土的抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力。在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應(yīng)力，當(dāng)土中某點(diǎn)的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，該點(diǎn)便發(fā)生剪切破壞。隨著外荷載的增大，地基中達(dá)到強(qiáng)度被破壞的點(diǎn)越來(lái)越多，最后形成一個(gè)連續(xù)的滑動(dòng)面，這時(shí)建筑物的地基或土坡就會(huì)失去整體穩(wěn)定而發(fā)生土體滑動(dòng)，從而造成工程事故。
工程實(shí)踐和室內(nèi)試驗(yàn)都證實(shí)了土是由于受剪而產(chǎn)生破壞，剪切破壞是土體強(qiáng)度破壞的重要特點(diǎn)，因此，土的強(qiáng)度問(wèn)題實(shí)質(zhì)上就是土的抗剪強(qiáng)度問(wèn)題。
在工程中與土的抗剪強(qiáng)度有關(guān)的工程問(wèn)題有三類：
第一類是以土作為建造材料的土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定性問(wèn)題，如土壩、路堤等填方邊坡以及天然土坡等的穩(wěn)定性問(wèn)題。
第二類是土作為工程構(gòu)筑物環(huán)境的安全性問(wèn)題，即土壓力問(wèn)題，如擋土墻、地下結(jié)構(gòu)等的周圍土體，它的強(qiáng)度破壞將造成對(duì)墻體過(guò)大的側(cè)向土壓力，以至可能導(dǎo)致這些工程構(gòu)筑物發(fā)生滑動(dòng)、傾覆等破壞事故。
第三類是土作為建筑物地基的承載力問(wèn)題，地基土體產(chǎn)生整體滑動(dòng)或因局部剪切破壞而導(dǎo)致過(guò)大的地基變形，將會(huì)造成上部結(jié)構(gòu)的破壞或影響其正常使用功能。
土體發(fā)生剪切破壞時(shí)，將沿著其內(nèi)部某一曲面（滑動(dòng)面）產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，而該滑動(dòng)面上的切應(yīng)力就等于土的抗剪強(qiáng)度。1776年，法國(guó)學(xué)者庫(kù)侖通過(guò)一系列土的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，于1776年總結(jié)出土的抗剪強(qiáng)度定律：
測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗(yàn)方法主要有室內(nèi)剪切試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)二大類：
直剪儀示意圖
三軸壓縮儀
無(wú)側(cè)限壓縮儀示意圖
但是，傳統(tǒng)測(cè)量土體抗剪強(qiáng)度的方法存在諸多不足。
|
|
|
|
|
剪切面不一定是試樣抗剪能力最弱的面；
剪切面上的剪應(yīng)力分布不均勻，而且受剪切面的面積愈來(lái)愈?。?/span>
不能嚴(yán)格控制排水條件，測(cè)不出剪切過(guò)程中孔隙水壓力的變化。
|
|
|
操作復(fù)雜，主應(yīng)力方向固定不變，而且是在令σ2 = σ3的軸對(duì)稱情況下進(jìn)行的，與實(shí)際情況不符合。
|
|
|
對(duì)試樣制備要求較高，使用范圍有一定的局限性。
|
|
|
|
鑒于傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的種種不足，工程科技人員研制出了一種新型巖土體抗剪強(qiáng)度原位測(cè)試方法——鉆孔剪切試驗(yàn)。鉆孔剪切試驗(yàn)儀可以在現(xiàn)場(chǎng)鉆孔中或者機(jī)械成孔、人工成孔中進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算即可得到孔中相應(yīng)部位土的粘聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)。該試驗(yàn)方法對(duì)土的擾動(dòng)小，具有原位測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)。
鉆孔剪切試驗(yàn)是將一個(gè)帶有水平環(huán)形鋼齒的探頭，放置在一個(gè)直徑63mm的鉆孔中。通過(guò)膨脹探頭，施加徑向的壓力σ，水平鋼齒就會(huì)插入到孔壁的巖土體中。鉆孔剪切試驗(yàn)的基本原理如圖所示。
鉆孔剪切試驗(yàn)基本原理
其中，d=鋼齒的直徑，l=鋼齒范圍的長(zhǎng)度。
保持徑向壓力σ不變，向上拉起探頭，對(duì)孔壁巖土體進(jìn)行剪切，拉力為T，從而可以計(jì)算出土體的抗剪強(qiáng)度：
如此這樣，每一步加載都能計(jì)算出一對(duì)(σ i , τ i )值。通過(guò)將這些成對(duì)的值描繪到坐標(biāo)軸中可以擬合得到一條直線，可以通過(guò)這條直線得到剪切參數(shù)c和?值，這個(gè)與庫(kù)侖包絡(luò)的粘聚力和摩擦角相符。得到的原位剪切參數(shù)稱為粘聚力ci和摩擦角?i，它們只是過(guò)渡值，可以通過(guò)這兩個(gè)值導(dǎo)出常用的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值。
鉆孔剪切儀包含以下四個(gè)部分：探頭、鉆具、地面設(shè)備、輔助工具。
鉆孔剪切儀試驗(yàn)裝置
探頭由一個(gè)單一的可膨脹的元件組成，內(nèi)部有一個(gè)特殊的開(kāi)縫的管，這個(gè)特殊的開(kāi)縫管由以下幾部分組成：①中心區(qū)域由1個(gè)堅(jiān)硬的殼組成，這個(gè)硬殼上裝有水平的齒，這個(gè)是主要的測(cè)量裝置。②兩個(gè)外部區(qū)域由幾個(gè)薄的長(zhǎng)條組成，薄條像彈簧一樣工作。
鉆具是由直徑32mm的鉆機(jī)桿組成的，最頂端的那根鉆孔調(diào)節(jié)桿必須整個(gè)長(zhǎng)度布滿螺紋。一套標(biāo)準(zhǔn)的頂端鉆孔調(diào)節(jié)桿至少由以下3種規(guī)格組成：①1×0.4m長(zhǎng)桿；②1×0.8m長(zhǎng)桿；③1×1.2m 長(zhǎng)桿。
① 拉力系統(tǒng)。由千斤頂提供拉力，通過(guò)拉力表測(cè)得拉力值。
② 壓力-體積控制單元。通過(guò)壓力-體積控制單元控制探頭的壓力和膨脹量。
③ 垂直方向變形測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)千分表測(cè)量垂直位移。
輔助工具包含游標(biāo)卡尺、手動(dòng)真空泵等。
鉆孔的質(zhì)量是進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的一個(gè)最根本的控制因素，鉆孔直徑dt必須在以下范圍之內(nèi)：
62mm＜dt＜65mm
鉆孔的長(zhǎng)度一定不能超過(guò)測(cè)試深度1.5米。在顆粒土中，需要使用濃泥漿對(duì)鉆孔進(jìn)行護(hù)壁，護(hù)到測(cè)量深度上方1m 處。每次測(cè)試時(shí)，只能將鉆孔鉆到需要的深度。
將探頭豎直放置在壓力-體積控制單元旁邊，測(cè)出探頭的中部高度Zs和千分表的高度 Zc。體積按照每級(jí)100cm3 增量逐步地從200cm3增加到600cm3 。在每一級(jí)中，通過(guò)壓力表讀出相應(yīng)的壓力Pr，同時(shí)用游標(biāo)卡尺測(cè)出第五個(gè)或者第六個(gè)鋼齒的外直徑ds(毫米)。繪制出修正曲線。修正的壓力Pe通過(guò)公式 Pe=Ph+Pr計(jì)算得到，Ph代表由于探頭和中央測(cè)量裝置間的升高產(chǎn)生的流體靜壓力，Ph=10*(Zc-Zs)。
安裝設(shè)備，測(cè)出鉆孔中的水位高度，將探頭下放到想要的深度。
包括測(cè)壓元件、千分表、計(jì)時(shí)表初始化。
鉆孔剪切試驗(yàn)測(cè)試原理示意圖
a:鉆孔及安放套管；b.將探頭放到測(cè)試的深度
c.徑向擴(kuò)張?zhí)筋^進(jìn)行測(cè)量；d.在持續(xù)的徑向壓力下向上拉探頭
繪制曲線：V=f(p) 和 V=f(d)。這里，p 代表校準(zhǔn)壓力，d 代表探頭的外直徑?？梢允褂靡粋€(gè)曲線調(diào)整程序進(jìn)行優(yōu)化， V=f(p)曲線是一個(gè)指數(shù)函數(shù)， V=f(d)曲線是一個(gè)線性函數(shù)。
修正的正應(yīng)力pc 、剪應(yīng)力T的計(jì)算
對(duì)于每個(gè)加載步驟，修正的正應(yīng)力、pc，施加到土體上的力按下式計(jì)算：
① 如果鉆孔從孔口到測(cè)試位置是干的：
pc = pM + (zc - zs) x Γw – pe
② 如果鉆孔充滿了水或者泥漿：
pc = pM + (zc - zw) x Γw - pe
在這里：
pM 代表壓力表上的讀數(shù)；
zc、zs、zw分別代表控制單元、探頭和水位的高度；
pe 代表從與 VF 相符的標(biāo)準(zhǔn)曲線上讀出的標(biāo)準(zhǔn)壓力；
Γw 代表水的密度=10 kN/m3
加載步驟中，剪切破壞的強(qiáng)度，t，按照下式計(jì)算：
t = Tmax/S
這里，Tmax 代表加載過(guò)程中測(cè)得的最大拉力；S 代表剪切表面的面積。
S = π .d . L
L 代表探頭的有效長(zhǎng)度，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)探頭，L=23cm；直徑d，從與體積 VF 相符的標(biāo)準(zhǔn)曲線上讀出。
對(duì)于每一加載步驟，均可以獲得以下內(nèi)容：
-
增壓過(guò)程中的蠕變，dVD，等于旁壓蠕變：
dVD = VD1' - VD30"
-
剪切過(guò)程中，探頭的體積增大帶來(lái)的剪脹：
VF - VD = VF - VD1
可以繪出下面的曲線：
dVD 體現(xiàn)了 pc 的作用，此曲線稱為“蠕變曲線”。VF–VD 體現(xiàn)了pc的作用稱為“膨脹曲線”。V體現(xiàn)了pc的作用，它凸顯了每一加載步的VD1'和VF。
從這些圖中，任何最終的異常都可以看到，通過(guò)觀察，可以將異常點(diǎn)從特征曲線上去掉。
將成對(duì)的（t, pc）繪制到圖上，自然會(huì)產(chǎn)生正確的堆點(diǎn)圖形，可以繪出特征曲線，得到以下值：
Φi=原位內(nèi)摩擦角
ci=原位粘聚力
可以按照以下步驟進(jìn)行計(jì)算：
①剔除異常點(diǎn)后，通過(guò)最小二乘法對(duì)土體特征曲線進(jìn)行修正。
這里，n 是點(diǎn)的個(gè)數(shù)。
②對(duì)于粘聚力接近于0的土，精確讀數(shù)會(huì)導(dǎo)致獲得的粘聚力小存在較小的偏差。為了避免這種情況，可以通過(guò)取平均值的方法重新調(diào)節(jié)參數(shù)特性，方法如下：
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，居住于城市中的人越來(lái)越多。近些年來(lái)關(guān)于“垃圾圍城”的新聞屢見(jiàn)不鮮，對(duì)垃圾填埋場(chǎng)的城市固體廢棄物的巖土力學(xué)特征研究越來(lái)越緊迫了。在垃圾填埋場(chǎng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和管理的研究中，剪切強(qiáng)度的研究是必須的。城市固體廢棄物的材料非常復(fù)雜，它們的成份隨時(shí)間以及在不同的地方差異是很大的。它們的粒度不僅包含很大塊的物體，還包含非常小的以及纖細(xì)的物體，這些會(huì)影響它們的剪切強(qiáng)度。
下圖是用鉆孔剪切儀對(duì)一個(gè)垃圾填埋場(chǎng)的固體廢棄物測(cè)得的結(jié)果，場(chǎng)地位于比利時(shí)某地，18m深處。這個(gè)試樣已經(jīng)按照垃圾處理的規(guī)定進(jìn)行了壓縮。
▲ 18m深度城市壓縮固體垃圾鉆孔剪切試驗(yàn)結(jié)果
在這幅圖中，除了最開(kāi)始的兩個(gè)點(diǎn)，其它試驗(yàn)測(cè)得的點(diǎn)在同一條直線上，由此可以得到原位測(cè)試粘聚力為14kPa，摩擦角為33°。這些值與高剪切強(qiáng)度的材料相符，很像顆粒土的特征。
采用同一種方法，進(jìn)行另外一個(gè)測(cè)試，在14m深度進(jìn)行（下圖），得到了完全不一樣的值，顯示了測(cè)試區(qū)域固體廢棄物的另外一種特征。原位粘聚力和摩擦角分別為26kPa和18°。在這個(gè)案例中，這種土的行為可以看作是與粘性土相同。
▲ 14m深度城市壓縮固體垃圾鉆孔剪切試驗(yàn)結(jié)果
這兩個(gè)試驗(yàn)對(duì)同一種材料表現(xiàn)出了兩種不同的行為，而且顯示出了它們剪切特征較大的差異。因此，選擇相應(yīng)的特性和剪切強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值時(shí)必須非常慎重，特別是在一些開(kāi)展了很多個(gè)試驗(yàn)的案例中。
下圖中顯示了這樣的一個(gè)分布類型，圖中所有原位剪切測(cè)試的測(cè)量值取自于同一個(gè)固體廢棄物填埋場(chǎng)，具有代表性。
▲ 同一個(gè)垃圾填埋場(chǎng)不同深度全部抗剪強(qiáng)度分布圖
從圖中可以看出，這個(gè)壓縮的城市固體垃圾的摩擦角為17到34°，粘聚力為30到50kPa，這個(gè)為設(shè)計(jì)值。
工業(yè)中燃煤的燃燒產(chǎn)生大量的灰渣，根據(jù)相關(guān)的條例，一些灰渣可以用于建筑業(yè)，另外，也可以用于填埋場(chǎng)地。對(duì)于燃煤灰渣的巖土工程特性的研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注。
下圖顯示的是一個(gè)典型的鉆孔剪切試驗(yàn)結(jié)果，這個(gè)試驗(yàn)是在一個(gè)燃燒灰堆的1.4m深度測(cè)試的。這些燃煤灰渣大約是一年前產(chǎn)生的，達(dá)到了某種固結(jié)的程度。
▲ 燃煤灰渣填埋場(chǎng)一年后1.4m深度鉆孔剪切試驗(yàn)結(jié)果
從這幅圖中可以看到，大多數(shù)的試驗(yàn)點(diǎn)在同一條直線上，由此可以得到摩擦角為42°，沒(méi)有粘聚力，表現(xiàn)出了一種與粗顆粒材料相似的特征。
關(guān)注并聯(lián)系歐美大地，了解更多土的抗剪強(qiáng)度測(cè)試方法及鉆孔剪切儀應(yīng)用案例。
