鉆孔剪切試驗在填土中的應用分析

徐其瑋

（福建省交通規劃設計院有限公司，福建?福州?350004）

巖土抗剪力強度，是支撐工程建設穩定性的重要條件，需在系統性分析中做出有效評估，以此為工程建設的安全性與經濟性提供必要保障。在進行檢測分析的過程中，鉆孔剪切試驗是較為有效的應用方法，為了保證此項技術應用的合理性，需要對其基礎原理進行分析，以此為實際應用提供理論指導。

1??鉆孔剪切試驗概述

鉆孔剪切試驗，將原位巖體作為試驗對象，通過特定檢測設備，對土層結構中的抗剪力參數進行分析。在實際工程項目的應用中，此項技術手段不僅會應用在天然土體結構上，也會在填土等后天形成的土層類型分析中發揮作用。技術原理上，此項檢測不會對土層結構與含水量狀態造成影響，在上覆土層自重施加載荷的條件下，維護土體正常應力狀態，并在實際施工環境中，保證了檢測分析的真實性與標準化，使檢測數據的指示效果明顯優于室內試驗[1]。

鉆頭剪切試驗過程中，可在剪切板與收縮活塞的作用下，使剪切頭達到待檢測的土層深度，并在獲取檢測土層樣本數據的同時，完成剪應力峰值條件下的土體性質綜合分析。技術原理上，將多組測定的“法向應力-剪應力”進行線性整合，可以形成針對特定土體結構的莫爾-庫倫破壞包線，由此測定并得出內摩擦角與黏聚力這兩項數據。

2??鉆孔剪切步驟說明

鉆孔剪切檢測試驗中，需要按照規范化的操作步驟進行管理，并在如下步驟中，保證鉆孔剪切檢測的合理性。

（1）鉆探成孔。通過人工或機械成孔的方式，在待檢測土環境中生成孔洞，保證其孔徑范圍在75～80mm之間。在此項操作中，需盡可能地降低對土層的擾動，并在一次操作中完成成孔。

（2）檢測設備安裝就位。在成孔基礎上，將連接拉桿的剪切頭放入待測定孔洞中，在避免其碰觸孔壁的同時，落實后續安裝加壓與剪切設備的安裝。

（3）測定初始數值。在試驗進行之前，使剪切頭與拉桿設備在試驗深度位置懸空，通過拉桿鉗固定拉桿，并記錄其中的初始讀數，以此保證試驗的合理性。

（4）加壓固結。通過空壓機、加壓泵、儲氣瓶等設備，在調壓閥設備的控制下，向剪切頭施加壓力。在實際操作中，需要對土壤環境進行分析，以此確定具體的初始法向應力條件。

（5）提拉剪切。在固結完成之后，應勻速地搖動曲柄，完成剪切頭的提拉，并在此過程中讀取提拉峰值數據。

（6）在分析中，需要擁有足夠的數據基礎，通過加固剪切的反復處理，在一個點位要測得3個數據，以此保證數據分析的準確性。

（7）在完成檢測分析之后，還需對剪切設備進行清洗，保證儲存中的潔凈度。

3??鉆孔剪切試驗的填土應用案例分析

3.1??檢測環境分析

應用鉆孔剪切法進行填土剪力強度分析，需要對待檢測場地的環境做出評估，并在論證待檢測對象相關參數的同時，確保檢測方案的針對性與有效性，以此維持檢測環境的合理狀態。

本文所引用的實踐案例，為某段高速公路項目中的填方區土體強度檢測分析。在確定填方區域土體強度等級的同時，可為后續的土體治理方案提供基礎性的工程參數，并作出針對性的指導方案。在該項目施工之前，需要對填土周圍的地質條件做出分析，在確定地質環境與地下水不會對填土造成影響的基礎上，制定“法向應力-剪應力”檢測方案[2]。同時，在控制其土體結構的關鍵點，設置待檢測點位，并在不同的深度條件下，評估待檢測對象的風險指標，為鉆孔剪切試驗作出完整的分析計劃。

3.2??設備儀器校對

檢測試驗的準確度，受到設備使用條件的影響，為此，需要在執行檢測之前，對設備進行校對，保證其正常運行狀態的同時，提高檢測的精度。而此種設備儀器的精度校對，不僅要在安裝之前進行確認，也要在安裝后分析整體系統的應用條件，以此保證設備管理的有效性。案例項目中的儀器設備，采用Iowa鉆孔剪切試驗儀，其結構與部件如圖1所示。而在應用條件檢測分析的過程中，也要針對這一設備的結構特征，在合理選擇檢測分析技術的同時，保證系統監測的針對性與有效性，確定其實用價值。

圖1 Iowa鉆孔剪切試驗儀

完成設備安裝之后，需要標注試驗剪切探頭的具體位置，在向橡皮管注水時，其體積每增加100cm3，都應對其壓力數據進行記錄，并時刻統計剪切頭中心位置的直徑。通過對這3項數據的對應統計，得出具體的變量參數。然后，通過標定的數據，確定膨脹單元下的組合曲線參數，在形成指數函數型曲線與現行函數曲線的同時，分析數據之中的關聯性。

注意，如果工況環境相對較為復雜，并且帶有明顯的地下水，則需對此類的干擾內容進行相應的修正與調整，以此保證檢測設備系統應用的合理性。例如，當地下水結構覆蓋值達到1.5～2m之后，需要分別對法向應力、剪切應力進行計算分析。在如下公式中完成計算分析：

式中：Pc為法向應力修正值，單位為kPa；Pm為法向應力的顯示讀數；Pe為指數函數型曲線中的標準壓力；hw為地下水深度，單位為m；h0為法向壓力裝置中穩定水位的地面標差；ρw為水密度的標準參數，在計算中可取值10kN/m3。然后，在綜合剪切應力條件與剪切表面積的分析中，可以確定設備的管理狀態，通過對檢測設備的系統性分析，在定位數據中，保證間接應力的修正數值，以此維護地下水環境中設備使用合理性，保證設備調整技術的完整性。

3.3??剪切強度論證

案例項目的試驗分析中，總共設定了3組檢測對象，并將檢測深度分別設定在0.5～2m與6.5～7m的深度區間中。通過法向應力法，將強度范圍控制在20～100kPa區間，并完成具體剪應力檢測數據統計。然后，在形成剪應力與剪切位移提拉圈數的關系曲線條件下，繪制τ-σ關系曲線，并在最終的數據匯總中，形成、c結果。由此，就可將此類檢測數據作為基礎，在對檢測合理性進行分析的同時，得到最終的結果數據，尤其在土體剪應力參數與法向應力關聯性的內容中，可以確定兩者的正比關系[3]。同時，通過圖像化的數據展示，能夠在圖像的直觀表達中，定位出現最大提拉值的圈數，以此定位具體的填土土體強度。

另外，在試驗的3組τ-σ關系曲線中，能夠針對不同的剪切位移狀態，確定系統中的強度包線。通過統計分析，初步定位剪切中的最適宜圈數，以此保證計算強度的計算結果準確度。而在3組檢測試驗中，還加入了鉆孔掃深度的土體形態分析。通過對11.5m位置的標貫試驗，在10次敲擊處理后，采集土樣多為黏性土，并含有較多的角礫。獲得具體檢測數據的之后，需要對土層內的擾動狀態做出綜合性分析，通過對土質黏聚力與內擦角的統計分析，可以確定土體結構的強度參數，由此，可以確定土層結構的施工狀態，為后續的工程項目建設提供基礎性的保證條件。而此項檢驗，也證實了前期基層土體施工填土的工作質量，保證了不同工程建設內容的高質量銜接。

3.4??法向加壓方式與固結時間

（1）加壓級別。鉆孔剪切試驗中，所施加的壓力，應始終保證剪切板中齒狀凸起部分能夠完全壓入土層。控制方法上，可以嘗試將初始正應力控制在無側限抗壓強度預估數值的50%以內。而在中等硬度的土層結構中，可將初次固結的壓力設定在35kPa的固定數值上，對于軟土，則需根據實際情況，將這一數值再次調低。

（2）加壓方式。鉆孔剪切試驗中，通常會采用分級加荷試驗的方式，具體某一組試驗處理中，在保證剪切頭測試位置穩定的前提下，逐級增加法向壓力數值，并根據數據變化，測算不同法向固結壓力中的抗剪力強度。通過這種方式展開測量，可更好地保證測試速度的穩定性，并提高測試結果精確度，實現排水時間的累積化管理。操作中，具體到某一層級的法向壓力數值時，可以在剪切試驗期間或之后，實現剪切面土體的重新固結，并導致剪切面出現外移，停留在強度相對較低，且未出現擾動現象的位置上。而出現這一現象，主要是由于剪切土體在固結排水黏聚力上，已經超出了鄰近的原狀土結構。對于質地較為堅硬的土體，為了保證剪切板的齒狀結構可以更好地嵌入土層，需要使用高壓剪切頭，并在特殊的情況下，適當地引入分別加荷試驗法完成操作。

（3）固結時間。鉆孔剪切試驗中，固結時間根據土體類別不同，而表現出明顯的差異性。在無黏性土的結構中，其排水固結能力相對較強，可以在縮短固結時間上起到積極作用。而在黏性土結構中，由于黏粒含量較高，其排水能力也相對較弱，可以在延長固結時間上發揮積極作用。在非飽和黏土、砂土、飽和無黏性土等結構中，執行分級加壓固結處理時，可將固結時間控制在5min左右；而對于飽和黏性土，則需要控制孔隙水的壓力消散狀態，將時間調整到10～20min。注意，當法向壓力采用分級加荷的技術時，需要將固結時間調整在5～10min區間內。

4??總結

綜上所述，鉆孔剪切技術在建筑工程的基礎項目中，有較強的應用空間，通過對檢測項目的系統分析，可以盡可能地優化其應用條件。尤其在異構條件下的人工填土檢測中，此項檢測技術能夠憑借自身的系統性技術條件，完成檢測分析。而此項檢測方法的應用，也使得整體工程建設水平得到了優化升級。