淺析工程勘察與設(shè)計中剪切試驗的應(yīng)用及方法

劉文鳳

廣東省地質(zhì)局第七地質(zhì)大隊 廣東 惠州 516008

正文：

1 工程勘察與設(shè)計中剪切試驗

土的剪切試驗在世界上各種工程建設(shè)以及工程實(shí)踐中有著較為重要的價值與作用。在多數(shù)的狀況之下人們主要通過剪切試驗的方式測量抗剪強(qiáng)度參數(shù)，在實(shí)踐中在地基土層的承載力值以及評價地基穩(wěn)定性的狀況中應(yīng)用較為廣泛。

在土地抵抗力主要就是來源與外部的作用力的時候，土地可以保障自身不會產(chǎn)生破裂破壞承受的極限應(yīng)力就是土體自身的強(qiáng)度。而在國內(nèi)外大量的工程建設(shè)以及實(shí)踐中表明了在應(yīng)力作用之下破裂破壞表現(xiàn)多數(shù)就是剪切破壞，例如，地基的破壞以及不同類型的滑坡以及擋土結(jié)構(gòu)物的破壞等，土體的抗剪強(qiáng)度的物理定義就是源于外部施加作用力之下，土可以避免出滑動破裂現(xiàn)象時的極限強(qiáng)度數(shù)值。

1.1.庫侖定律解析

庫倫定律就是土體力學(xué)性質(zhì)以及抗剪力破壞的基礎(chǔ)力學(xué)理論。是法國科學(xué)家?guī)靵鐾ㄟ^土強(qiáng)度試驗而獲得的指導(dǎo)性理論。其公式為。

1.2 土的應(yīng)力分布狀況解析

分析土體的應(yīng)力分布狀況，可以基于任意的小單元體的應(yīng)力分布狀況開始，選擇土體的任意一點(diǎn)，假設(shè)在這個小單元體上分布了最大以及最小主應(yīng)力，架設(shè)其與面呈夾角在某一個斜面上的剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力，在這個時候在小單元體上的應(yīng)力分布主要關(guān)系具體如下：

1.3 土的極限平衡狀態(tài)

因為土體可以在不同的應(yīng)力狀態(tài)之下被破壞，因此在實(shí)踐中可以對不同應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，繪制形成莫爾應(yīng)力圓。利用莫爾應(yīng)力圓的公共切線就可以組成獲得極限平衡狀態(tài)的曲線，這也就是土體抗剪強(qiáng)度包線。土體的抗剪強(qiáng)度包線主要就是切于莫爾應(yīng)力圓圓周的點(diǎn)位，可以滿足極限平衡的條件。而通過對莫爾理論以及上述關(guān)系進(jìn)行分析，則可以發(fā)現(xiàn)在極限平衡狀況之下的剪力破壞面是最大應(yīng)力與σ面之間存在的φ/2 的角度。

2.工程勘察與設(shè)計中剪切試驗的應(yīng)用方法

在工程勘察與設(shè)計中的剪切試驗在應(yīng)用過程中要符合規(guī)范要求，系統(tǒng)開展，其具體如下：

2.1 計算地基土的承載力值

在《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）中明確的規(guī)定了如果偏心距小于等于0.33倍的基底寬度，可以根據(jù)剪切試驗成果參數(shù)大致的估算地層的承載力值，要保障其滿足地基變形的條件。

例如，在某工程的地質(zhì)勘察中，1號建筑物的長度為270米，寬度為60米，2號）建筑物的長度為295米，寬度為60米，建筑結(jié)構(gòu)形式為門式鋼架，施工的基礎(chǔ)方案就是通過擴(kuò)展基礎(chǔ)或者樁基礎(chǔ)的方式進(jìn)行處理。在2號建筑物的地表倉回填中會設(shè)置厚層度為0.3米～1.4米不等的塊石與碎石，在碎石之下是回填之后強(qiáng)夯的粉質(zhì)黏土，黏土呈現(xiàn)灰黃色、黃褐色，局部位置成灰褐色，屬于可塑～硬塑狀，中塑性，土質(zhì)并不均勻，夾雜著較多的粉土斑，通過地質(zhì)勘察，得出指標(biāo)具體如下：天然的含水率為21.7%，孔隙比為0.65，液限為27.2%，液性指數(shù)則為0.55。三軸實(shí)驗的粘聚力為31.0KPa,其內(nèi)摩擦角則為1.8°。通過的方法進(jìn)行計算，獲得粉質(zhì)黏土的承載力數(shù)值為12.15KPa.而通過其他的方式計算綜合獲得的數(shù)值為115KPa，兩組數(shù)值較為接近，具有一定的實(shí)用性。

2.2 穩(wěn)定性分析

地基的穩(wěn)定性在一般狀況之下都是通過圓弧滑動的方式進(jìn)行處理、驗算地基的狀況較為持久，應(yīng)用的土體工程參數(shù)都是通過固結(jié)快剪試驗進(jìn)行處理；在各個方面的條件允許狀況之下，可以應(yīng)用剪切試驗的有效應(yīng)立力法進(jìn)行處理。土地的有效抗剪強(qiáng)度主要就是通過三軸CU試驗測定分析，獲得試驗結(jié)果。對于一些巖坡相對穩(wěn)定的分析，可以利用極限平衡的方式進(jìn)行處理，應(yīng)用赤平極射的方式進(jìn)行投影分析。例如，在某巖質(zhì)邊坡中，邊坡高度為13米，而巖溶重量為23.3kN/m3，水溶重為9.8kN/m3，坡頂為192°∠5°，其邊坡面為187°∠61°。而底層的粘聚力為25.0KPa.，其內(nèi)摩擦角度為13.0°。

2.3 直接剪切試驗

直接剪切實(shí)試就是將試樣放置在垂直應(yīng)力之下，基于水平方式向試樣施加剪應(yīng)力再進(jìn)行剪切，綜合受力條件，可以將其劃分為三種類型

第一，快剪試驗。就是給試樣施加垂直壓力之后，立即以0.8mm/min剪切速度進(jìn)行水平剪切，使試樣在3～5min中內(nèi)剪損，本方法適用于滲透系數(shù)小于10-6cm/s的細(xì)粒土。對于淤泥以及淤泥質(zhì)類型的土方如果根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行剪切試驗，在實(shí)踐中則就會初選樣品被擠出，無法實(shí)試的問題。針對此種問題可以通過高于規(guī)范的速率方式進(jìn)行處理，在30秒中左右結(jié)束實(shí)驗或選擇固結(jié)剪切試驗，這樣就會獲得精準(zhǔn)的結(jié)果。對于不均勻的樣品，要根據(jù)軟、硬、軟、硬的速度進(jìn)行試驗，如果根據(jù)軟、軟、硬、硬的順序進(jìn)行實(shí)驗，則就會出現(xiàn)凝聚力C值變?yōu)樨?fù)數(shù)或者其內(nèi)摩擦角度值較大的現(xiàn)象。

第二，固結(jié)塊剪實(shí)驗

在垂直壓力狀態(tài)之下，保障試樣充分的排水固結(jié)后，同樣以0.8mm/min剪切速度進(jìn)行剪切，并在3～5min中剪損試樣，固結(jié)快剪在建筑物地基土層的自重壓力應(yīng)之下就會充分固結(jié)，可以在測算地基強(qiáng)度與穩(wěn)定性中應(yīng)用。

第三，慢剪試驗

根據(jù)工程實(shí)際和土的軟硬程度施加各級垂直壓力，對松軟試驗垂直壓力應(yīng)分級施加，以防土樣擠出，直至試驗固結(jié)變形穩(wěn)定之后，以小于0.02mm/min的剪切速度進(jìn)行剪切，當(dāng)試驗剪切至剪切位移為4mm已經(jīng)出現(xiàn)峰值時便可停機(jī)，若尚未出現(xiàn)峰值時則需要剪切至剪切位移為6mm時停機(jī)。本方法適用于細(xì)粒土。

結(jié)束語：

巖土工程勘察是保障工程的關(guān)鍵，而土的剪切試驗則是工程勘察中的關(guān)鍵內(nèi)容，直接影響地基的穩(wěn)定性。在工程建設(shè)以及應(yīng)用要綜合不同工程的特點(diǎn)以及試驗的需求選擇合適的剪切試驗，確定土體的抗剪切強(qiáng)度參數(shù)，綜合實(shí)際狀況合理應(yīng)用，進(jìn)而提升剪切試驗的科學(xué)性，提升工程建筑的整體質(zhì)量。