為選取，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)更具有代表性。文章介紹一種原位鉆孔剪切試驗(yàn)，利用美國(guó)生產(chǎn)的BST原位鉆孔剪切儀來(lái)實(shí)地測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度。主要介紹試驗(yàn)裝置、工作原理、操作步驟及結(jié)論和建議，為原位求得內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角提供了新的思路和方法。

關(guān)鍵詞：鉆孔剪切試驗(yàn)；剪切強(qiáng)度；原位測(cè)試

1 概述

非飽和黃土內(nèi)聚力的選取及確定在工程應(yīng)用上的重要性不言而喻，目前求得該值的方法一般分為室內(nèi)土工試驗(yàn)以及原位測(cè)試。相比于室內(nèi)試驗(yàn)，原位測(cè)試由于在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，不存在運(yùn)輸過(guò)程中輕微擾動(dòng)的影響，不存在含水率及容重的變化，能夠保持土體天然結(jié)構(gòu)及狀態(tài)，因而更能反映其真實(shí)抗剪強(qiáng)度。

20世紀(jì)八九十年代，R.L.Handy[1]在多年的巖土體工程力學(xué)特性求取經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研發(fā)出了一種鉆孔剪切儀，在現(xiàn)場(chǎng)鉆孔就能進(jìn)行巖體直剪試驗(yàn)，不僅能進(jìn)行土體試驗(yàn)，還能適用于軟～中硬且較為完整的巖土體中。由于其快速并且不同角度獲得剪切參數(shù)的特性，該項(xiàng)技術(shù)迅速擴(kuò)展開(kāi)來(lái)。法國(guó)、美國(guó)等國(guó)家已成功的將鉆孔剪切試驗(yàn)應(yīng)用于沙土、淤泥、海相軟黏土、粘土、硬粘土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)選取中，同時(shí)也應(yīng)用于分析高邊坡穩(wěn)定性及樁基承載力等。

2009年，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院成功引進(jìn)了愛(ài)荷華大學(xué)研制的巖石鉆孔剪切儀，在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)混凝土模型進(jìn)行了鉆孔剪切試驗(yàn)，并利用數(shù)值模擬仿真工具對(duì)鉆孔剪切儀試驗(yàn)機(jī)制進(jìn)行了細(xì)致的分析，進(jìn)而成功地應(yīng)用于向家壩水電站壩基巖體中[2]。文章著重介紹原位鉆孔剪切儀的使用、試驗(yàn)原理以及數(shù)據(jù)處理等，并在臨潼非飽和黃土場(chǎng)地進(jìn)行應(yīng)用嘗試。

2 試驗(yàn)原理及方法

2.1 基本原理

（1）庫(kù)倫公式。庫(kù)倫將土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)概括為滑動(dòng)面上的法向總應(yīng)力的函數(shù)，公式如下所示：

庫(kù)倫理論中土體的抗剪強(qiáng)度影響因素主要為土的內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角。上述公式可知無(wú)粘性土的抗剪強(qiáng)度主要取決于土粒表面的粗糙程度以及土粒交錯(cuò)排列的情況。對(duì)粘性土則相對(duì)復(fù)雜，抗剪強(qiáng)度由凝聚分量以及摩擦分量?jī)刹糠纸M成[3]。

2.2 試驗(yàn)原理

鉆孔剪切儀示意圖見(jiàn)圖1，加壓裝置用液壓千斤頂或手動(dòng)加壓來(lái)施加正應(yīng)力，其中主要裝置為剪切頭（見(jiàn)圖2），由兩塊弧形半圓剪切板構(gòu)成，大小2.5cm×2.0cm，剪切板外側(cè)有一排水平齒狀突起，剪切板內(nèi)部有帶動(dòng)其擴(kuò)張和回縮的活塞。使用時(shí)加壓，使活塞帶動(dòng)剪切板向外擴(kuò)張，嵌入鉆孔兩側(cè)巖土體中，嵌入面積約4cm2，然后施加垂直法向力使其向上滑動(dòng)，從而形成剪切作用。

原位鉆孔剪切試驗(yàn)其實(shí)就是沿著兩側(cè)薄層巖片的強(qiáng)制直剪破壞試驗(yàn)。試驗(yàn)中，剪切板嵌于巖土體中的面積為A，法向力和連桿的提拉力分別為P和T，則其正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為

鉆孔剪切過(guò)程中，每一剪切完成，卸除剪應(yīng)力，對(duì)孔壁施加更大的固結(jié)應(yīng)力，重復(fù)上述剪切工作，每次施加一個(gè)法向應(yīng)力就對(duì)應(yīng)一個(gè)抗剪強(qiáng)度。根據(jù)以往的數(shù)據(jù)處理方法，采用最小二乘法來(lái)繪制關(guān)系曲線圖來(lái)求取抗剪參數(shù)。

式中n 為所做直剪試驗(yàn)組數(shù)；f內(nèi)摩擦因數(shù)；c黏聚力；？滓i、？子i分別為各直剪試驗(yàn)正應(yīng)力與剪應(yīng)力[4]。

3 成果分析

3.1 土的基本物理性質(zhì)

此處為黃土高原南部邊緣地帶。該處位于渭河河流階地，古土壤界限清晰，發(fā)育完整，較完成的保存了全新世以來(lái)的環(huán)境信息，因而具有代表性[5]。本次試驗(yàn)場(chǎng)地表層浮土約厚5cm，呈疏松狀，有磚塊或混凝土雜質(zhì)，人類(lèi)活動(dòng)明顯。第2層為棕紅色土壤，異常堅(jiān)硬，亞砂土質(zhì)，大空隙少，土體呈棱柱狀，偶含鐵質(zhì)粘土膠膜，厚約0.4m。第3層為灰黃色黃土，松散狀，硬度減小，發(fā)育有不規(guī)則團(tuán)粒，偶見(jiàn)菌絲狀CaCO3，厚度約為1.3m，本次試驗(yàn)集中在此層。鉆孔實(shí)拍圖見(jiàn)圖3。

3.2 試驗(yàn)結(jié)論

利用BST原位鉆孔剪切儀對(duì)西安臨潼地區(qū)黃土進(jìn)行原位鉆孔剪切，試驗(yàn)結(jié)果分析整理見(jiàn)圖4。

試驗(yàn)過(guò)程中，各級(jí)壓力下剪切耗時(shí)約2min，當(dāng)位移為2mm左右時(shí)，剪切應(yīng)力達(dá)到峰值，繼續(xù)剪切則應(yīng)力變小，形成一個(gè)較穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度。根據(jù)相關(guān)系數(shù)可以看出法向壓力與剪切應(yīng)力的相關(guān)性較好，位于同一土層且含水率接近的試驗(yàn)點(diǎn)，數(shù)據(jù)離散性較小。由于本次試驗(yàn)試驗(yàn)深度相對(duì)較小，研究范圍內(nèi)無(wú)鎖孔現(xiàn)象。鉆孔剪切試驗(yàn)結(jié)果顯示，該處黃土內(nèi)聚力均在10KPa左右，內(nèi)摩擦角在24°左右。在成孔質(zhì)量較高的黃土地層，同一深度不同方向，不同深度之間均可以快速取得大量可靠數(shù)據(jù)，繪制圖形后即可分析得出強(qiáng)度參數(shù)，從而在實(shí)際中運(yùn)用中為原位測(cè)試提供了新的途徑。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

（1）根據(jù)本次臨潼黃土試驗(yàn)結(jié)果可知，鉆孔剪切的法向壓力與剪切應(yīng)力之間相關(guān)性好，通過(guò)擬合方法可快速確定非飽和黃土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，可在較小范圍內(nèi)得到大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2）BST原位鉆孔剪切儀適用于各種黃土類(lèi)型的黃土原位鉆孔剪切試驗(yàn)，鉆孔和剪切面可以按照實(shí)驗(yàn)方案來(lái)設(shè)計(jì)，可以容易的測(cè)得原位黃土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

（3）剪切強(qiáng)度與鉆孔深度基本呈正相關(guān)，內(nèi)聚力離散性比內(nèi)摩擦角大。

（4）黃土原位鉆孔剪切儀可以在打鉆完畢后立即開(kāi)始試驗(yàn)，因而效果好，并且可以測(cè)得不同深度數(shù)據(jù)點(diǎn)，也就是較短時(shí)間可以測(cè)得較多數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)確定最終強(qiáng)度。

4.2 建議

（1）鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中一定要保持鉆孔的垂直度，不然剪切時(shí)容易造成剪切面過(guò)小等原因?qū)е聰?shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。

（2）剪切試驗(yàn)操作時(shí)應(yīng)該準(zhǔn)確，迅速，因?yàn)榧羟邪迳淆X嵌入土體中會(huì)影響土壁完整性，進(jìn)而影響試驗(yàn)結(jié)果。

（3）現(xiàn)有鉆孔剪切試驗(yàn)尚無(wú)法量化排水條件（如排水、不排水、部分排水）以及剪切過(guò)程的孔壓變化對(duì)求取黃土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響。因此若能在這些方面改進(jìn)該試驗(yàn)儀器，那么試驗(yàn)結(jié)果定能更加實(shí)用有效。

參考文獻(xiàn)

[1]HANDY R L，PITT H H，ENGLE L E，et al. Rock borehole shear test[C]//Proceedings of the 17th Symposium on Rock Mechanics. Snowbird，Utah：[s. n.].1986：1-11.

[2]中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.向家壩水電站二期工程壩基工程地質(zhì)條件復(fù)核評(píng)價(jià)專(zhuān)題報(bào)告[R].長(zhǎng)沙：中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2009.

[3]常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)[M].4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006：252.

[4]賈志欣，汪小剛，趙宇飛.巖石鉆孔原位測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用與改進(jìn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（6）：1264-1269.

[5]劉琳.臨潼區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)與評(píng)價(jià)[D].西安：西安科技大學(xué)，2008.

作者簡(jiǎn)介：王剛，男，河南鄭州人，成都理工大學(xué)在讀碩士，地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)，主要從事地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)工作。