花岗岩残积土的室内直剪与原位孔内剪切对比试验研究

2021-01-25白林杰李新明

公路工程 2020年6期

尹松，白林杰，李新明

(中原工学院建筑工程学院，河南郑州 450007)

花岗岩残积土在我国南方湿热地区分布广泛。由于特殊的成土过程，花岗岩残积土具有极易扰动、遇水成泥等特性[1]。工程设计及施工时易出现强度参数选取不合理、力学性能评价失准现象[2]。另外，花岗岩残积土的物理力学性状受气候条件、地形地貌及风化程度等因素影响显著，具有明显的区域特性[3]，对其力学性能参数的评价不宜通过理论公式推算或直接套用其它地区工程经验。有必要结合现场原位及室内土工试验方法，对比分析土的力学性能表征参数，合理评价其强度性能。

目前，土的剪切强度参数室内测定方法主要包括直接剪切和三轴试验[4-5]；现场原位的直接或间接测定方法主要为原位推剪[6]、孔内剪切[7]、十字板剪切[8]及各类载荷试验方法[9]。室内试验由于存在尺寸效应、土样扰动、应力释放及加载边界条件差异等不足，难以准确评价土的力学参数。而原位试验虽然可以弥补常规室内土工试验方法的诸多不足，但受现场条件限制明显。如何结合室内及现场测试方法，提出合理的土体力学参数评价方法已成为广大岩土工作者们关注的重点。研究者们也已在土体剪切强度特性的室内及现场对比研究方面展开了大量研究，相关方法及理论得到了不断地发展及验证。如温勇[4]等通过对比花岗岩残积土的室内直剪及现场压板载荷、标贯试验结果，认为压板载荷试验、标贯试验可以合理确定花岗岩残积土的力学参数；王友军[6]等通过分析粘土及砂土的室内及现场试验结果，发现室内与原位剪切试验指标存在一定线性关系；杨果林[10]等采用原位推剪和室内直剪试验相结合的方法，分析了饱和度及密实度对白色膨胀土强度变化的影响规律，为土体强度参数的准确评价及提高地基设计理论水平提供了基础条件。然而，直剪试验具有测试简单、原理清晰的优点，已成为工程建设中土体强度参数的主要室内测试方法之一；原位孔内剪切试验由于可在原位钻孔试验，具有仪器便携、与室内直剪试验原理相似、操作简便等优势，已经在边坡的稳定性评价、铁路和公路地基承载力评估及滑坡推力等方面广泛应用，但目前关于室内直接与原位孔内剪切试验的相关对比试验及理论分析研究较少。此外，花岗岩残积土属区域性特殊土，各地区土体工程特性差异明显，而关于花岗岩残积土剪切特性的室内及现场对比分析研究也鲜见报道，有必要进行大量的数据积累和针对性分析。

综上所述，本文对台山花岗岩残积土进行现场原位孔内剪切试验，分析剪切强度指标随风化程度(深度)的变化规律；对不同深度土样进行室内直接剪切试验，对比分析原位孔内剪切与室内直剪试验所得强度及参数的差异规律及影响机理。研究可为花岗岩残积土分布带的工程设计及施工场地评价提供技术依据。

1 试验土样及试样方法

1.1 试验场地及土样性质

现场原位孔内剪切(BST)及室内试验取土场地位于广东省台山市，场地布置如图1所示。通过室内土工测试得到土的基本物理力学指标见表1。整体而言，台山花岗岩残积土的液、塑限较高，沿深度方向土样的液塑限、密度略有降低，孔隙比逐渐增加。

图1 试验场地布置图Figure 1 Test curve of cone penetration

表1 花岗岩残积土基本物理特性指标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/%颗粒组成/%细砾>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 试验仪器与方法

1.2.1原位孔内剪切试验

原位试验所采用孔内剪切试验仪器(BST)由美国Handy公司生产，主要由控制箱、剪切盘、剪切测试探头3部分组成，由外部气源提供压力，如图2所示。剪切探头径向膨胀起始范围为75～90 mm。

试验过程中，外部气源与控制器相连，借鉴Wineland[11]所提出的BST试验方法，试验过程主要包括以下步骤： ① 将带有水平钢齿的剪切测试探头放置于钻孔中不同深度位置； ②由控制器调节施加径向压力σ固结，水平钢齿插入到孔壁岩土体中； ③ 保持径向压力不变，向上提拉探头，并由剪切盘记录最大拉力F； ④ 当探头钢齿的分布面积已知时，可求相应径向压力σ下的剪切强度τ。往复如此，计算每级径向应力下σi及剪切强度τi，根据莫尔库伦强度准则可计算得到相应深度处土的剪切参数c、φ值。

原位孔内剪切所施加的径向固结应力分别为50、100、200、300 kPa，首级径向固结应力加载时间为10 min，之后每级固结应力加载时间缩减为5 min，剪切速率约为0.8 mm/min。通过改变探头在钻孔中的位置，可测试不同深度处土的强度参数。

(a) 测试探头

(b)控制箱

1.2.2室内直接剪切试验

按照土工试验规范要求，采用ZJ型应变控制直剪仪对不同深度处花岗岩残积土进行固结快剪试验，固结应力与现场原位试验固结应力保持一致。

2 试验结果与分析

2.1 室内直接剪切试验

采用固结快剪的方法对各深度土体在50、100、200、300 kPa竖向应力下进行直剪试验。不同深度处土体在各级竖向应力条件下，剪切应力与位移关系曲线相似，见图3，剪切应力随位移的增大而缓慢增长。

图3 试样剪切应力与剪切位移(3.8～4.1 m)Figure 3 Stress-strain curves of specimens (3.8～4.1 m)

土样的直接剪切强度与法向应力的关系如图4所示，剪切强度参数见表2。

图4 直剪试验强度包络线Figure 4 Strength envelope of direct shear test

表2 剪切强度及参数Table 2 Shear strength and parameters土样深度/m粘聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)相关系数平方R22.032.926.00.983.213.429.30.995.47.528.80.969.411.930.20.99

由图4及表2可看出，台山花岗岩残积土剪切强度与竖向应力线性相关性较好，拟合相关系数达96%以上。整体而言，试样黏聚力c值随深度增加呈减小趋势，而摩擦角φ差异较小。分析认为，土的黏聚力差异主要受风化壳、固结度和风化程度的综合影响，浅层土体直接与环境气候接触，具有明显的风化壳。随着深度的增加，风化壳效应及风化程度逐渐减弱，土的黏聚力降低；而内摩擦角与土的颗粒形态及级配特征直接相关，风化过程中该特征变化程度较小，所以内摩擦角变化幅度较小。

2.2 原位孔内剪切试验

通过BST试验得到了12m深度范围内土的剪切强度，见表3。因现场测试过程中，受成孔质量及孔内土体完整程度限制，个别固结压力下土的剪切破坏强度未能测出，但每次试验至少得到了3组固结压力下的有效强度数据。

表3 不同固结应力下土的剪切强度Table 3 Shear strength of soils under different consolida-tion stresses固结应力σ/kPa深度/m剪切强度τf/kPa孔1孔2孔3深度/m剪切强度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，同样受风化壳的影响，相同固结压力下，土的剪切强度随深度增加逐渐减小，不同测孔的强度差异较大。由各孔不同固结压力下所得到的剪切强度及强度参数如图5及表4所示。

由图5可知，各测孔不同深度处，土的固结压力与剪切强度线性相关性较好，拟合相关系数为92%～99%。整体而言，表4中3个测孔得所到的内摩擦角和黏聚力沿深受的变化规律相似，但各深度处参数差异较大，尤其表现在深度2～6 m深度范围，黏聚力差异百分比达400%以上，内摩擦角差异百分比也达200%以上。说明土的强度特征受环境及气候影响较大，9 m范围内测试参数差异较大，工程勘察时应予以注意，加大勘察密度。分析

(a) 1号测点

(b) 2号测点

表4 原位孔内剪切强度参数Table 4 In-situ in-hole shear strength parameters深度/m粘聚力c/kPa内摩擦角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

参数沿深度的分布规律可知，在2～12 m深度范围内，土体c值和φ值整体呈逐渐减小趋势，剪切强度的参数变化规律与室内直剪试验相似，但各深度处强度参数高于室内直剪试验结果。

2.3 原位孔内剪切与室内直剪试验对比分析

2.3.1剪切强度分析

为了对比各种应力状态下原位孔内剪切与室内直剪试验强度结果的差异，以室内直剪试验所得剪切强度值为横坐标，原位孔内剪切试验强度值为纵坐标绘制对比分析图，如图6所示。

图6 原位孔内剪切试验与直剪试验强度值对比图Figure 6 Strength comparison of in-situ in-hole shear test and direct shear test

由图6可发现，大多数原位孔内剪切试验强度测试点位于y=x直线上方，说明各应力状态下土的原位剪切强度值明显高于室内直剪试验结果；各测点及相同测点不同深度处，原位及室内试验结果强度值差异较大，测点分布区域在横、纵方向上分布较广；随着固结压力的增大，数值点在纵坐标方向上分布区域有增大趋势，而横坐标方向的分布区域有缩小趋势。说明随着固结压力的增大，原位试验结果不同测点及测试深度处土的强度结果差异更为明显，而室内直剪试验结果却因固结压力的增大，不同深度处强度值差异减小。

图7 不同深度处原位与现场试验强度值对比图Figure 7 Strength comparison of in-situ and in-situ tests at different depths

为了对比不同深度处原位及室内试验方法所得到土的强度差异，图7列出了2～9 m深度范围内原位与室内试验强度结果。可以看出，2～5 m深度处，各应力状态下原位试验结果均高于室内试验结果，且各测孔间试验结果差异较大；当深度超过5 m时，测孔间及原位与室内试验结果差异减小；随着深度的增加，强度试验结果的差异呈现先增大后逐渐减小的趋势。说明在风化壳深度范围内(<3 m)，土的强度差异较大，当深度>3 m后，土的强度值差异逐渐减小。进一步说明了现场试验评价时，浅层花岗岩残积土的参数评价应加大样本采集量，增大测试密度，保证试验结果的可靠性；室内直剪试验所得到的浅层土样强度较低，据此得到的工程设计及施工参数过于保守。

2.3.2剪切强度参数分析

通过原位孔内剪切(BST)及室内直剪试验分别得到了12、9 m深度范围内土的剪切强度参数，如图8所示。

图8 剪切强度参数沿深度的变化关系Figure 8 Variation of shear strength parameters along depth

可以发现，沿深度方向，室内直剪与原位孔内剪切试验所得到的黏聚力c值分布规律相似。总体而言，各深度处室内试验结果小于原位试验结果；室内直剪试验所得内摩擦角φ沿深度变化不明显(26°～30.2°)，在深度<7 m时明显小于原位试验结果，当深度>7 m时，试验结果大于原位试验结果。可以说，室内直剪与原位孔内剪切试验所得到的强度参数差异主要体现在黏聚力c值，且在深度2～7 m范围内更为明显。

3 孔内剪切与直剪试验结果差异性讨论

通过对比分析原位孔内剪切与室内直接剪切试验结果可知，室内及原位测试方法所得试验结果差异明显。结合花岗岩残积土的成土过程、剪切试验方法及试样运输和制样过程，认为造成现场与原位试验结果差异的主要因素有3点。

a. 由于特殊的成土过程，花岗岩残积土与天然沉积土微观结构存在明显差异。对试样进行真空冷冻干燥，利用扫描电子显微镜(SEM)得到了2000倍下的土体微观结构(见图9)。可发现，花岗岩残积土为絮凝状结构，结构单元体的主要矿物为书卷状边-面、面-面接触的高岭石。整体表现为孔隙度较高，结构疏松。但该类土经风化淋溶作用后，松散结构间会存有残余化学键强度，且风化淋溶作用所产生的胶体氧化物在微粒间产生胶结作用，加强了结构联接[12]，增大土体强度。埋深越浅，土中胶体氧化物含量越高，胶结作用越明显。然而，该残余化学键及胶结作用易受外部环境影响，取土、运输及室内制样过程难免对土体进行扰动，降低土的黏聚力。所以室内直剪试验所得土的强度及黏聚力明显偏，且该差异在浅层土中体现更为明显。

(a) 2.0 m(b) 3.8 m

b. 室内试验过程中，为使试样与初始物理状态保持一致，需对试样进程抽真空饱和，而游离氧化铁是形成花岗岩残积土胶结作用的主要氧化物，试样在饱和过程中部分游离氧化铁溶解流失，减弱了土的粘结性，强度及黏聚力降低。

c. 现场原位孔内剪切及室内直剪试验虽然试验原理相近，但二者试验过程中剪切边界条件及试样应力状态仍有所差异。室内直剪试验中试样上下端部均被固定，剪切过程中土的剪切面基本固定(见图10)；而原位孔内剪切过程中，土体与探头接触部位视为固定端，受压土体与周围土体连接，并未完全固定(图11)，剪切边界条件存在一定差异。另外，由于室内直剪试验过程中剪切盒内土样偏心受力，有效剪切面上的垂直应力并非均匀分布，随着剪切位移的不断增大，土体主应力方向将发生偏转且角度不断增大；而原位孔内剪切试验剪切过程中土体并未悬空，应力状态较为一致。