廣州地區(qū)花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值方法探討

王 世 彪

(廣東有色工程勘察設(shè)計(jì)院,廣東 廣州 510080)

廣州地區(qū)花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值方法探討

王 世 彪

(廣東有色工程勘察設(shè)計(jì)院,廣東 廣州 510080)

介紹了研究花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值方法的目的和意義，從室內(nèi)直剪試驗(yàn)、室內(nèi)三軸試驗(yàn)、原位直剪試驗(yàn)、平板載荷試驗(yàn)四方面，闡述了花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值的常規(guī)方法，并結(jié)合其取值方法的研究現(xiàn)狀，提出了未來的研究方向。

花崗巖殘積土，抗剪強(qiáng)度，三軸試驗(yàn)，直剪儀

1 花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值方法研究目的和意義

花崗巖殘積土是花崗巖母巖在溫暖潮濕的環(huán)境下經(jīng)過一系列的物理化學(xué)風(fēng)化作用形成的殘積土體，具有特殊的物理力學(xué)性質(zhì)。在市政工程、軌道交通工程等建設(shè)中，往往將花崗巖風(fēng)化層和殘積土作為基礎(chǔ)持力層或隧道穿越層，對項(xiàng)目建設(shè)影響較大?；◢弾r殘積土具有高強(qiáng)度、高孔隙比、低密度、中低壓縮性和非飽和性等特點(diǎn)，在挖孔樁施工、基坑開挖施工和隧道礦山法施工時容易出現(xiàn)流砂、崩塌等工程事故。

廣州屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，該地區(qū)氣候溫暖濕潤，雨量充沛，干濕季節(jié)明顯，相對濕度較大，花崗巖遭受了長期而又強(qiáng)烈的風(fēng)化作用，形成了分布廣泛、厚度巨大、剖面完整的風(fēng)化殼，在這些地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，常常會遇到花崗巖風(fēng)化土帶來的一些工程地質(zhì)問題。同時花崗巖殘積土具有明顯的非飽和性，已有研究表明，花崗巖殘積土的顆粒間主要由游離氧化鐵包裹及填充而實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)，遇水后力學(xué)強(qiáng)度急劇降低，結(jié)構(gòu)性明顯，顯示出脆彈塑性損傷破壞特點(diǎn)。以現(xiàn)在常規(guī)的室內(nèi)試驗(yàn)方法測得的花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)離散性較大，最終提供的建議值往往都是經(jīng)驗(yàn)值，為了得到花崗巖殘積土準(zhǔn)確的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，有必要對廣州地區(qū)遇到的花崗巖殘積土，針對其直剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，這樣一方面能指導(dǎo)如何準(zhǔn)確測試花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，另一方面可以更好的確定抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的建議值，為今后的工程勘察、設(shè)計(jì)和施工提供理論和方向指導(dǎo)。

2 現(xiàn)階段花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值常規(guī)方法

2.1 室內(nèi)直剪試驗(yàn)

室內(nèi)直剪試驗(yàn)是目前最為普遍且簡單的試驗(yàn)方法。直剪儀是以庫侖理論為理論基礎(chǔ)發(fā)展而來且最直接測定土體抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法。該儀器可分為應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種。應(yīng)變控制是控制試樣產(chǎn)生一定位移，測定其相應(yīng)的水平剪應(yīng)力；應(yīng)力控制是對試樣施加一定的水平剪切力，測定其相應(yīng)位移。針對花崗巖殘積土的研究，國內(nèi)外均采用應(yīng)變控制式。

由于直剪儀具有結(jié)構(gòu)簡單、固結(jié)快、省時、消耗試件少、傳力明確、儀器剛度大、操作簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前在國內(nèi)外仍普遍采用。但室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)測定花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度參數(shù)時測試結(jié)果存在較大差異，總體來說有三方面的原因，一是直剪試驗(yàn)本身存在著因取土方法、試樣擾動、剪切速率、加荷等級、試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)選取、試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法等因素而導(dǎo)致誤差；二是該儀器本身還存在諸多缺陷，如：正應(yīng)力不穩(wěn)定、剪應(yīng)力集中及剪應(yīng)力分布不均勻、試驗(yàn)全過程不能嚴(yán)格控制排水條件、實(shí)際剪切面并非理想剪切面；三是花崗巖殘積土本身具有結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、易擾動、非飽和性等特殊的工程性質(zhì)而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果迥異。

2.2 室內(nèi)三軸試驗(yàn)

目前國內(nèi)外已經(jīng)研制了多種三軸儀。按其壓力室加荷特性來分，有“剛性”“柔性”和“復(fù)合”3種形式。它們各有特點(diǎn)，適用范圍也不同。在國外，剛性的真三軸儀主要有瑞典Kjellman研制的真三軸儀和英國劍橋大學(xué)Pears研制的劍橋真三軸儀，它們都適用于砂土；柔性的真三軸儀主要有Surrey大學(xué)Mengles研制的真三軸儀、墨西哥大學(xué)Marsal研制的真三軸儀和美國Lo等研制的真三軸儀；復(fù)合型的真三軸儀主要有倫敦大學(xué)Green研制的真三軸儀、日本谷藤株式會社和日本誠研舍研制的真三軸儀。國內(nèi)除了從國外引進(jìn)真三軸儀外，還有進(jìn)行改造或自己開發(fā)的幾種真三軸儀，分別為清華大學(xué)真三軸儀、同濟(jì)大學(xué)真三軸儀和河海大學(xué)真三軸儀。

大部分巖土問題都會涉及土的強(qiáng)度，研究非飽和土的強(qiáng)度是非飽和土理論及其工程應(yīng)用的首要問題。研究和量測土單元在三維應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力—應(yīng)變—強(qiáng)度關(guān)系具有現(xiàn)實(shí)意義，而非飽和三軸儀的開發(fā)和利用方面，國外走在我國前面。例如德國Wille-Geotechnik非飽和土三軸儀，可以在飽和條件或非飽和條件下，全自動進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)三軸試驗(yàn)如UU，CU和CD試驗(yàn)，也可以全自動進(jìn)行應(yīng)力路徑控制測試試驗(yàn)。在不飽和條件下，非飽和土三軸儀系統(tǒng)提供了特殊的模塊化系統(tǒng)，以適配不同的試樣直徑和不銹鋼制三軸壓力室。較多問題還有待我們?nèi)ヌ接懀倪M(jìn)三軸儀器存在的缺陷，并將其使用到各類巖土體的試驗(yàn)研究中去，都具有極為重要的理論意義及實(shí)踐價值，對以后巖土體的力學(xué)特性研究將有很大幫助。尤其目前非飽和三軸儀的發(fā)明，對花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度的研究提供了巨大的便利條件。

2.3 原位直剪試驗(yàn)

原位直剪試驗(yàn)最早在100多年前被Alexandre Collin用于邊坡穩(wěn)定研究。目前，國內(nèi)外均研制出了一些大型直剪儀，剪切盒形式繁多，尺寸大小不一，其中最大為280 cm×280 cm×92 cm?；驹砼c室內(nèi)直剪試驗(yàn)相同，都是將試樣裝填入剪切盒內(nèi)，分別在不同的垂直壓力下，施加水平剪切力進(jìn)行剪切，使試樣在上、下剪切盒之間的水平面上發(fā)生剪切至破壞，得到破壞時的剪切應(yīng)力τ，根據(jù)摩爾—庫侖定律確定土的內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c。

原位直剪試驗(yàn)可以在不擾動土體情況下，測試出土樣的抗剪強(qiáng)度值，由于試樣內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變分布的不均勻性，造成了測得的抗剪強(qiáng)度值會有誤差，必須結(jié)合室內(nèi)直剪試驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

2.4 平板載荷試驗(yàn)

平板載荷試驗(yàn)是目前比較直接測定地基土承載能力和變形特性的可靠方法，適用于測定承壓板下應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)巖土的承載力和變形特性，可以確定地基土承載力、土的彈性模量、地基土的基床反力系數(shù)并估算地基土的不排水抗剪強(qiáng)度。

但平板載荷試驗(yàn)也存在一定缺陷，例如因地面加荷引起傳力柱的彈性變形和彎曲等而影響位移測量精度。平板載荷試驗(yàn)存在明顯的尺寸效應(yīng)等。這些都值得我們不斷深入的研究。

3 花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)研究現(xiàn)狀特點(diǎn)

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)時至今日，花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度的研究，已經(jīng)從理論研究擴(kuò)展到層出不窮的試驗(yàn)研究，手段多樣化?？v觀花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度研究的整個進(jìn)程，有以下幾個特點(diǎn)：

1)摩爾—庫侖強(qiáng)度理論可非常準(zhǔn)確的確定飽和土的抗剪強(qiáng)度，這早已被實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐所證實(shí)，目前在工程中依舊采用這種理論，隨著非飽和土力學(xué)的發(fā)展，越來越多的學(xué)者對非飽和土力學(xué)中抗剪強(qiáng)度進(jìn)行研究，其研究成果各種各樣，至今沒有形成一個真正被工程界所認(rèn)可的非飽和土抗剪強(qiáng)度公式，而作為特殊土的花崗巖殘積土在這方面的理論研究更加缺乏。

2)花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度研究至今已經(jīng)表明，抗剪強(qiáng)度與土的成分、物性、結(jié)構(gòu)等因素息息相關(guān)，但是對花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度的主要影響因素，國內(nèi)外仍缺少系統(tǒng)的研究，沒有形成較系統(tǒng)的確定指南。

3)在花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中，采用的依舊是操作簡單的室內(nèi)直剪儀。但直剪儀本身還存在正應(yīng)力不穩(wěn)定、剪應(yīng)力集中及剪應(yīng)力分布不均勻、試驗(yàn)全過程不能嚴(yán)格控制排水條件等缺陷、實(shí)際剪切面并非理想剪切面，造成了抗剪強(qiáng)度測試值的不準(zhǔn)確性。而工程中接觸較多為非飽和的花崗巖殘積土，因此，對花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度的研究，應(yīng)該偏向于能夠控制土樣基質(zhì)吸力的非飽和直剪儀、三軸儀及非飽和三軸儀。

4)針對花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列原位試驗(yàn)，配合室內(nèi)直剪試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)手段都比較單一，沒有將各種原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行較為系統(tǒng)的分析，得到科學(xué)的關(guān)系式。另外，對原位監(jiān)測的重視不夠，沒有將土壓力的監(jiān)測數(shù)據(jù)和其他原位試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)形成對比分析。

4 花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的重要研究方向

土力學(xué)發(fā)展至今，對于花崗巖殘積土力學(xué)特性的研究還不夠，以至于對工程問題的處理沒有達(dá)成高度的一致，癥結(jié)在于對花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度沒有形成一個統(tǒng)一的確定指南。為了促進(jìn)花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指南的確定，我們需要進(jìn)行全面深入的研究，主要有以下幾個新的重要研究方向：

1)花崗巖殘積土非飽和抗剪強(qiáng)度理論研究。總體上，當(dāng)前學(xué)者對非飽和土粒間吸力力學(xué)特性的了解及其量化方法和測試方法的研究還不夠深入，需要解決的核心問題仍然是“吸力”問題，尤其是吸力的測量問題，這也是下一步重要的研究方向。

2)花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度測試方法和影響因素研究。尤其針對非飽和土的三軸試驗(yàn)是需要學(xué)者進(jìn)一步研究的方向。同時有必要開展系列試驗(yàn)和理論研究，研究花崗巖殘積土的結(jié)構(gòu)性和易擾動性對直剪試驗(yàn)指標(biāo)的影響。

3)通過現(xiàn)場土壓力和變形監(jiān)測反分析法推導(dǎo)出抗剪強(qiáng)度取值，與室內(nèi)和原位試驗(yàn)值相比較，得到抗剪強(qiáng)度的取值的某種規(guī)律特征。

4)花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值指南。通過將室內(nèi)試驗(yàn)與原位試驗(yàn)結(jié)合起來，建立起花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值指南，為工程中抗剪強(qiáng)度的取值提供一個標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 湯連生,桑海濤,宋 晶,等.非飽和花崗巖殘積土粒間聯(lián)結(jié)作用與脆彈塑性膠結(jié)損傷模型研究[J].巖土力學(xué),2013,34(10):2877-2888.

[2] 吳能森.結(jié)構(gòu)性花崗巖殘積土的特性及工程問題研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué),2005.

[3] 包承綱,詹良通.非飽和土性狀及其與工程問題的聯(lián)系[J].巖土工程學(xué)報(bào),2006,28(2):129-136.

[4] 《工程地質(zhì)手冊》編委會.工程地質(zhì)手冊[M].第4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

Discussion on the method of determining the shear strength of granite weathering residual soil in Guangzhou area

Wang Shibiao

(GuangdongNonferrousMetalsEngineeringInvestigationDesignInstitute,Guangzhou510080,China)

This paper introduced the purpose and significance of shear strength index value method of granite residual soil, from the indoor direct shear test, indoor three axis test, in-situ direct shear test, plate loading test four aspects, elaborated the conventional method of shear strength index value method of granite residual soil, and combining with the research status of its value method, proposed the future research direction.

granite residual soil, shear strength, three axial test, direct shear apparatus

1009-6825(2017)05-0081-02

2016-12-07

王世彪(1968- )，男，高級工程師

TU432

A