探析當(dāng)前的土工直接剪切試驗(yàn)技術(shù)

許小敏 楊平

摘 ?要：文章主要對現(xiàn)階段土工項(xiàng)目中的直接剪切試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行分析，首先介紹了基于該項(xiàng)技術(shù)之上的仿真建模，并結(jié)合圖例對該建模的具體應(yīng)用進(jìn)行分析和研究，然后以直剪試驗(yàn)技術(shù)常用直剪儀為例，分析影響該項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)相關(guān)參數(shù)的影響因素。

關(guān)鍵詞：直剪試驗(yàn)技術(shù);仿真建模;土樣;應(yīng)用;參數(shù)

中圖分類號：TU411.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）06-0166-01

在土工項(xiàng)目中，土力學(xué)試驗(yàn)主要用于對土壤性能的測試，其目的在于掌握其物理力學(xué)指標(biāo)，從而為施工設(shè)計(jì)提供土體參數(shù)。目前，土力學(xué)試驗(yàn)種類較多，直接剪切試驗(yàn)是目前應(yīng)用較為廣泛的室內(nèi)土工技術(shù)之一，它憑借操作簡便、成本低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)廣受業(yè)界重視。

1 ?直剪實(shí)驗(yàn)技術(shù)的仿真建模與應(yīng)用

1.1 ?FLAC3D及相關(guān)假定

這是一種在20世紀(jì)80年代有美國研發(fā)的三位程序，它是從拉格朗日差分之中發(fā)展而來的，目前這一程序在各個國家的土工項(xiàng)目中有所應(yīng)用，除了涉及到巖土工程，還涉及到地質(zhì)、成礦等多個領(lǐng)域。基于該項(xiàng)程序之上的求解也采用了多種計(jì)算方法，如離散模型法、動態(tài)松弛法等，在計(jì)算土體非線性等方面十分優(yōu)越，是直接剪切試驗(yàn)技術(shù)下仿真建模的一樣必要程序。

土體強(qiáng)度的差異性常是由多種因素所導(dǎo)致，因此在借助直接剪切試驗(yàn)技術(shù)對此進(jìn)行計(jì)算時，無論是采用理論方法還是采用試驗(yàn)或是仿真等方法，從現(xiàn)階段的技術(shù)應(yīng)用看來都無法將全部因素考慮周全。因此在進(jìn)行模擬設(shè)定時需要從整體上把握這些影響因素，然后，有主有次的進(jìn)行處理，這也是目前科研領(lǐng)域在處理復(fù)雜問題時普遍采用的辦法。這也就決定了建模的基本假定會因?yàn)橛绊懲馏w強(qiáng)度的因素不同而有所變化，本文以其中一種假定為例進(jìn)行介紹：

①忽略土壤自重;②根據(jù)市內(nèi)試驗(yàn)要求來施加荷載，荷載分4等級，從100 kPa為基本點(diǎn)，每一等級增加100 kPa;③土體強(qiáng)度影響因素中，不考慮含水率，即排水固結(jié)問題;④將剪切面的位置假定在交接處，即上下盒平面處;⑤剪速恒定，當(dāng)位移達(dá)到0.5 cm時，中斷試驗(yàn);⑥建模圓柱形土體。

1.2 ?生成模型圖

直接剪切試驗(yàn)技術(shù)下的仿真模型圖如圖1所示。從圖中可以看出，仿真建模中的土建模型為圓柱體，其尺寸同室內(nèi)試驗(yàn)相同，高和半徑分別為2 cm和3.09 cm。該模型不僅設(shè)有256個單元，同時也設(shè)有多個節(jié)點(diǎn)，數(shù)量可達(dá)325個。在模擬過程中，設(shè)備所用直剪儀為控制式，這也同室內(nèi)試驗(yàn)應(yīng)用設(shè)備相同，只是在建模過程中進(jìn)行了簡化。這樣一來，垂直加載設(shè)備和剪切轉(zhuǎn)動裝置就被兩個條件所替代，一是應(yīng)力邊界，二是位移邊界。其中應(yīng)力邊界即為前文中所提及的四個豎向應(yīng)力，位移邊界則為上下盒，如圖所示，x、y、z表示方向，在固定完上盒之后將它們的位移固定，隨后是約束它們在下盒上的方向，再借助FLAC3D開始水平移位。

1.3 ?具體應(yīng)用操作

①先生成圓柱形土體建模，具體的應(yīng)用操作可借助Cylinder來實(shí)現(xiàn)，建模完成后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完成以后，借用Shell模擬上下盒，隨后設(shè)置界面，具體位置選擇在土體、剪切盒間。

②對剪切土體材料的粘聚力、內(nèi)摩擦角和泊松比分別進(jìn)行設(shè)定，以Mohr-Coulomb為例，則上述幾項(xiàng)材料特性分別為20 kPa、10 ？觷和0.35，設(shè)定完成后，選材上下盒。

③設(shè)置邊界條件，在位移約束方面，上盒施加3個方向，而下盒則只從x、y方向著手，操作完成后在土體表面施壓，其壓力值為前文提及4等級，壓力施加完成后，水平移位5 cm。

1.4 ?剪切實(shí)驗(yàn)分析

從豎直施加壓力方面來看，無論是應(yīng)力值還是位移值土體都有所改變，并呈現(xiàn)出與壓力呈正相關(guān)的狀態(tài)。

當(dāng)壓力=100 kPa時，變化在土體中上部位置體現(xiàn)明顯，但當(dāng)壓力逐漸增加時，應(yīng)力區(qū)與位移區(qū)開始擴(kuò)散。以位移為例，從壓力盒的整體情況來看，靠近環(huán)形土體部分變化程度要比中間處小，這主要是由于固有摩擦力存在所導(dǎo)致的。在外部壓力作用下，土壤有下移趨勢，摩擦力向上就會同部分壓力相抵消，從而導(dǎo)致壓力盒位置處的變形要比其它位置小。除上述變化之外，試驗(yàn)后土體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)等也會發(fā)生改變，限于文章篇幅有限本文不以圖文結(jié)合的方式進(jìn)行說明，只是通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，該次模擬的假定符合直接剪切試驗(yàn)實(shí)際情況。

2 ?直剪試驗(yàn)技術(shù)中對參數(shù)的影響分析

2.1 ?壓應(yīng)力偏心

實(shí)驗(yàn)操作初期技術(shù)人員需要對土樣頂部施加壓力，這一作用力屬軸正向壓力。剪切過程中，受剪切作用影響，土樣上下部分會隨著上下盒相對位移的出現(xiàn)而產(chǎn)生相對位移現(xiàn)象。這種情況下，原本屬軸正向的壓力會有所偏移，成為偏軸壓力，這種偏心現(xiàn)象的產(chǎn)生會導(dǎo)致土樣斜剪，這樣一來，摩擦角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會同土樣實(shí)際情況產(chǎn)生偏差。

2.2 ?剪切速率的影響分析

剪切速率對直剪試驗(yàn)技術(shù)的影響主要來自轉(zhuǎn)動停頓或不均勻轉(zhuǎn)動，這些情況的產(chǎn)生會讓土樣受力不均，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差。盡管如此，剪切速率在不同的土樣之中所產(chǎn)生的影響也不同，例如在砂土檢測中，它給抗剪強(qiáng)度帶來的影響小，實(shí)際計(jì)算中可不做考慮，但是對粘性土影響則明顯一些。本文通過對大量已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料的分析研究發(fā)現(xiàn)，粘土抗剪強(qiáng)度情況同剪切速率之間呈正相關(guān)，這一現(xiàn)象在硬土中都有所體現(xiàn)，特別是比較靈敏的土體，當(dāng)對它們進(jìn)行直剪試驗(yàn)時，如果速度降低10倍，則檢測結(jié)果可能比實(shí)際情況低出8%，而對于一般的土壤而言，則一般會控制在5%以內(nèi)。

2.3 ?應(yīng)力變化狀態(tài)問題分析

同其它實(shí)驗(yàn)不同，直剪試驗(yàn)技術(shù)是基于設(shè)計(jì)理想化之上所開展的，實(shí)驗(yàn)條件也為簡化，這是它在應(yīng)用和操作中所具備的最大特點(diǎn)。盡管如此，受設(shè)備儀器限制，土樣試驗(yàn)中存在一些因素是土樣應(yīng)力條件發(fā)生變化。

以剪切面應(yīng)力為例：剪切盒移動過程中會產(chǎn)生水平壓力，從而于上下盒間形成兩個滑動面，我們將其成為次剪切面，移動過程中剪切面形成剪切區(qū)，這會增加剪應(yīng)力的實(shí)際測量值。不同的土壤類別下剪切力相關(guān)性狀有所不同，理想化的形式則是均勻狀態(tài)。

再以剪切面影響為例：在位移過程中，如果垂直荷載偏移會導(dǎo)致有效剪切面積變小，這樣相對應(yīng)的τf也會變小，在這一過程中如果加大應(yīng)力，則變小情況將會更加明顯。該項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用過程中，剪切面位置由人為設(shè)定，并不取土體薄弱面，這樣一來，當(dāng)剪切面變小時，如果強(qiáng)度計(jì)算還是按照原截面計(jì)算的話，則會造成強(qiáng)度計(jì)算值偏小，在實(shí)際操作中應(yīng)當(dāng)注意。

3 ?結(jié) ?語

綜上所述，土木工程建設(shè)中，土體抗剪強(qiáng)度情況是其進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時參考的重要參數(shù)之一，關(guān)系著設(shè)計(jì)成敗及日后工程的使用質(zhì)量。直接剪切試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用在這一方面貢獻(xiàn)頗多，但是由于影響土體性能的因素眾多，因此在實(shí)際試驗(yàn)操作過程中要遵循科學(xué)性、合理性原則，為保障工程安全奠定基礎(chǔ)。

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