鉆孔剪切試驗(yàn)在填土中的應(yīng)用分析

徐其瑋

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福建?福州?350004）

巖土抗剪力強(qiáng)度，是支撐工程建設(shè)穩(wěn)定性的重要條件，需在系統(tǒng)性分析中做出有效評(píng)估，以此為工程建設(shè)的安全性與經(jīng)濟(jì)性提供必要保障。在進(jìn)行檢測(cè)分析的過(guò)程中，鉆孔剪切試驗(yàn)是較為有效的應(yīng)用方法，為了保證此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的合理性，需要對(duì)其基礎(chǔ)原理進(jìn)行分析，以此為實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1??鉆孔剪切試驗(yàn)概述

鉆孔剪切試驗(yàn)，將原位巖體作為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)特定檢測(cè)設(shè)備，對(duì)土層結(jié)構(gòu)中的抗剪力參數(shù)進(jìn)行分析。在實(shí)際工程項(xiàng)目的應(yīng)用中，此項(xiàng)技術(shù)手段不僅會(huì)應(yīng)用在天然土體結(jié)構(gòu)上，也會(huì)在填土等后天形成的土層類(lèi)型分析中發(fā)揮作用。技術(shù)原理上，此項(xiàng)檢測(cè)不會(huì)對(duì)土層結(jié)構(gòu)與含水量狀態(tài)造成影響，在上覆土層自重施加載荷的條件下，維護(hù)土體正常應(yīng)力狀態(tài)，并在實(shí)際施工環(huán)境中，保證了檢測(cè)分析的真實(shí)性與標(biāo)準(zhǔn)化，使檢測(cè)數(shù)據(jù)的指示效果明顯優(yōu)于室內(nèi)試驗(yàn)[1]。

鉆頭剪切試驗(yàn)過(guò)程中，可在剪切板與收縮活塞的作用下，使剪切頭達(dá)到待檢測(cè)的土層深度，并在獲取檢測(cè)土層樣本數(shù)據(jù)的同時(shí)，完成剪應(yīng)力峰值條件下的土體性質(zhì)綜合分析。技術(shù)原理上，將多組測(cè)定的“法向應(yīng)力-剪應(yīng)力”進(jìn)行線性整合，可以形成針對(duì)特定土體結(jié)構(gòu)的莫爾-庫(kù)倫破壞包線，由此測(cè)定并得出內(nèi)摩擦角與黏聚力這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)。

2??鉆孔剪切步驟說(shuō)明

鉆孔剪切檢測(cè)試驗(yàn)中，需要按照規(guī)范化的操作步驟進(jìn)行管理，并在如下步驟中，保證鉆孔剪切檢測(cè)的合理性。

（1）鉆探成孔。通過(guò)人工或機(jī)械成孔的方式，在待檢測(cè)土環(huán)境中生成孔洞，保證其孔徑范圍在75～80mm之間。在此項(xiàng)操作中，需盡可能地降低對(duì)土層的擾動(dòng)，并在一次操作中完成成孔。

（2）檢測(cè)設(shè)備安裝就位。在成孔基礎(chǔ)上，將連接拉桿的剪切頭放入待測(cè)定孔洞中，在避免其碰觸孔壁的同時(shí)，落實(shí)后續(xù)安裝加壓與剪切設(shè)備的安裝。

（3）測(cè)定初始數(shù)值。在試驗(yàn)進(jìn)行之前，使剪切頭與拉桿設(shè)備在試驗(yàn)深度位置懸空，通過(guò)拉桿鉗固定拉桿，并記錄其中的初始讀數(shù)，以此保證試驗(yàn)的合理性。

（4）加壓固結(jié)。通過(guò)空壓機(jī)、加壓泵、儲(chǔ)氣瓶等設(shè)備，在調(diào)壓閥設(shè)備的控制下，向剪切頭施加壓力。在實(shí)際操作中，需要對(duì)土壤環(huán)境進(jìn)行分析，以此確定具體的初始法向應(yīng)力條件。

（5）提拉剪切。在固結(jié)完成之后，應(yīng)勻速地?fù)u動(dòng)曲柄，完成剪切頭的提拉，并在此過(guò)程中讀取提拉峰值數(shù)據(jù)。

（6）在分析中，需要擁有足夠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過(guò)加固剪切的反復(fù)處理，在一個(gè)點(diǎn)位要測(cè)得3個(gè)數(shù)據(jù)，以此保證數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。

（7）在完成檢測(cè)分析之后，還需對(duì)剪切設(shè)備進(jìn)行清洗，保證儲(chǔ)存中的潔凈度。

3??鉆孔剪切試驗(yàn)的填土應(yīng)用案例分析

3.1??檢測(cè)環(huán)境分析

應(yīng)用鉆孔剪切法進(jìn)行填土剪力強(qiáng)度分析，需要對(duì)待檢測(cè)場(chǎng)地的環(huán)境做出評(píng)估，并在論證待檢測(cè)對(duì)象相關(guān)參數(shù)的同時(shí)，確保檢測(cè)方案的針對(duì)性與有效性，以此維持檢測(cè)環(huán)境的合理狀態(tài)。

本文所引用的實(shí)踐案例，為某段高速公路項(xiàng)目中的填方區(qū)土體強(qiáng)度檢測(cè)分析。在確定填方區(qū)域土體強(qiáng)度等級(jí)的同時(shí)，可為后續(xù)的土體治理方案提供基礎(chǔ)性的工程參數(shù)，并作出針對(duì)性的指導(dǎo)方案。在該項(xiàng)目施工之前，需要對(duì)填土周?chē)牡刭|(zhì)條件做出分析，在確定地質(zhì)環(huán)境與地下水不會(huì)對(duì)填土造成影響的基礎(chǔ)上，制定“法向應(yīng)力-剪應(yīng)力”檢測(cè)方案[2]。同時(shí)，在控制其土體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)，設(shè)置待檢測(cè)點(diǎn)位，并在不同的深度條件下，評(píng)估待檢測(cè)對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，為鉆孔剪切試驗(yàn)作出完整的分析計(jì)劃。

3.2??設(shè)備儀器校對(duì)

檢測(cè)試驗(yàn)的準(zhǔn)確度，受到設(shè)備使用條件的影響，為此，需要在執(zhí)行檢測(cè)之前，對(duì)設(shè)備進(jìn)行校對(duì)，保證其正常運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)，提高檢測(cè)的精度。而此種設(shè)備儀器的精度校對(duì)，不僅要在安裝之前進(jìn)行確認(rèn)，也要在安裝后分析整體系統(tǒng)的應(yīng)用條件，以此保證設(shè)備管理的有效性。案例項(xiàng)目中的儀器設(shè)備，采用Iowa鉆孔剪切試驗(yàn)儀，其結(jié)構(gòu)與部件如圖1所示。而在應(yīng)用條件檢測(cè)分析的過(guò)程中，也要針對(duì)這一設(shè)備的結(jié)構(gòu)特征，在合理選擇檢測(cè)分析技術(shù)的同時(shí)，保證系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的針對(duì)性與有效性，確定其實(shí)用價(jià)值。

圖1 Iowa鉆孔剪切試驗(yàn)儀

完成設(shè)備安裝之后，需要標(biāo)注試驗(yàn)剪切探頭的具體位置，在向橡皮管注水時(shí)，其體積每增加100cm3，都應(yīng)對(duì)其壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并時(shí)刻統(tǒng)計(jì)剪切頭中心位置的直徑。通過(guò)對(duì)這3項(xiàng)數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)，得出具體的變量參數(shù)。然后，通過(guò)標(biāo)定的數(shù)據(jù)，確定膨脹單元下的組合曲線參數(shù)，在形成指數(shù)函數(shù)型曲線與現(xiàn)行函數(shù)曲線的同時(shí)，分析數(shù)據(jù)之中的關(guān)聯(lián)性。

注意，如果工況環(huán)境相對(duì)較為復(fù)雜，并且?guī)в忻黠@的地下水，則需對(duì)此類(lèi)的干擾內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的修正與調(diào)整，以此保證檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用的合理性。例如，當(dāng)?shù)叵滤Y(jié)構(gòu)覆蓋值達(dá)到1.5～2m之后，需要分別對(duì)法向應(yīng)力、剪切應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析。在如下公式中完成計(jì)算分析：

式中：Pc為法向應(yīng)力修正值，單位為kPa；Pm為法向應(yīng)力的顯示讀數(shù)；Pe為指數(shù)函數(shù)型曲線中的標(biāo)準(zhǔn)壓力；hw為地下水深度，單位為m；h0為法向壓力裝置中穩(wěn)定水位的地面標(biāo)差；ρw為水密度的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，在計(jì)算中可取值10kN/m3。然后，在綜合剪切應(yīng)力條件與剪切表面積的分析中，可以確定設(shè)備的管理狀態(tài)，通過(guò)對(duì)檢測(cè)設(shè)備的系統(tǒng)性分析，在定位數(shù)據(jù)中，保證間接應(yīng)力的修正數(shù)值，以此維護(hù)地下水環(huán)境中設(shè)備使用合理性，保證設(shè)備調(diào)整技術(shù)的完整性。

3.3??剪切強(qiáng)度論證

案例項(xiàng)目的試驗(yàn)分析中，總共設(shè)定了3組檢測(cè)對(duì)象，并將檢測(cè)深度分別設(shè)定在0.5～2m與6.5～7m的深度區(qū)間中。通過(guò)法向應(yīng)力法，將強(qiáng)度范圍控制在20～100kPa區(qū)間，并完成具體剪應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。然后，在形成剪應(yīng)力與剪切位移提拉圈數(shù)的關(guān)系曲線條件下，繪制τ-σ關(guān)系曲線，并在最終的數(shù)據(jù)匯總中，形成、c結(jié)果。由此，就可將此類(lèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，在對(duì)檢測(cè)合理性進(jìn)行分析的同時(shí)，得到最終的結(jié)果數(shù)據(jù)，尤其在土體剪應(yīng)力參數(shù)與法向應(yīng)力關(guān)聯(lián)性的內(nèi)容中，可以確定兩者的正比關(guān)系[3]。同時(shí)，通過(guò)圖像化的數(shù)據(jù)展示，能夠在圖像的直觀表達(dá)中，定位出現(xiàn)最大提拉值的圈數(shù)，以此定位具體的填土土體強(qiáng)度。

另外，在試驗(yàn)的3組τ-σ關(guān)系曲線中，能夠針對(duì)不同的剪切位移狀態(tài)，確定系統(tǒng)中的強(qiáng)度包線。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，初步定位剪切中的最適宜圈數(shù)，以此保證計(jì)算強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度。而在3組檢測(cè)試驗(yàn)中，還加入了鉆孔掃深度的土體形態(tài)分析。通過(guò)對(duì)11.5m位置的標(biāo)貫試驗(yàn)，在10次敲擊處理后，采集土樣多為黏性土，并含有較多的角礫。獲得具體檢測(cè)數(shù)據(jù)的之后，需要對(duì)土層內(nèi)的擾動(dòng)狀態(tài)做出綜合性分析，通過(guò)對(duì)土質(zhì)黏聚力與內(nèi)擦角的統(tǒng)計(jì)分析，可以確定土體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度參數(shù)，由此，可以確定土層結(jié)構(gòu)的施工狀態(tài)，為后續(xù)的工程項(xiàng)目建設(shè)提供基礎(chǔ)性的保證條件。而此項(xiàng)檢驗(yàn)，也證實(shí)了前期基層土體施工填土的工作質(zhì)量，保證了不同工程建設(shè)內(nèi)容的高質(zhì)量銜接。

3.4??法向加壓方式與固結(jié)時(shí)間

（1）加壓級(jí)別。鉆孔剪切試驗(yàn)中，所施加的壓力，應(yīng)始終保證剪切板中齒狀凸起部分能夠完全壓入土層。控制方法上，可以嘗試將初始正應(yīng)力控制在無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)估數(shù)值的50%以內(nèi)。而在中等硬度的土層結(jié)構(gòu)中，可將初次固結(jié)的壓力設(shè)定在35kPa的固定數(shù)值上，對(duì)于軟土，則需根據(jù)實(shí)際情況，將這一數(shù)值再次調(diào)低。

（2）加壓方式。鉆孔剪切試驗(yàn)中，通常會(huì)采用分級(jí)加荷試驗(yàn)的方式，具體某一組試驗(yàn)處理中，在保證剪切頭測(cè)試位置穩(wěn)定的前提下，逐級(jí)增加法向壓力數(shù)值，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化，測(cè)算不同法向固結(jié)壓力中的抗剪力強(qiáng)度。通過(guò)這種方式展開(kāi)測(cè)量，可更好地保證測(cè)試速度的穩(wěn)定性，并提高測(cè)試結(jié)果精確度，實(shí)現(xiàn)排水時(shí)間的累積化管理。操作中，具體到某一層級(jí)的法向壓力數(shù)值時(shí)，可以在剪切試驗(yàn)期間或之后，實(shí)現(xiàn)剪切面土體的重新固結(jié)，并導(dǎo)致剪切面出現(xiàn)外移，停留在強(qiáng)度相對(duì)較低，且未出現(xiàn)擾動(dòng)現(xiàn)象的位置上。而出現(xiàn)這一現(xiàn)象，主要是由于剪切土體在固結(jié)排水黏聚力上，已經(jīng)超出了鄰近的原狀土結(jié)構(gòu)。對(duì)于質(zhì)地較為堅(jiān)硬的土體，為了保證剪切板的齒狀結(jié)構(gòu)可以更好地嵌入土層，需要使用高壓剪切頭，并在特殊的情況下，適當(dāng)?shù)匾敕謩e加荷試驗(yàn)法完成操作。

（3）固結(jié)時(shí)間。鉆孔剪切試驗(yàn)中，固結(jié)時(shí)間根據(jù)土體類(lèi)別不同，而表現(xiàn)出明顯的差異性。在無(wú)黏性土的結(jié)構(gòu)中，其排水固結(jié)能力相對(duì)較強(qiáng)，可以在縮短固結(jié)時(shí)間上起到積極作用。而在黏性土結(jié)構(gòu)中，由于黏粒含量較高，其排水能力也相對(duì)較弱，可以在延長(zhǎng)固結(jié)時(shí)間上發(fā)揮積極作用。在非飽和黏土、砂土、飽和無(wú)黏性土等結(jié)構(gòu)中，執(zhí)行分級(jí)加壓固結(jié)處理時(shí)，可將固結(jié)時(shí)間控制在5min左右；而對(duì)于飽和黏性土，則需要控制孔隙水的壓力消散狀態(tài)，將時(shí)間調(diào)整到10～20min。注意，當(dāng)法向壓力采用分級(jí)加荷的技術(shù)時(shí)，需要將固結(jié)時(shí)間調(diào)整在5～10min區(qū)間內(nèi)。

4??總結(jié)

綜上所述，鉆孔剪切技術(shù)在建筑工程的基礎(chǔ)項(xiàng)目中，有較強(qiáng)的應(yīng)用空間，通過(guò)對(duì)檢測(cè)項(xiàng)目的系統(tǒng)分析，可以盡可能地優(yōu)化其應(yīng)用條件。尤其在異構(gòu)條件下的人工填土檢測(cè)中，此項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)能夠憑借自身的系統(tǒng)性技術(shù)條件，完成檢測(cè)分析。而此項(xiàng)檢測(cè)方法的應(yīng)用，也使得整體工程建設(shè)水平得到了優(yōu)化升級(jí)。