復(fù)雜建筑場(chǎng)地土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)新型原位測(cè)試試驗(yàn)研究

劉克文 林 偉* 張洪寬 郭光八

(十四冶建設(shè)云南勘察設(shè)計(jì)有限公司，云南 昆明 650031)

0 引言

土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)是巖土和地下工程設(shè)計(jì)和處理所依據(jù)的土體主要工程特性指標(biāo)，廣泛應(yīng)用于各類工程建設(shè)[1-5]，其獲取構(gòu)成巖土工程勘察的重要內(nèi)容。由于土體物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的特殊性、變異性，其強(qiáng)度參數(shù)的確定具有困難和不確定性，有關(guān)其獲取方法和技術(shù)還在研究和發(fā)展中。目前，土體強(qiáng)度參數(shù)的獲取方法分為實(shí)驗(yàn)測(cè)試、工程類似和理論分析三大類。較為理想和可靠的途徑是采用現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試。原位測(cè)試手段已成為軟土及土石混合體強(qiáng)度測(cè)量的主要手段和發(fā)展方向。目前，常用的原位檢測(cè)檢測(cè)方法，有十字板剪切試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)。十字板剪切試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，但僅適于軟土地層?，F(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)儀器設(shè)備安裝、操作復(fù)雜。缺點(diǎn)是成本高、費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響因素不容控制，且難以用于深層土體測(cè)試。

1 試驗(yàn)原理及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

Phicometre新型鉆孔原位剪切試驗(yàn)系統(tǒng)主要構(gòu)成。此外，還有提供壓力的氮?dú)馄?、壓力—體積控制單元，用以記錄剪切探頭所受的水平向正應(yīng)力，并通過(guò)導(dǎo)管將水壓入和排出探頭內(nèi)的橡膠壓力腔，使探頭膨脹和收縮。剪切探頭是整個(gè)試驗(yàn)儀的核心部件，為一開縫的金屬殼體。殼體中部表面帶有10片環(huán)形不銹鋼刃片，第5或第6刃片初始外徑為58 mm，正式試驗(yàn)前需重新校準(zhǔn)兩者尺寸，刃片段的長(zhǎng)度為230 mm。試驗(yàn)過(guò)程中，由殼體內(nèi)部一個(gè)橡膠壓力來(lái)保持探頭的膨脹狀態(tài)，將刃片壓入鉆孔四周土體內(nèi)，并采用一個(gè)中空千斤頂提供上拔剪切力。

1.2 試驗(yàn)原理與過(guò)程

試驗(yàn)前，先將剪切探頭在地面空氣中自由狀態(tài)下進(jìn)行校準(zhǔn)，且不同地點(diǎn)的場(chǎng)地，每次更換探頭內(nèi)的橡膠壓力腔后，均需對(duì)其校準(zhǔn)。校正過(guò)程中，記錄探頭在各級(jí)水平向正應(yīng)力σ0作用下壓入探頭的水體積V，以及探頭第5或第6刃片的外徑d。以壓入水體積V為縱坐標(biāo)，分別以水平向正應(yīng)力σ0、第5或第6刃片外徑d為橫坐標(biāo)，擬合出壓入水的體積V與正應(yīng)力σ0、壓入水的體積V—探頭外徑d的關(guān)系。由分析可知，V與σ0呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，V與d一般呈線性關(guān)系。

作為實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作,還應(yīng)先在場(chǎng)地內(nèi)選定位置，用鉆機(jī)成孔(孔徑62 mm～65 mm)，鉆孔深度與測(cè)試深度的差值不得超過(guò)1.5 m。將探頭放入預(yù)定測(cè)試深度后，加載壓力σm，使土體與探頭預(yù)接觸，記錄壓入水的體積V與正應(yīng)力σm，擬合出兩者之間的關(guān)系曲線圖，并將之與以上V與σ0之間的圖對(duì)比。當(dāng)相同注入水體積下的σm與σ0之間的差值大于50 kPa時(shí)，認(rèn)為鉆孔內(nèi)的探頭不銹鋼刃片完全壓入四周土體內(nèi)，探頭與四周土體充分接觸。在此條件下，可開始正式剪切試驗(yàn)，過(guò)程如下：

在鉆孔預(yù)定深度，采用壓力—體積控制單元，依次加載4級(jí)～8級(jí)水平壓力σm。根據(jù)土體軟硬程度，壓力級(jí)差取50 kPa～100 kPa，相對(duì)軟弱土層取小值，較硬土層取大值。每級(jí)水平壓力σm加載后，待土體固結(jié)變形趨于穩(wěn)定，用千斤頂施加豎向上拔剪切荷載T，通過(guò)測(cè)力計(jì)每30 s記錄一次施加力。同時(shí)，保持千分表30 s內(nèi)穩(wěn)定持續(xù)向上剪切1 mm，每級(jí)壓力持續(xù)不間斷剪切210 s，累計(jì)剪切位移量為7 mm。剪切過(guò)程中，始終保持水平壓力σm恒定，于記錄的7次上拔荷載T中，取最大值Tmax作為上拔剪切力。

1.3 土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算方法

對(duì)應(yīng)每級(jí)壓力σm，可計(jì)算得到一組正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ。如探頭位于孔內(nèi)水位以上，正應(yīng)力σ按式(1)計(jì)算：

σ=σm+(h0+h)×γw-σ0

(1)

其中，σm為壓力—體積控制單元中壓力表讀數(shù)，kPa;h0為壓力—體積控制單元中壓力表離地面的高度，m；h為剪切試驗(yàn)測(cè)試深度，m；γw為水的重度,10 kN/m3;σ0為壓入水的體積相同(探頭膨脹量相同)時(shí)，空氣中自由狀態(tài)下所需的正應(yīng)力,kPa，如果探頭位于孔內(nèi)水位以下，則正應(yīng)力σ的計(jì)算公式為：

σ=σm+(h0+hw)×γw-σ0

(2)

其中，γw為水的重度,10 kN/m3。剪應(yīng)力τ為:

τ=Tmax/S

(3)

其中，Tmax為卸載千斤頂上拔剪切荷載最大值,kPa;S為剪切作用面積,m2，按式(4)計(jì)算：

S=π×d×L

(4)

其中，d為鉆孔內(nèi)的探頭外徑，m，當(dāng)壓入水的體積相同(探頭膨脹量相同)時(shí)，認(rèn)為該外徑與空氣中自由狀態(tài)下探頭外徑相等；L為探頭有不銹鋼刃片段的長(zhǎng)度，為固定值0.23 m。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與成果

選取云南省澄江縣廣龍8號(hào)地塊、昆明市五華區(qū)宜家家居廣場(chǎng)、昆明市呈貢區(qū)興冶國(guó)際3個(gè)項(xiàng)目場(chǎng)地。場(chǎng)地包含軟土、各種黏土及粉質(zhì)黏土、稍密圓礫，實(shí)測(cè)了各種土層剪切強(qiáng)度。澄江縣廣龍8號(hào)地塊項(xiàng)目于場(chǎng)地內(nèi)不同位置鉆孔8個(gè)，測(cè)試了16組數(shù)據(jù)，測(cè)試土層包括可塑黏土、硬塑殘積黏土、全風(fēng)化玄武巖等，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 澄江縣廣龍8號(hào)地塊項(xiàng)目鉆孔剪切試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

1)同一土層新型鉆孔原位剪切試驗(yàn)得到的黏聚力C較室內(nèi)土工試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)小，而內(nèi)摩擦角φ較室內(nèi)土工試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)大。2)和強(qiáng)度較低土層相比，強(qiáng)度較高的土層測(cè)試得到的黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ較大，而且數(shù)據(jù)的離散性也較小，線性相關(guān)系數(shù)較大，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。因此該試驗(yàn)適用于正常固結(jié)土、超固結(jié)土等相對(duì)較硬土層。3)成孔質(zhì)量對(duì)試驗(yàn)成果的影響最為顯著，相對(duì)于較硬土層，軟土成孔縮徑嚴(yán)重，探頭難以自由放置到測(cè)試深度，此時(shí)可適當(dāng)增大鉆頭、鉆具的直徑。

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