廣州地區花崗巖殘積土抗剪強度指標取值方法探討

王 世 彪

(廣東有色工程勘察設計院,廣東 廣州 510080)

廣州地區花崗巖殘積土抗剪強度指標取值方法探討

王 世 彪

(廣東有色工程勘察設計院,廣東 廣州 510080)

介紹了研究花崗巖殘積土抗剪強度指標取值方法的目的和意義，從室內直剪試驗、室內三軸試驗、原位直剪試驗、平板載荷試驗四方面，闡述了花崗巖殘積土抗剪強度指標取值的常規方法，并結合其取值方法的研究現狀，提出了未來的研究方向。

花崗巖殘積土，抗剪強度，三軸試驗，直剪儀

1 花崗巖殘積土抗剪強度指標取值方法研究目的和意義

花崗巖殘積土是花崗巖母巖在溫暖潮濕的環境下經過一系列的物理化學風化作用形成的殘積土體，具有特殊的物理力學性質。在市政工程、軌道交通工程等建設中，往往將花崗巖風化層和殘積土作為基礎持力層或隧道穿越層，對項目建設影響較大。花崗巖殘積土具有高強度、高孔隙比、低密度、中低壓縮性和非飽和性等特點，在挖孔樁施工、基坑開挖施工和隧道礦山法施工時容易出現流砂、崩塌等工程事故。

廣州屬于亞熱帶海洋性季風氣候，該地區氣候溫暖濕潤，雨量充沛，干濕季節明顯，相對濕度較大，花崗巖遭受了長期而又強烈的風化作用，形成了分布廣泛、厚度巨大、剖面完整的風化殼，在這些地區進行工程建設，常常會遇到花崗巖風化土帶來的一些工程地質問題。同時花崗巖殘積土具有明顯的非飽和性，已有研究表明，花崗巖殘積土的顆粒間主要由游離氧化鐵包裹及填充而實現聯結，遇水后力學強度急劇降低，結構性明顯，顯示出脆彈塑性損傷破壞特點。以現在常規的室內試驗方法測得的花崗巖殘積土抗剪強度指標離散性較大，最終提供的建議值往往都是經驗值，為了得到花崗巖殘積土準確的抗剪強度指標，有必要對廣州地區遇到的花崗巖殘積土，針對其直剪試驗抗剪強度指標進行系統的分析研究，這樣一方面能指導如何準確測試花崗巖殘積土的抗剪強度指標，另一方面可以更好的確定抗剪強度指標的建議值，為今后的工程勘察、設計和施工提供理論和方向指導。

2 現階段花崗巖殘積土抗剪強度指標取值常規方法

2.1 室內直剪試驗

室內直剪試驗是目前最為普遍且簡單的試驗方法。直剪儀是以庫侖理論為理論基礎發展而來且最直接測定土體抗剪強度的試驗方法。該儀器可分為應變控制式和應力控制式兩種。應變控制是控制試樣產生一定位移，測定其相應的水平剪應力；應力控制是對試樣施加一定的水平剪切力，測定其相應位移。針對花崗巖殘積土的研究，國內外均采用應變控制式。

由于直剪儀具有結構簡單、固結快、省時、消耗試件少、傳力明確、儀器剛度大、操作簡單等諸多優點，目前在國內外仍普遍采用。但室內直接剪切試驗測定花崗巖殘積土抗剪強度參數時測試結果存在較大差異，總體來說有三方面的原因，一是直剪試驗本身存在著因取土方法、試樣擾動、剪切速率、加荷等級、試驗數據點選取、試驗數據統計方法等因素而導致誤差；二是該儀器本身還存在諸多缺陷，如：正應力不穩定、剪應力集中及剪應力分布不均勻、試驗全過程不能嚴格控制排水條件、實際剪切面并非理想剪切面；三是花崗巖殘積土本身具有結構性強、易擾動、非飽和性等特殊的工程性質而導致試驗結果迥異。

2.2 室內三軸試驗

目前國內外已經研制了多種三軸儀。按其壓力室加荷特性來分，有“剛性”“柔性”和“復合”3種形式。它們各有特點，適用范圍也不同。在國外，剛性的真三軸儀主要有瑞典Kjellman研制的真三軸儀和英國劍橋大學Pears研制的劍橋真三軸儀，它們都適用于砂土；柔性的真三軸儀主要有Surrey大學Mengles研制的真三軸儀、墨西哥大學Marsal研制的真三軸儀和美國Lo等研制的真三軸儀；復合型的真三軸儀主要有倫敦大學Green研制的真三軸儀、日本谷藤株式會社和日本誠研舍研制的真三軸儀。國內除了從國外引進真三軸儀外，還有進行改造或自己開發的幾種真三軸儀，分別為清華大學真三軸儀、同濟大學真三軸儀和河海大學真三軸儀。

大部分巖土問題都會涉及土的強度，研究非飽和土的強度是非飽和土理論及其工程應用的首要問題。研究和量測土單元在三維應力狀態下的應力—應變—強度關系具有現實意義，而非飽和三軸儀的開發和利用方面，國外走在我國前面。例如德國Wille-Geotechnik非飽和土三軸儀，可以在飽和條件或非飽和條件下，全自動進行標準三軸試驗如UU，CU和CD試驗，也可以全自動進行應力路徑控制測試試驗。在不飽和條件下，非飽和土三軸儀系統提供了特殊的模塊化系統，以適配不同的試樣直徑和不銹鋼制三軸壓力室。較多問題還有待我們去探討，改進三軸儀器存在的缺陷，并將其使用到各類巖土體的試驗研究中去，都具有極為重要的理論意義及實踐價值，對以后巖土體的力學特性研究將有很大幫助。尤其目前非飽和三軸儀的發明，對花崗巖殘積土抗剪強度的研究提供了巨大的便利條件。

2.3 原位直剪試驗

原位直剪試驗最早在100多年前被Alexandre Collin用于邊坡穩定研究。目前，國內外均研制出了一些大型直剪儀，剪切盒形式繁多，尺寸大小不一，其中最大為280 cm×280 cm×92 cm。基本原理與室內直剪試驗相同，都是將試樣裝填入剪切盒內，分別在不同的垂直壓力下，施加水平剪切力進行剪切，使試樣在上、下剪切盒之間的水平面上發生剪切至破壞，得到破壞時的剪切應力τ，根據摩爾—庫侖定律確定土的內摩擦角φ和粘聚力c。

原位直剪試驗可以在不擾動土體情況下，測試出土樣的抗剪強度值，由于試樣內應力和應變分布的不均勻性，造成了測得的抗剪強度值會有誤差，必須結合室內直剪試驗驗證其準確性。

2.4 平板載荷試驗

平板載荷試驗是目前比較直接測定地基土承載能力和變形特性的可靠方法，適用于測定承壓板下應力主要影響范圍內巖土的承載力和變形特性，可以確定地基土承載力、土的彈性模量、地基土的基床反力系數并估算地基土的不排水抗剪強度。

但平板載荷試驗也存在一定缺陷，例如因地面加荷引起傳力柱的彈性變形和彎曲等而影響位移測量精度。平板載荷試驗存在明顯的尺寸效應等。這些都值得我們不斷深入的研究。

3 花崗巖殘積土抗剪強度指標研究現狀特點

通過查閱相關文獻，我們發現時至今日，花崗巖殘積土抗剪強度的研究，已經從理論研究擴展到層出不窮的試驗研究，手段多樣化。縱觀花崗巖殘積土抗剪強度研究的整個進程，有以下幾個特點：

1)摩爾—庫侖強度理論可非常準確的確定飽和土的抗剪強度，這早已被實驗和工程實踐所證實，目前在工程中依舊采用這種理論，隨著非飽和土力學的發展，越來越多的學者對非飽和土力學中抗剪強度進行研究，其研究成果各種各樣，至今沒有形成一個真正被工程界所認可的非飽和土抗剪強度公式，而作為特殊土的花崗巖殘積土在這方面的理論研究更加缺乏。

2)花崗巖殘積土抗剪強度研究至今已經表明，抗剪強度與土的成分、物性、結構等因素息息相關，但是對花崗巖殘積土抗剪強度的主要影響因素，國內外仍缺少系統的研究，沒有形成較系統的確定指南。

3)在花崗巖殘積土的抗剪強度試驗中，采用的依舊是操作簡單的室內直剪儀。但直剪儀本身還存在正應力不穩定、剪應力集中及剪應力分布不均勻、試驗全過程不能嚴格控制排水條件等缺陷、實際剪切面并非理想剪切面，造成了抗剪強度測試值的不準確性。而工程中接觸較多為非飽和的花崗巖殘積土，因此，對花崗巖殘積土的抗剪強度的研究，應該偏向于能夠控制土樣基質吸力的非飽和直剪儀、三軸儀及非飽和三軸儀。

4)針對花崗巖殘積土抗剪強度，國內外學者開展了一系列原位試驗，配合室內直剪試驗進行驗證，試驗手段都比較單一，沒有將各種原位試驗數據進行較為系統的分析，得到科學的關系式。另外，對原位監測的重視不夠，沒有將土壓力的監測數據和其他原位試驗及室內試驗數據形成對比分析。

4 花崗巖殘積土抗剪強度指標的重要研究方向

土力學發展至今，對于花崗巖殘積土力學特性的研究還不夠，以至于對工程問題的處理沒有達成高度的一致，癥結在于對花崗巖殘積土抗剪強度沒有形成一個統一的確定指南。為了促進花崗巖殘積土抗剪強度指南的確定，我們需要進行全面深入的研究，主要有以下幾個新的重要研究方向：

1)花崗巖殘積土非飽和抗剪強度理論研究。總體上，當前學者對非飽和土粒間吸力力學特性的了解及其量化方法和測試方法的研究還不夠深入，需要解決的核心問題仍然是“吸力”問題，尤其是吸力的測量問題，這也是下一步重要的研究方向。

2)花崗巖殘積土抗剪強度測試方法和影響因素研究。尤其針對非飽和土的三軸試驗是需要學者進一步研究的方向。同時有必要開展系列試驗和理論研究，研究花崗巖殘積土的結構性和易擾動性對直剪試驗指標的影響。

3)通過現場土壓力和變形監測反分析法推導出抗剪強度取值，與室內和原位試驗值相比較，得到抗剪強度的取值的某種規律特征。

4)花崗巖殘積土抗剪強度指標取值指南。通過將室內試驗與原位試驗結合起來，建立起花崗巖殘積土抗剪強度指標取值指南，為工程中抗剪強度的取值提供一個標準。

[1] 湯連生,桑海濤,宋 晶,等.非飽和花崗巖殘積土粒間聯結作用與脆彈塑性膠結損傷模型研究[J].巖土力學,2013,34(10):2877-2888.

[2] 吳能森.結構性花崗巖殘積土的特性及工程問題研究[D].南京：南京林業大學,2005.

[3] 包承綱,詹良通.非飽和土性狀及其與工程問題的聯系[J].巖土工程學報,2006,28(2):129-136.

[4] 《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊[M].第4版.北京：中國建筑工業出版社，2007.

Discussion on the method of determining the shear strength of granite weathering residual soil in Guangzhou area

Wang Shibiao

(GuangdongNonferrousMetalsEngineeringInvestigationDesignInstitute,Guangzhou510080,China)

This paper introduced the purpose and significance of shear strength index value method of granite residual soil, from the indoor direct shear test, indoor three axis test, in-situ direct shear test, plate loading test four aspects, elaborated the conventional method of shear strength index value method of granite residual soil, and combining with the research status of its value method, proposed the future research direction.

granite residual soil, shear strength, three axial test, direct shear apparatus

1009-6825(2017)05-0081-02

2016-12-07

王世彪(1968- )，男，高級工程師

TU432

A