花崗巖殘積土的室內(nèi)直剪與原位孔內(nèi)剪切對比試驗(yàn)研究

尹 松， 白林杰， 李新明

(中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

花崗巖殘積土在我國南方濕熱地區(qū)分布廣泛。由于特殊的成土過程，花崗巖殘積土具有極易擾動、遇水成泥等特性[1]。工程設(shè)計(jì)及施工時易出現(xiàn)強(qiáng)度參數(shù)選取不合理、力學(xué)性能評價失準(zhǔn)現(xiàn)象[2]。另外，花崗巖殘積土的物理力學(xué)性狀受氣候條件、地形地貌及風(fēng)化程度等因素影響顯著，具有明顯的區(qū)域特性[3]，對其力學(xué)性能參數(shù)的評價不宜通過理論公式推算或直接套用其它地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)。有必要結(jié)合現(xiàn)場原位及室內(nèi)土工試驗(yàn)方法，對比分析土的力學(xué)性能表征參數(shù)，合理評價其強(qiáng)度性能。

目前，土的剪切強(qiáng)度參數(shù)室內(nèi)測定方法主要包括直接剪切和三軸試驗(yàn)[4-5]；現(xiàn)場原位的直接或間接測定方法主要為原位推剪[6]、孔內(nèi)剪切[7]、十字板剪切[8]及各類載荷試驗(yàn)方法[9]。室內(nèi)試驗(yàn)由于存在尺寸效應(yīng)、土樣擾動、應(yīng)力釋放及加載邊界條件差異等不足，難以準(zhǔn)確評價土的力學(xué)參數(shù)。而原位試驗(yàn)雖然可以彌補(bǔ)常規(guī)室內(nèi)土工試驗(yàn)方法的諸多不足，但受現(xiàn)場條件限制明顯。如何結(jié)合室內(nèi)及現(xiàn)場測試方法，提出合理的土體力學(xué)參數(shù)評價方法已成為廣大巖土工作者們關(guān)注的重點(diǎn)。研究者們也已在土體剪切強(qiáng)度特性的室內(nèi)及現(xiàn)場對比研究方面展開了大量研究，相關(guān)方法及理論得到了不斷地發(fā)展及驗(yàn)證。如溫勇[4]等通過對比花崗巖殘積土的室內(nèi)直剪及現(xiàn)場壓板載荷、標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為壓板載荷試驗(yàn)、標(biāo)貫試驗(yàn)可以合理確定花崗巖殘積土的力學(xué)參數(shù)；王友軍[6]等通過分析粘土及砂土的室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)與原位剪切試驗(yàn)指標(biāo)存在一定線性關(guān)系；楊果林[10]等采用原位推剪和室內(nèi)直剪試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了飽和度及密實(shí)度對白色膨脹土強(qiáng)度變化的影響規(guī)律，為土體強(qiáng)度參數(shù)的準(zhǔn)確評價及提高地基設(shè)計(jì)理論水平提供了基礎(chǔ)條件。然而，直剪試驗(yàn)具有測試簡單、原理清晰的優(yōu)點(diǎn)，已成為工程建設(shè)中土體強(qiáng)度參數(shù)的主要室內(nèi)測試方法之一；原位孔內(nèi)剪切試驗(yàn)由于可在原位鉆孔試驗(yàn)，具有儀器便攜、與室內(nèi)直剪試驗(yàn)原理相似、操作簡便等優(yōu)勢，已經(jīng)在邊坡的穩(wěn)定性評價、鐵路和公路地基承載力評估及滑坡推力等方面廣泛應(yīng)用，但目前關(guān)于室內(nèi)直接與原位孔內(nèi)剪切試驗(yàn)的相關(guān)對比試驗(yàn)及理論分析研究較少。此外，花崗巖殘積土屬區(qū)域性特殊土，各地區(qū)土體工程特性差異明顯，而關(guān)于花崗巖殘積土剪切特性的室內(nèi)及現(xiàn)場對比分析研究也鮮見報(bào)道，有必要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)積累和針對性分析。

綜上所述，本文對臺山花崗巖殘積土進(jìn)行現(xiàn)場原位孔內(nèi)剪切試驗(yàn)，分析剪切強(qiáng)度指標(biāo)隨風(fēng)化程度(深度)的變化規(guī)律；對不同深度土樣進(jìn)行室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)，對比分析原位孔內(nèi)剪切與室內(nèi)直剪試驗(yàn)所得強(qiáng)度及參數(shù)的差異規(guī)律及影響機(jī)理。研究可為花崗巖殘積土分布帶的工程設(shè)計(jì)及施工場地評價提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)土樣及試樣方法

1.1 試驗(yàn)場地及土樣性質(zhì)

現(xiàn)場原位孔內(nèi)剪切(BST)及室內(nèi)試驗(yàn)取土場地位于廣東省臺山市，場地布置如圖1所示。通過室內(nèi)土工測試得到土的基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1。整體而言，臺山花崗巖殘積土的液、塑限較高，沿深度方向土樣的液塑限、密度略有降低，孔隙比逐漸增加。

圖1 試驗(yàn)場地布置圖Figure 1 Test curve of cone penetration

表1 花崗巖殘積土基本物理特性指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of residual soil深度/m天然密度ρ/(g·cm-3)比重Gs/(g·cm-3)孔隙比e0含水率w/%液限wL/%2.0～4.0 1.862.770.99330.2069.94.0～6.01.772.731.15738.3061.06.0～10.01.762.731.17540.2057.1塑限wP/%顆粒組成/%細(xì)礫>2 mm砂粒0.075～2 mm粉粒0.075～0.005 mm粘粒<0.005 mm38.313.525.529.631.429.13.035.141.120.530.74.633.445.916.1

1.2 試驗(yàn)儀器與方法

1.2.1原位孔內(nèi)剪切試驗(yàn)

原位試驗(yàn)所采用孔內(nèi)剪切試驗(yàn)儀器(BST)由美國Handy公司生產(chǎn)，主要由控制箱、剪切盤、剪切測試探頭3部分組成，由外部氣源提供壓力，如圖2所示。剪切探頭徑向膨脹起始范圍為75～90 mm。

試驗(yàn)過程中，外部氣源與控制器相連，借鑒Wineland[11]所提出的BST試驗(yàn)方法，試驗(yàn)過程主要包括以下步驟： ① 將帶有水平鋼齒的剪切測試探頭放置于鉆孔中不同深度位置； ②由控制器調(diào)節(jié)施加徑向壓力σ固結(jié)，水平鋼齒插入到孔壁巖土體中； ③ 保持徑向壓力不變，向上提拉探頭，并由剪切盤記錄最大拉力F； ④ 當(dāng)探頭鋼齒的分布面積已知時，可求相應(yīng)徑向壓力σ下的剪切強(qiáng)度τ。往復(fù)如此，計(jì)算每級徑向應(yīng)力下σi及剪切強(qiáng)度τi，根據(jù)莫爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則可計(jì)算得到相應(yīng)深度處土的剪切參數(shù)c、φ值。

原位孔內(nèi)剪切所施加的徑向固結(jié)應(yīng)力分別為50、100、200、300 kPa，首級徑向固結(jié)應(yīng)力加載時間為10 min，之后每級固結(jié)應(yīng)力加載時間縮減為5 min，剪切速率約為0.8 mm/min。通過改變探頭在鉆孔中的位置，可測試不同深度處土的強(qiáng)度參數(shù)。

(a) 測試探頭

(b)控制箱

(c) 剪切盤

1.2.2室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)

按照土工試驗(yàn)規(guī)范要求，采用ZJ型應(yīng)變控制直剪儀對不同深度處花崗巖殘積土進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，固結(jié)應(yīng)力與現(xiàn)場原位試驗(yàn)固結(jié)應(yīng)力保持一致。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)

采用固結(jié)快剪的方法對各深度土體在50、100、200、300 kPa豎向應(yīng)力下進(jìn)行直剪試驗(yàn)。不同深度處土體在各級豎向應(yīng)力條件下，剪切應(yīng)力與位移關(guān)系曲線相似，見圖3，剪切應(yīng)力隨位移的增大而緩慢增長。

圖3 試樣剪切應(yīng)力與剪切位移(3.8～4.1 m)Figure 3 Stress-strain curves of specimens (3.8～4.1 m)

土樣的直接剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系如圖4所示，剪切強(qiáng)度參數(shù)見表2。

圖4 直剪試驗(yàn)強(qiáng)度包絡(luò)線Figure 4 Strength envelope of direct shear test

表2 剪切強(qiáng)度及參數(shù)Table 2 Shear strength and parameters土樣深度/m粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)相關(guān)系數(shù)平方R22.032.926.00.983.213.429.30.995.47.528.80.969.411.930.20.99

由圖4及表2可看出，臺山花崗巖殘積土剪切強(qiáng)度與豎向應(yīng)力線性相關(guān)性較好，擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)96%以上。整體而言，試樣黏聚力c值隨深度增加呈減小趨勢，而摩擦角φ差異較小。分析認(rèn)為，土的黏聚力差異主要受風(fēng)化殼、固結(jié)度和風(fēng)化程度的綜合影響，淺層土體直接與環(huán)境氣候接觸，具有明顯的風(fēng)化殼。隨著深度的增加，風(fēng)化殼效應(yīng)及風(fēng)化程度逐漸減弱，土的黏聚力降低；而內(nèi)摩擦角與土的顆粒形態(tài)及級配特征直接相關(guān)，風(fēng)化過程中該特征變化程度較小，所以內(nèi)摩擦角變化幅度較小。

2.2 原位孔內(nèi)剪切試驗(yàn)

通過BST試驗(yàn)得到了12m深度范圍內(nèi)土的剪切強(qiáng)度，見表3。因現(xiàn)場測試過程中，受成孔質(zhì)量及孔內(nèi)土體完整程度限制，個別固結(jié)壓力下土的剪切破壞強(qiáng)度未能測出，但每次試驗(yàn)至少得到了3組固結(jié)壓力下的有效強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

表3 不同固結(jié)應(yīng)力下土的剪切強(qiáng)度Table 3 Shear strength of soils under different consolida-tion stresses固結(jié)應(yīng)力σ/kPa深度/m剪切強(qiáng)度τf/kPa孔1孔2孔3深度/m剪切強(qiáng)度τf/kPa孔1孔2孔350112.0104.264.264.064.234.41002136.2164.2136.27108.2124.468.4200232.6224.4256.4140.2228.4130.2300340.4320.6360.6—344.4146.250—72.260.642.242.232.21003140.0124.2104.6988.050.265.3200260.0232.2200.4136.072.2106.1300380.0242.2256.6190.092.2138.650—60.470.436.228.424.61005134.4116.4132.21268.050.666.2200240.2220.4232.494.056.888.6300346.2304.2320.6—96.0116.6

可以看出，同樣受風(fēng)化殼的影響，相同固結(jié)壓力下，土的剪切強(qiáng)度隨深度增加逐漸減小，不同測孔的強(qiáng)度差異較大。由各孔不同固結(jié)壓力下所得到的剪切強(qiáng)度及強(qiáng)度參數(shù)如圖5及表4所示。

由圖5可知，各測孔不同深度處，土的固結(jié)壓力與剪切強(qiáng)度線性相關(guān)性較好，擬合相關(guān)系數(shù)為92%～99%。整體而言，表4中3個測孔得所到的內(nèi)摩擦角和黏聚力沿深受的變化規(guī)律相似，但各深度處參數(shù)差異較大，尤其表現(xiàn)在深度2～6 m深度范圍，黏聚力差異百分比達(dá)400%以上，內(nèi)摩擦角差異百分比也達(dá)200%以上。說明土的強(qiáng)度特征受環(huán)境及氣候影響較大，9 m范圍內(nèi)測試參數(shù)差異較大，工程勘察時應(yīng)予以注意，加大勘察密度。分析

(a) 1號測點(diǎn)

(b) 2號測點(diǎn)

(c) 3號測點(diǎn)

表4 原位孔內(nèi)剪切強(qiáng)度參數(shù)Table 4 In-situ in-hole shear strength parameters深度/m粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)孔1孔2孔3孔1孔2孔3253.6 68.8 12.7 42.5 39.5 49.6320.2 52.4 25.2 50.2 35.3 38.6528.3 16.1 27.3 46.7 44.4 44.8728.1 9.8 20.1 37.4 48.0 24.6921.5 30.9 22.6 29.7 11.5 17.91223.4 17.7 18.8 20.2 13.8 18.6

參數(shù)沿深度的分布規(guī)律可知，在2～12 m深度范圍內(nèi)，土體c值和φ值整體呈逐漸減小趨勢，剪切強(qiáng)度的參數(shù)變化規(guī)律與室內(nèi)直剪試驗(yàn)相似，但各深度處強(qiáng)度參數(shù)高于室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果。

2.3 原位孔內(nèi)剪切與室內(nèi)直剪試驗(yàn)對比分析

2.3.1剪切強(qiáng)度分析

為了對比各種應(yīng)力狀態(tài)下原位孔內(nèi)剪切與室內(nèi)直剪試驗(yàn)強(qiáng)度結(jié)果的差異，以室內(nèi)直剪試驗(yàn)所得剪切強(qiáng)度值為橫坐標(biāo)，原位孔內(nèi)剪切試驗(yàn)強(qiáng)度值為縱坐標(biāo)繪制對比分析圖，如圖6所示。

圖6 原位孔內(nèi)剪切試驗(yàn)與直剪試驗(yàn)強(qiáng)度值對比圖Figure 6 Strength comparison of in-situ in-hole shear test and direct shear test

由圖6可發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)原位孔內(nèi)剪切試驗(yàn)強(qiáng)度測試點(diǎn)位于y=x直線上方，說明各應(yīng)力狀態(tài)下土的原位剪切強(qiáng)度值明顯高于室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果；各測點(diǎn)及相同測點(diǎn)不同深度處，原位及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)度值差異較大，測點(diǎn)分布區(qū)域在橫、縱方向上分布較廣；隨著固結(jié)壓力的增大，數(shù)值點(diǎn)在縱坐標(biāo)方向上分布區(qū)域有增大趨勢，而橫坐標(biāo)方向的分布區(qū)域有縮小趨勢。說明隨著固結(jié)壓力的增大，原位試驗(yàn)結(jié)果不同測點(diǎn)及測試深度處土的強(qiáng)度結(jié)果差異更為明顯，而室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果卻因固結(jié)壓力的增大，不同深度處強(qiáng)度值差異減小。

圖7 不同深度處原位與現(xiàn)場試驗(yàn)強(qiáng)度值對比圖Figure 7 Strength comparison of in-situ and in-situ tests at different depths

為了對比不同深度處原位及室內(nèi)試驗(yàn)方法所得到土的強(qiáng)度差異，圖7列出了2～9 m深度范圍內(nèi)原位與室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度結(jié)果?？梢钥闯觯?～5 m深度處，各應(yīng)力狀態(tài)下原位試驗(yàn)結(jié)果均高于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，且各測孔間試驗(yàn)結(jié)果差異較大；當(dāng)深度超過5 m時，測孔間及原位與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果差異減??；隨著深度的增加，強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的差異呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢。說明在風(fēng)化殼深度范圍內(nèi)(<3 m)，土的強(qiáng)度差異較大，當(dāng)深度>3 m后，土的強(qiáng)度值差異逐漸減小。進(jìn)一步說明了現(xiàn)場試驗(yàn)評價時，淺層花崗巖殘積土的參數(shù)評價應(yīng)加大樣本采集量，增大測試密度，保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性；室內(nèi)直剪試驗(yàn)所得到的淺層土樣強(qiáng)度較低，據(jù)此得到的工程設(shè)計(jì)及施工參數(shù)過于保守。

2.3.2剪切強(qiáng)度參數(shù)分析

通過原位孔內(nèi)剪切(BST)及室內(nèi)直剪試驗(yàn)分別得到了12、9 m深度范圍內(nèi)土的剪切強(qiáng)度參數(shù)，如圖8所示。

圖8 剪切強(qiáng)度參數(shù)沿深度的變化關(guān)系Figure 8 Variation of shear strength parameters along depth

可以發(fā)現(xiàn)，沿深度方向，室內(nèi)直剪與原位孔內(nèi)剪切試驗(yàn)所得到的黏聚力c值分布規(guī)律相似?？傮w而言，各深度處室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果小于原位試驗(yàn)結(jié)果；室內(nèi)直剪試驗(yàn)所得內(nèi)摩擦角φ沿深度變化不明顯(26°～30.2°)，在深度<7 m時明顯小于原位試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)深度>7 m時，試驗(yàn)結(jié)果大于原位試驗(yàn)結(jié)果?？梢哉f，室內(nèi)直剪與原位孔內(nèi)剪切試驗(yàn)所得到的強(qiáng)度參數(shù)差異主要體現(xiàn)在黏聚力c值，且在深度2～7 m范圍內(nèi)更為明顯。

3 孔內(nèi)剪切與直剪試驗(yàn)結(jié)果差異性討論

通過對比分析原位孔內(nèi)剪切與室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)結(jié)果可知，室內(nèi)及原位測試方法所得試驗(yàn)結(jié)果差異明顯。結(jié)合花崗巖殘積土的成土過程、剪切試驗(yàn)方法及試樣運(yùn)輸和制樣過程，認(rèn)為造成現(xiàn)場與原位試驗(yàn)結(jié)果差異的主要因素有3點(diǎn)。

a. 由于特殊的成土過程，花崗巖殘積土與天然沉積土微觀結(jié)構(gòu)存在明顯差異。對試樣進(jìn)行真空冷凍干燥，利用掃描電子顯微鏡(SEM)得到了2000倍下的土體微觀結(jié)構(gòu)(見圖9)?？砂l(fā)現(xiàn)，花崗巖殘積土為絮凝狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單元體的主要礦物為書卷狀邊-面、面-面接觸的高嶺石。整體表現(xiàn)為孔隙度較高，結(jié)構(gòu)疏松。但該類土經(jīng)風(fēng)化淋溶作用后，松散結(jié)構(gòu)間會存有殘余化學(xué)鍵強(qiáng)度，且風(fēng)化淋溶作用所產(chǎn)生的膠體氧化物在微粒間產(chǎn)生膠結(jié)作用，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)聯(lián)接[12]，增大土體強(qiáng)度。埋深越淺，土中膠體氧化物含量越高，膠結(jié)作用越明顯。然而，該殘余化學(xué)鍵及膠結(jié)作用易受外部環(huán)境影響，取土、運(yùn)輸及室內(nèi)制樣過程難免對土體進(jìn)行擾動，降低土的黏聚力。所以室內(nèi)直剪試驗(yàn)所得土的強(qiáng)度及黏聚力明顯偏，且該差異在淺層土中體現(xiàn)更為明顯。

(a) 2.0 m(b) 3.8 m

(c) 5.7 m(d) 9.8 m

b. 室內(nèi)試驗(yàn)過程中，為使試樣與初始物理狀態(tài)保持一致，需對試樣進(jìn)程抽真空飽和，而游離氧化鐵是形成花崗巖殘積土膠結(jié)作用的主要氧化物，試樣在飽和過程中部分游離氧化鐵溶解流失，減弱了土的粘結(jié)性，強(qiáng)度及黏聚力降低。

c. 現(xiàn)場原位孔內(nèi)剪切及室內(nèi)直剪試驗(yàn)雖然試驗(yàn)原理相近，但二者試驗(yàn)過程中剪切邊界條件及試樣應(yīng)力狀態(tài)仍有所差異。室內(nèi)直剪試驗(yàn)中試樣上下端部均被固定，剪切過程中土的剪切面基本固定(見圖10)；而原位孔內(nèi)剪切過程中，土體與探頭接觸部位視為固定端，受壓土體與周圍土體連接，并未完全固定(圖11)，剪切邊界條件存在一定差異。另外，由于室內(nèi)直剪試驗(yàn)過程中剪切盒內(nèi)土樣偏心受力，有效剪切面上的垂直應(yīng)力并非均勻分布，隨著剪切位移的不斷增大，土體主應(yīng)力方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)且角度不斷增大；而原位孔內(nèi)剪切試驗(yàn)剪切過程中土體并未懸空，應(yīng)力狀態(tài)較為一致。

圖10 直剪試驗(yàn)剪切面示意圖Figure 10 Schematic diagram of shear plane for direct shear test

圖11 原位孔內(nèi)剪切試驗(yàn)原理圖Figure 11 Principle diagram of in-situ in-hole shear test

4 結(jié)論及建議

a. 臺山花崗巖殘積土具有明顯的風(fēng)化殼，隨深度的增加，土的黏聚力逐漸降低，內(nèi)摩擦角變化較小。

b. 整體而言，原位孔內(nèi)剪切試驗(yàn)所得強(qiáng)度值明顯高于室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果；隨著深度的增加，原位及室內(nèi)試驗(yàn)所得強(qiáng)度的差異性呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢。室內(nèi)直剪與原位孔內(nèi)剪切試驗(yàn)所得到的強(qiáng)度參數(shù)差異主要體現(xiàn)在黏聚力c值，且在淺層土體中更為明顯。

c. 造成花崗巖殘積土室內(nèi)直剪與原位孔內(nèi)剪切試驗(yàn)結(jié)果差異的主要因素為該類土松散微觀結(jié)構(gòu)的殘余化學(xué)鍵及膠結(jié)構(gòu)架較為敏感，易受取土、運(yùn)輸及制樣過程所擾動；室內(nèi)試驗(yàn)飽和過程中土樣

內(nèi)部分游離氧化鐵溶解流失，土的膠結(jié)性減弱；原位及室內(nèi)試驗(yàn)過程中土的剪切邊界條件及試樣應(yīng)力狀態(tài)差異所致。

d. 淺層花崗巖殘積土力學(xué)性能參數(shù)評價時，應(yīng)加大樣本采集量，增大測試密度，保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。室內(nèi)直剪試驗(yàn)所得到的淺層土體強(qiáng)度值較低，采用該方法所得到的工程設(shè)計(jì)及施工參數(shù)較為保守。