刘克文 林 伟* 张洪宽 郭光八

(十四冶建设云南勘察设计有限公司，云南 昆明 650031)

0 引言

土体抗剪强度参数是岩土和地下工程设计和处理所依据的土体主要工程特性指标，广泛应用于各类工程建设[1-5]，其获取构成岩土工程勘察的重要内容。由于土体物质组成和结构的特殊性、变异性，其强度参数的确定具有困难和不确定性，有关其获取方法和技术还在研究和发展中。目前，土体强度参数的获取方法分为实验测试、工程类似和理论分析三大类。较为理想和可靠的途径是采用现场原位测试。原位测试手段已成为软土及土石混合体强度测量的主要手段和发展方向。目前，常用的原位检测检测方法，有十字板剪切试验及现场大型直剪试验。十字板剪切试验设备简单、操作方便，但仅适于软土地层。现场大型直剪试验仪器设备安装、操作复杂。缺点是成本高、费时、费力，对试验结果的影响因素不容控制，且难以用于深层土体测试。

1 试验原理及方法

1.1 试验设备

Phicometre新型钻孔原位剪切试验系统主要构成。此外，还有提供压力的氮气瓶、压力—体积控制单元，用以记录剪切探头所受的水平向正应力，并通过导管将水压入和排出探头内的橡胶压力腔，使探头膨胀和收缩。剪切探头是整个试验仪的核心部件，为一开缝的金属壳体。壳体中部表面带有10片环形不锈钢刃片，第5或第6刃片初始外径为58 mm，正式试验前需重新校准两者尺寸，刃片段的长度为230 mm。试验过程中，由壳体内部一个橡胶压力来保持探头的膨胀状态，将刃片压入钻孔四周土体内，并采用一个中空千斤顶提供上拔剪切力。

1.2 试验原理与过程

试验前，先将剪切探头在地面空气中自由状态下进行校准，且不同地点的场地，每次更换探头内的橡胶压力腔后，均需对其校准。校正过程中，记录探头在各级水平向正应力σ0作用下压入探头的水体积V，以及探头第5或第6刃片的外径d。以压入水体积V为纵坐标，分别以水平向正应力σ0、第5或第6刃片外径d为横坐标，拟合出压入水的体积V与正应力σ0、压入水的体积V—探头外径d的关系。由分析可知，V与σ0呈指数函数关系，V与d一般呈线性关系。

作为实验准备工作,还应先在场地内选定位置，用钻机成孔(孔径62 mm～65 mm)，钻孔深度与测试深度的差值不得超过1.5 m。将探头放入预定测试深度后，加载压力σm，使土体与探头预接触，记录压入水的体积V与正应力σm，拟合出两者之间的关系曲线图，并将之与以上V与σ0之间的图对比。当相同注入水体积下的σm与σ0之间的差值大于50 kPa时，认为钻孔内的探头不锈钢刃片完全压入四周土体内，探头与四周土体充分接触。在此条件下，可开始正式剪切试验，过程如下：

在钻孔预定深度，采用压力—体积控制单元，依次加载4级～8级水平压力σm。根据土体软硬程度，压力级差取50 kPa～100 kPa，相对软弱土层取小值，较硬土层取大值。每级水平压力σm加载后，待土体固结变形趋于稳定，用千斤顶施加竖向上拔剪切荷载T，通过测力计每30 s记录一次施加力。同时，保持千分表30 s内稳定持续向上剪切1 mm，每级压力持续不间断剪切210 s，累计剪切位移量为7 mm。剪切过程中，始终保持水平压力σm恒定，于记录的7次上拔荷载T中，取最大值Tmax作为上拔剪切力。

1.3 土体抗剪强度参数计算方法

对应每级压力σm，可计算得到一组正应力σ和剪应力τ。如探头位于孔内水位以上，正应力σ按式(1)计算：

σ=σm+(h0+h)×γw-σ0

(1)

其中，σm为压力—体积控制单元中压力表读数，kPa;h0为压力—体积控制单元中压力表离地面的高度，m；h为剪切试验测试深度，m；γw为水的重度,10 kN/m3;σ0为压入水的体积相同(探头膨胀量相同)时，空气中自由状态下所需的正应力,kPa，如果探头位于孔内水位以下，则正应力σ的计算公式为：

σ=σm+(h0+hw)×γw-σ0

(2)

其中，γw为水的重度,10 kN/m3。剪应力τ为:

τ=Tmax/S

(3)

其中，Tmax为卸载千斤顶上拔剪切荷载最大值,kPa;S为剪切作用面积,m2，按式(4)计算：

S=π×d×L

(4)

其中，d为钻孔内的探头外径，m，当压入水的体积相同(探头膨胀量相同)时，认为该外径与空气中自由状态下探头外径相等；L为探头有不锈钢刃片段的长度，为固定值0.23 m。

2 现场实测与成果

选取云南省澄江县广龙8号地块、昆明市五华区宜家家居广场、昆明市呈贡区兴冶国际3个项目场地。场地包含软土、各种黏土及粉质黏土、稍密圆砾，实测了各种土层剪切强度。澄江县广龙8号地块项目于场地内不同位置钻孔8个，测试了16组数据，测试土层包括可塑黏土、硬塑残积黏土、全风化玄武岩等，测试结果见表1。

表1 澄江县广龙8号地块项目钻孔剪切试验结果

3 结语

1)同一土层新型钻孔原位剪切试验得到的黏聚力C较室内土工试验和现场大型直剪试验小，而内摩擦角φ较室内土工试验和现场大型直剪试验大。2)和强度较低土层相比，强度较高的土层测试得到的黏聚力C、内摩擦角φ较大，而且数据的离散性也较小，线性相关系数较大，数据质量较高。因此该试验适用于正常固结土、超固结土等相对较硬土层。3)成孔质量对试验成果的影响最为显著，相对于较硬土层，软土成孔缩径严重，探头难以自由放置到测试深度，此时可适当增大钻头、钻具的直径。

参考文献:

[1] 杨和平,王兴正，肖 杰，等.干湿循环效应对南宁外环膨胀土抗剪强度的影响[J].岩土工程学报,2014,36(5):949-954.

[2] 刘江涛,杨正东，孙飞达，等.昆明湖相沉积软土区基坑土体抗剪强度分析研究[J].岩土工程学报,2014,36(S2):125-129.

[3] 肖 杰，杨和平,李晗峰，等.低应力条件下不同密度的南宁膨胀土抗剪强度试验[J].中国公路学报,2013，26(6):15-21.

[4] 许成顺,尹占巧，杜修力，等.黏性土的抗剪强度特性试验研究[J].水利学报,2013，44(12):1433-1438.

[5] 刘赪炜,韩 煊.隧道设计中不同抗剪强度指标对竖向土压力的影响研究[J].工程勘察,2011(7):12-17.