钻孔剪切试验在填土中的应用分析

2019-03-27徐其玮

工程与试验 2019年4期

徐其玮

（福建省交通规划设计院有限公司，福建福州 350004）

岩土抗剪力强度，是支撑工程建设稳定性的重要条件，需在系统性分析中做出有效评估，以此为工程建设的安全性与经济性提供必要保障。在进行检测分析的过程中，钻孔剪切试验是较为有效的应用方法，为了保证此项技术应用的合理性，需要对其基础原理进行分析，以此为实际应用提供理论指导。

1 钻孔剪切试验概述

钻孔剪切试验，将原位岩体作为试验对象，通过特定检测设备，对土层结构中的抗剪力参数进行分析。在实际工程项目的应用中，此项技术手段不仅会应用在天然土体结构上，也会在填土等后天形成的土层类型分析中发挥作用。技术原理上，此项检测不会对土层结构与含水量状态造成影响，在上覆土层自重施加载荷的条件下，维护土体正常应力状态，并在实际施工环境中，保证了检测分析的真实性与标准化，使检测数据的指示效果明显优于室内试验[1]。

钻头剪切试验过程中，可在剪切板与收缩活塞的作用下，使剪切头达到待检测的土层深度，并在获取检测土层样本数据的同时，完成剪应力峰值条件下的土体性质综合分析。技术原理上，将多组测定的“法向应力-剪应力”进行线性整合，可以形成针对特定土体结构的莫尔-库伦破坏包线，由此测定并得出内摩擦角与黏聚力这两项数据。

2 钻孔剪切步骤说明

钻孔剪切检测试验中，需要按照规范化的操作步骤进行管理，并在如下步骤中，保证钻孔剪切检测的合理性。

（1）钻探成孔。通过人工或机械成孔的方式，在待检测土环境中生成孔洞，保证其孔径范围在75～80mm之间。在此项操作中，需尽可能地降低对土层的扰动，并在一次操作中完成成孔。

（2）检测设备安装就位。在成孔基础上，将连接拉杆的剪切头放入待测定孔洞中，在避免其碰触孔壁的同时，落实后续安装加压与剪切设备的安装。

（3）测定初始数值。在试验进行之前，使剪切头与拉杆设备在试验深度位置悬空，通过拉杆钳固定拉杆，并记录其中的初始读数，以此保证试验的合理性。

（4）加压固结。通过空压机、加压泵、储气瓶等设备，在调压阀设备的控制下，向剪切头施加压力。在实际操作中，需要对土壤环境进行分析，以此确定具体的初始法向应力条件。

（5）提拉剪切。在固结完成之后，应匀速地摇动曲柄，完成剪切头的提拉，并在此过程中读取提拉峰值数据。

（6）在分析中，需要拥有足够的数据基础，通过加固剪切的反复处理，在一个点位要测得3个数据，以此保证数据分析的准确性。

（7）在完成检测分析之后，还需对剪切设备进行清洗，保证储存中的洁净度。

3 钻孔剪切试验的填土应用案例分析

3.1 检测环境分析

应用钻孔剪切法进行填土剪力强度分析，需要对待检测场地的环境做出评估，并在论证待检测对象相关参数的同时，确保检测方案的针对性与有效性，以此维持检测环境的合理状态。

本文所引用的实践案例，为某段高速公路项目中的填方区土体强度检测分析。在确定填方区域土体强度等级的同时，可为后续的土体治理方案提供基础性的工程参数，并作出针对性的指导方案。在该项目施工之前，需要对填土周围的地质条件做出分析，在确定地质环境与地下水不会对填土造成影响的基础上，制定“法向应力-剪应力”检测方案[2]。同时，在控制其土体结构的关键点，设置待检测点位，并在不同的深度条件下，评估待检测对象的风险指标，为钻孔剪切试验作出完整的分析计划。

3.2 设备仪器校对

检测试验的准确度，受到设备使用条件的影响，为此，需要在执行检测之前，对设备进行校对，保证其正常运行状态的同时，提高检测的精度。而此种设备仪器的精度校对，不仅要在安装之前进行确认，也要在安装后分析整体系统的应用条件，以此保证设备管理的有效性。案例项目中的仪器设备，采用Iowa钻孔剪切试验仪，其结构与部件如图1所示。而在应用条件检测分析的过程中，也要针对这一设备的结构特征，在合理选择检测分析技术的同时，保证系统监测的针对性与有效性，确定其实用价值。

图1 Iowa钻孔剪切试验仪

完成设备安装之后，需要标注试验剪切探头的具体位置，在向橡皮管注水时，其体积每增加100cm3，都应对其压力数据进行记录，并时刻统计剪切头中心位置的直径。通过对这3项数据的对应统计，得出具体的变量参数。然后，通过标定的数据，确定膨胀单元下的组合曲线参数，在形成指数函数型曲线与现行函数曲线的同时，分析数据之中的关联性。

注意，如果工况环境相对较为复杂，并且带有明显的地下水，则需对此类的干扰内容进行相应的修正与调整，以此保证检测设备系统应用的合理性。例如，当地下水结构覆盖值达到1.5～2m之后，需要分别对法向应力、剪切应力进行计算分析。在如下公式中完成计算分析：

式中：Pc为法向应力修正值，单位为kPa；Pm为法向应力的显示读数；Pe为指数函数型曲线中的标准压力；hw为地下水深度，单位为m；h0为法向压力装置中稳定水位的地面标差；ρw为水密度的标准参数，在计算中可取值10kN/m3。然后，在综合剪切应力条件与剪切表面积的分析中，可以确定设备的管理状态，通过对检测设备的系统性分析，在定位数据中，保证间接应力的修正数值，以此维护地下水环境中设备使用合理性，保证设备调整技术的完整性。

3.3 剪切强度论证

案例项目的试验分析中，总共设定了3组检测对象，并将检测深度分别设定在0.5～2m与6.5～7m的深度区间中。通过法向应力法，将强度范围控制在20～100kPa区间，并完成具体剪应力检测数据统计。然后，在形成剪应力与剪切位移提拉圈数的关系曲线条件下，绘制τ-σ关系曲线，并在最终的数据汇总中，形成、c结果。由此，就可将此类检测数据作为基础，在对检测合理性进行分析的同时，得到最终的结果数据，尤其在土体剪应力参数与法向应力关联性的内容中，可以确定两者的正比关系[3]。同时，通过图像化的数据展示，能够在图像的直观表达中，定位出现最大提拉值的圈数，以此定位具体的填土土体强度。

另外，在试验的3组τ-σ关系曲线中，能够针对不同的剪切位移状态，确定系统中的强度包线。通过统计分析，初步定位剪切中的最适宜圈数，以此保证计算强度的计算结果准确度。而在3组检测试验中，还加入了钻孔扫深度的土体形态分析。通过对11.5m位置的标贯试验，在10次敲击处理后，采集土样多为黏性土，并含有较多的角砾。获得具体检测数据的之后，需要对土层内的扰动状态做出综合性分析，通过对土质黏聚力与内擦角的统计分析，可以确定土体结构的强度参数，由此，可以确定土层结构的施工状态，为后续的工程项目建设提供基础性的保证条件。而此项检验，也证实了前期基层土体施工填土的工作质量，保证了不同工程建设内容的高质量衔接。

3.4 法向加压方式与固结时间

（1）加压级别。钻孔剪切试验中，所施加的压力，应始终保证剪切板中齿状凸起部分能够完全压入土层。控制方法上，可以尝试将初始正应力控制在无侧限抗压强度预估数值的50%以内。而在中等硬度的土层结构中，可将初次固结的压力设定在35kPa的固定数值上，对于软土，则需根据实际情况，将这一数值再次调低。

（2）加压方式。钻孔剪切试验中，通常会采用分级加荷试验的方式，具体某一组试验处理中，在保证剪切头测试位置稳定的前提下，逐级增加法向压力数值，并根据数据变化，测算不同法向固结压力中的抗剪力强度。通过这种方式展开测量，可更好地保证测试速度的稳定性，并提高测试结果精确度，实现排水时间的累积化管理。操作中，具体到某一层级的法向压力数值时，可以在剪切试验期间或之后，实现剪切面土体的重新固结，并导致剪切面出现外移，停留在强度相对较低，且未出现扰动现象的位置上。而出现这一现象，主要是由于剪切土体在固结排水黏聚力上，已经超出了邻近的原状土结构。对于质地较为坚硬的土体，为了保证剪切板的齿状结构可以更好地嵌入土层，需要使用高压剪切头，并在特殊的情况下，适当地引入分别加荷试验法完成操作。

（3）固结时间。钻孔剪切试验中，固结时间根据土体类别不同，而表现出明显的差异性。在无黏性土的结构中，其排水固结能力相对较强，可以在缩短固结时间上起到积极作用。而在黏性土结构中，由于黏粒含量较高，其排水能力也相对较弱，可以在延长固结时间上发挥积极作用。在非饱和黏土、砂土、饱和无黏性土等结构中，执行分级加压固结处理时，可将固结时间控制在5min左右；而对于饱和黏性土，则需要控制孔隙水的压力消散状态，将时间调整到10～20min。注意，当法向压力采用分级加荷的技术时，需要将固结时间调整在5～10min区间内。