復雜建筑場地土體抗剪強度參數新型原位測試試驗研究

劉克文 林 偉* 張洪寬 郭光八

(十四冶建設云南勘察設計有限公司，云南 昆明 650031)

0 引言

土體抗剪強度參數是巖土和地下工程設計和處理所依據的土體主要工程特性指標，廣泛應用于各類工程建設[1-5]，其獲取構成巖土工程勘察的重要內容。由于土體物質組成和結構的特殊性、變異性，其強度參數的確定具有困難和不確定性，有關其獲取方法和技術還在研究和發展中。目前，土體強度參數的獲取方法分為實驗測試、工程類似和理論分析三大類。較為理想和可靠的途徑是采用現場原位測試。原位測試手段已成為軟土及土石混合體強度測量的主要手段和發展方向。目前，常用的原位檢測檢測方法，有十字板剪切試驗及現場大型直剪試驗。十字板剪切試驗設備簡單、操作方便，但僅適于軟土地層。現場大型直剪試驗儀器設備安裝、操作復雜。缺點是成本高、費時、費力，對試驗結果的影響因素不容控制，且難以用于深層土體測試。

1 試驗原理及方法

1.1 試驗設備

Phicometre新型鉆孔原位剪切試驗系統主要構成。此外，還有提供壓力的氮氣瓶、壓力—體積控制單元，用以記錄剪切探頭所受的水平向正應力，并通過導管將水壓入和排出探頭內的橡膠壓力腔，使探頭膨脹和收縮。剪切探頭是整個試驗儀的核心部件，為一開縫的金屬殼體。殼體中部表面帶有10片環形不銹鋼刃片，第5或第6刃片初始外徑為58 mm，正式試驗前需重新校準兩者尺寸，刃片段的長度為230 mm。試驗過程中，由殼體內部一個橡膠壓力來保持探頭的膨脹狀態，將刃片壓入鉆孔四周土體內，并采用一個中空千斤頂提供上拔剪切力。

1.2 試驗原理與過程

試驗前，先將剪切探頭在地面空氣中自由狀態下進行校準，且不同地點的場地，每次更換探頭內的橡膠壓力腔后，均需對其校準。校正過程中，記錄探頭在各級水平向正應力σ0作用下壓入探頭的水體積V，以及探頭第5或第6刃片的外徑d。以壓入水體積V為縱坐標，分別以水平向正應力σ0、第5或第6刃片外徑d為橫坐標，擬合出壓入水的體積V與正應力σ0、壓入水的體積V—探頭外徑d的關系。由分析可知，V與σ0呈指數函數關系，V與d一般呈線性關系。

作為實驗準備工作,還應先在場地內選定位置，用鉆機成孔(孔徑62 mm～65 mm)，鉆孔深度與測試深度的差值不得超過1.5 m。將探頭放入預定測試深度后，加載壓力σm，使土體與探頭預接觸，記錄壓入水的體積V與正應力σm，擬合出兩者之間的關系曲線圖，并將之與以上V與σ0之間的圖對比。當相同注入水體積下的σm與σ0之間的差值大于50 kPa時，認為鉆孔內的探頭不銹鋼刃片完全壓入四周土體內，探頭與四周土體充分接觸。在此條件下，可開始正式剪切試驗，過程如下：

在鉆孔預定深度，采用壓力—體積控制單元，依次加載4級～8級水平壓力σm。根據土體軟硬程度，壓力級差取50 kPa～100 kPa，相對軟弱土層取小值，較硬土層取大值。每級水平壓力σm加載后，待土體固結變形趨于穩定，用千斤頂施加豎向上拔剪切荷載T，通過測力計每30 s記錄一次施加力。同時，保持千分表30 s內穩定持續向上剪切1 mm，每級壓力持續不間斷剪切210 s，累計剪切位移量為7 mm。剪切過程中，始終保持水平壓力σm恒定，于記錄的7次上拔荷載T中，取最大值Tmax作為上拔剪切力。

1.3 土體抗剪強度參數計算方法

對應每級壓力σm，可計算得到一組正應力σ和剪應力τ。如探頭位于孔內水位以上，正應力σ按式(1)計算：

σ=σm+(h0+h)×γw-σ0

(1)

其中，σm為壓力—體積控制單元中壓力表讀數，kPa;h0為壓力—體積控制單元中壓力表離地面的高度，m；h為剪切試驗測試深度，m；γw為水的重度,10 kN/m3;σ0為壓入水的體積相同(探頭膨脹量相同)時，空氣中自由狀態下所需的正應力,kPa，如果探頭位于孔內水位以下，則正應力σ的計算公式為：

σ=σm+(h0+hw)×γw-σ0

(2)

其中，γw為水的重度,10 kN/m3。剪應力τ為:

τ=Tmax/S

(3)

其中，Tmax為卸載千斤頂上拔剪切荷載最大值,kPa;S為剪切作用面積,m2，按式(4)計算：

S=π×d×L

(4)

其中，d為鉆孔內的探頭外徑，m，當壓入水的體積相同(探頭膨脹量相同)時，認為該外徑與空氣中自由狀態下探頭外徑相等；L為探頭有不銹鋼刃片段的長度，為固定值0.23 m。

2 現場實測與成果

選取云南省澄江縣廣龍8號地塊、昆明市五華區宜家家居廣場、昆明市呈貢區興冶國際3個項目場地。場地包含軟土、各種黏土及粉質黏土、稍密圓礫，實測了各種土層剪切強度。澄江縣廣龍8號地塊項目于場地內不同位置鉆孔8個，測試了16組數據，測試土層包括可塑黏土、硬塑殘積黏土、全風化玄武巖等，測試結果見表1。

表1 澄江縣廣龍8號地塊項目鉆孔剪切試驗結果

3 結語

1)同一土層新型鉆孔原位剪切試驗得到的黏聚力C較室內土工試驗和現場大型直剪試驗小，而內摩擦角φ較室內土工試驗和現場大型直剪試驗大。2)和強度較低土層相比，強度較高的土層測試得到的黏聚力C、內摩擦角φ較大，而且數據的離散性也較小，線性相關系數較大，數據質量較高。因此該試驗適用于正常固結土、超固結土等相對較硬土層。3)成孔質量對試驗成果的影響最為顯著，相對于較硬土層，軟土成孔縮徑嚴重，探頭難以自由放置到測試深度，此時可適當增大鉆頭、鉆具的直徑。

參考文獻:

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[3] 肖 杰，楊和平,李晗峰，等.低應力條件下不同密度的南寧膨脹土抗剪強度試驗[J].中國公路學報,2013，26(6):15-21.

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