徐其瑋

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

巖土抗剪力強度，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估，以此為工程建設(shè)的安全性與經(jīng)濟性提供必要保障。在進行檢測分析的過程中，鉆孔剪切試驗是較為有效的應(yīng)用方法，為了保證此項技術(shù)應(yīng)用的合理性，需要對其基礎(chǔ)原理進行分析，以此為實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1??鉆孔剪切試驗概述

鉆孔剪切試驗，將原位巖體作為試驗對象，通過特定檢測設(shè)備，對土層結(jié)構(gòu)中的抗剪力參數(shù)進行分析。在實際工程項目的應(yīng)用中，此項技術(shù)手段不僅會應(yīng)用在天然土體結(jié)構(gòu)上，也會在填土等后天形成的土層類型分析中發(fā)揮作用。技術(shù)原理上，此項檢測不會對土層結(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，維護土體正常應(yīng)力狀態(tài)，并在實際施工環(huán)境中，保證了檢測分析的真實性與標準化，使檢測數(shù)據(jù)的指示效果明顯優(yōu)于室內(nèi)試驗[1]。

鉆頭剪切試驗過程中，可在剪切板與收縮活塞的作用下，使剪切頭達到待檢測的土層深度，并在獲取檢測土層樣本數(shù)據(jù)的同時，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，將多組測定的“法向應(yīng)力-剪應(yīng)力”進行線性整合，可以形成針對特定土體結(jié)構(gòu)的莫爾-庫倫破壞包線，由此測定并得出內(nèi)摩擦角與黏聚力這兩項數(shù)據(jù)。

2??鉆孔剪切步驟說明

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

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

（2）檢測設(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定孔洞中，在避免其碰觸孔壁的同時，落實后續(xù)安裝加壓與剪切設(shè)備的安裝。

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

（4）加壓固結(jié)。通過空壓機、加壓泵、儲氣瓶等設(shè)備，在調(diào)壓閥設(shè)備的控制下，向剪切頭施加壓力。在實際操作中，需要對土壤環(huán)境進行分析，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)勻速地搖動曲柄，完成剪切頭的提拉，并在此過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)，通過加固剪切的反復(fù)處理，在一個點位要測得3個數(shù)據(jù)，以此保證數(shù)據(jù)分析的準確性。

（7）在完成檢測分析之后，還需對剪切設(shè)備進行清洗，保證儲存中的潔凈度。

3??鉆孔剪切試驗的填土應(yīng)用案例分析

3.1??檢測環(huán)境分析

應(yīng)用鉆孔剪切法進行填土剪力強度分析，需要對待檢測場地的環(huán)境做出評估，并在論證待檢測對象相關(guān)參數(shù)的同時，確保檢測方案的針對性與有效性，以此維持檢測環(huán)境的合理狀態(tài)。

本文所引用的實踐案例，為某段高速公路項目中的填方區(qū)土體強度檢測分析。在確定填方區(qū)域土體強度等級的同時，可為后續(xù)的土體治理方案提供基礎(chǔ)性的工程參數(shù)，并作出針對性的指導(dǎo)方案。在該項目施工之前，需要對填土周圍的地質(zhì)條件做出分析，在確定地質(zhì)環(huán)境與地下水不會對填土造成影響的基礎(chǔ)上，制定“法向應(yīng)力-剪應(yīng)力”檢測方案[2]。同時，在控制其土體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點，設(shè)置待檢測點位，并在不同的深度條件下，評估待檢測對象的風(fēng)險指標，為鉆孔剪切試驗作出完整的分析計劃。

3.2??設(shè)備儀器校對

檢測試驗的準確度，受到設(shè)備使用條件的影響，為此，需要在執(zhí)行檢測之前，對設(shè)備進行校對，保證其正常運行狀態(tài)的同時，提高檢測的精度。而此種設(shè)備儀器的精度校對，不僅要在安裝之前進行確認，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。案例項目中的儀器設(shè)備，采用Iowa鉆孔剪切試驗儀，其結(jié)構(gòu)與部件如圖1所示。而在應(yīng)用條件檢測分析的過程中，也要針對這一設(shè)備的結(jié)構(gòu)特征，在合理選擇檢測分析技術(shù)的同時，保證系統(tǒng)監(jiān)測的針對性與有效性，確定其實用價值。

圖1 Iowa鉆孔剪切試驗儀

完成設(shè)備安裝之后，需要標注試驗剪切探頭的具體位置，在向橡皮管注水時，其體積每增加100cm3，都應(yīng)對其壓力數(shù)據(jù)進行記錄，并時刻統(tǒng)計剪切頭中心位置的直徑。通過對這3項數(shù)據(jù)的對應(yīng)統(tǒng)計，得出具體的變量參數(shù)。然后，通過標定的數(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，分析數(shù)據(jù)之中的關(guān)聯(lián)性。

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

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)型曲線中的標準壓力；hw為地下水深度，單位為m；h0為法向壓力裝置中穩(wěn)定水位的地面標差；ρw為水密度的標準參數(shù)，在計算中可取值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)，通過對檢測設(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??剪切強度論證

案例項目的試驗分析中，總共設(shè)定了3組檢測對象，并將檢測深度分別設(shè)定在0.5～2m與6.5～7m的深度區(qū)間中。通過法向應(yīng)力法，將強度范圍控制在20～100kPa區(qū)間，并完成具體剪應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計。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，就可將此類檢測數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，在對檢測合理性進行分析的同時，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，通過圖像化的數(shù)據(jù)展示，能夠在圖像的直觀表達中，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度。

另外，在試驗的3組τ-σ關(guān)系曲線中，能夠針對不同的剪切位移狀態(tài)，確定系統(tǒng)中的強度包線。通過統(tǒng)計分析，初步定位剪切中的最適宜圈數(shù)，以此保證計算強度的計算結(jié)果準確度。而在3組檢測試驗中，還加入了鉆孔掃深度的土體形態(tài)分析。通過對11.5m位置的標貫試驗，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。獲得具體檢測數(shù)據(jù)的之后，需要對土層內(nèi)的擾動狀態(tài)做出綜合性分析，通過對土質(zhì)黏聚力與內(nèi)擦角的統(tǒng)計分析，可以確定土體結(jié)構(gòu)的強度參數(shù)，由此，可以確定土層結(jié)構(gòu)的施工狀態(tài)，為后續(xù)的工程項目建設(shè)提供基礎(chǔ)性的保證條件。而此項檢驗，也證實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)時間

（1）加壓級別。鉆孔剪切試驗中，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?？刂品椒ㄉ?，可以嘗試將初始正應(yīng)力控制在無側(cè)限抗壓強度預(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，對于軟土，則需根據(jù)實際情況，將這一數(shù)值再次調(diào)低。

（2）加壓方式。鉆孔剪切試驗中，通常會采用分級加荷試驗的方式，具體某一組試驗處理中，在保證剪切頭測試位置穩(wěn)定的前提下，逐級增加法向壓力數(shù)值，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化，測算不同法向固結(jié)壓力中的抗剪力強度。通過這種方式展開測量，可更好地保證測試速度的穩(wěn)定性，并提高測試結(jié)果精確度，實現(xiàn)排水時間的累積化管理。操作中，具體到某一層級的法向壓力數(shù)值時，可以在剪切試驗期間或之后，實現(xiàn)剪切面土體的重新固結(jié)，并導(dǎo)致剪切面出現(xiàn)外移，停留在強度相對較低，且未出現(xiàn)擾動現(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)。對于質(zhì)地較為堅硬的土體，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加荷試驗法完成操作。

（3）固結(jié)時間。鉆孔剪切試驗中，固結(jié)時間根據(jù)土體類別不同，而表現(xiàn)出明顯的差異性。在無黏性土的結(jié)構(gòu)中，其排水固結(jié)能力相對較強，可以在縮短固結(jié)時間上起到積極作用。而在黏性土結(jié)構(gòu)中，由于黏粒含量較高，其排水能力也相對較弱，可以在延長固結(jié)時間上發(fā)揮積極作用。在非飽和黏土、砂土、飽和無黏性土等結(jié)構(gòu)中，執(zhí)行分級加壓固結(jié)處理時，可將固結(jié)時間控制在5min左右；而對于飽和黏性土，則需要控制孔隙水的壓力消散狀態(tài)，將時間調(diào)整到10～20min。注意，當(dāng)法向壓力采用分級加荷的技術(shù)時，需要將固結(jié)時間調(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)項目中，有較強的應(yīng)用空間，通過對檢測項目的系統(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中，此項檢測技術(shù)能夠憑借自身的系統(tǒng)性技術(shù)條件，完成檢測分析。而此項檢測方法的應(yīng)用，也使得整體工程建設(shè)水平得到了優(yōu)化升級。