NO.01

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，土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對滑動，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)越來越多，ZH形成一個連續(xù)的滑動面，這時建筑物的地基或土坡就會失去整體穩(wěn)定而發(fā)生土體滑動，從而造成工程事故。

工程實踐和室內(nèi)試驗都證實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)度問題實質(zhì)上就是土的抗剪強(qiáng)度問題。

▲ 雨水造成的天然土坡滑坡

▲ 基坑坍塌

土體發(fā)生剪切破壞時，將沿著其內(nèi)部某一曲面（滑動面）產(chǎn)生相對滑動，而該滑動面上的切應(yīng)力就等于土的抗剪強(qiáng)度。1776年，法國學(xué)者庫侖通過一系列土的強(qiáng)度實驗，于1776年總結(jié)出土的抗剪強(qiáng)度定律：

測定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗方法主要有室內(nèi)剪切試驗和現(xiàn)場剪切試驗二大類：

• 室內(nèi)剪切試驗常用的方法有直接剪切試驗、三軸壓縮試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗等；
• 現(xiàn)場剪切試驗常用的方法主要有十字板剪切試驗以及新型鉆孔剪切試驗。

但是，傳統(tǒng)測量土體抗剪強(qiáng)度的方法存在諸多不足。

鑒于傳統(tǒng)試驗方法的種種不足，工程科技人員研制出了一種新型巖土體抗剪強(qiáng)度原位測試方法——鉆孔剪切試驗。鉆孔剪切試驗儀可以在現(xiàn)場鉆孔中或者機(jī)械成孔、人工成孔中進(jìn)行試驗，經(jīng)計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)。該試驗方法對土的擾動小，具有原位測試的優(yōu)點(diǎn)。

NO.02

鉆孔剪切試驗是將一個帶有水平環(huán)形鋼齒的探頭，放置在一個直徑63mm的鉆孔中。通過膨脹探頭，施加徑向的壓力σ，水平鋼齒就會插入到孔壁的巖土體中。鉆孔剪切試驗的基本原理如圖所示。

鉆孔剪切試驗基本原理

徑向壓力σ作用的表面積為S：

S=πdl

其中，d=鋼齒的直徑，l=鋼齒范圍的長度。

保持徑向壓力σ不變，向上拉起探頭，對孔壁巖土體進(jìn)行剪切，拉力為T，從而可以計算出土體的抗剪強(qiáng)度：

如此這樣，每一步加載都能計算出一對(σ i , τ i )值。通過將這些成對的值描繪到坐標(biāo)軸中可以擬合得到一條直線，可以通過這條直線得到剪切參數(shù)c和?值，這個與庫侖包絡(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，它們只是過渡值，可以通過這兩個值導(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部分：探頭、鉆具、地面設(shè)備、輔助工具。

鉆孔剪切儀試驗裝置

安裝設(shè)備，測出鉆孔中的水位高度，將探頭下放到想要的深度。

包括測壓元件、千分表、計時表初始化。

膨脹探頭，刺入土體，進(jìn)行測量。

試驗完成，卸去壓力，收回探頭。

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。可以使用一個曲線調(diào)整程序進(jìn)行優(yōu)化， V=f(p)曲線是一個指數(shù)函數(shù)， V=f(d)曲線是一個線性函數(shù)。

對于每個加載步驟，修正的正應(yīng)力、pc，施加到土體上的力按下式計算：

① 如果鉆孔從孔口到測試位置是干的：

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，按照下式計算：

t = Tmax/S

這里，Tmax 代表加載過程中測得的ZD拉力；S 代表剪切表面的面積。

S = π .d . L

L 代表探頭的有效長度，對于標(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。

對于每一加載步驟，均可以獲得以下內(nèi)容：

• 增壓過程中的蠕變，dVD，等于旁壓蠕變：

dVD = VD1' - VD30"

• 剪切過程中，探頭的體積增大帶來的剪脹：

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ZZ的異常都可以看到，通過觀察，可以將異常點(diǎn)從特征曲線上去掉。

將成對的（t, pc）繪制到圖上，自然會產(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)行計算：

①剔除異常點(diǎn)后，通過Z小二乘法對土體特征曲線進(jìn)行修正。

這里，n 是點(diǎn)的個數(shù)。

②對于粘聚力接近于0的土，精確讀數(shù)會導(dǎo)致獲得的粘聚力小存在較小的偏差。為了避免這種情況，可以通過取平均值的方法重新調(diào)節(jié)參數(shù)特性，方法如下：

NO.03

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越多。近些年來關(guān)于“垃圾圍城”的新聞屢見不鮮，對垃圾填埋場的城市固體廢棄物的巖土力學(xué)特征研究越來越緊迫了。在垃圾填埋場穩(wěn)定性設(shè)計和管理的研究中，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，這些會影響它們的剪切強(qiáng)度。

下圖是用鉆孔剪切儀對一個垃圾填埋場的固體廢棄物測得的結(jié)果，場地位于比利時某地，18m深處。這個試樣已經(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結(jié)果

在這幅圖中，除了Z開始的兩個點(diǎn)，其它試驗測得的點(diǎn)在同一條直線上，由此可以得到原位測試粘聚力為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)行另外一個測試，在14m深度進(jìn)行（下圖），得到了完全不一樣的值，顯示了測試區(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結(jié)果

這兩個試驗對同一種材料表現(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)計值時必須非常慎重，特別是在一些開展了很多個試驗的案例中。

下圖中顯示了這樣的一個分布類型，圖中所有原位剪切測試的測量值取自于同一個固體廢棄物填埋場，具有代表性。

▲ 同一個垃圾填埋場不同深度全部抗剪強(qiáng)度分布圖

從圖中可以看出，這個壓縮的城市固體垃圾的摩擦角為17到34°，粘聚力為30到50kPa，這個為設(shè)計值。

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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，也可以用于填埋場地。對于燃煤灰渣的巖土工程特性的研究越來越受到人們的關(guān)注。

下圖顯示的是一個典型的鉆孔剪切試驗結(jié)果，這個試驗是在一個燃燒灰堆的1.4m深度測試的。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。

▲ 燃煤灰渣填埋場一年后1.4m深度鉆孔剪切試驗結(jié)果

從這幅圖中可以看到，大多數(shù)的試驗點(diǎn)在同一條直線上，由此可以得到摩擦角為42°，沒有粘聚力，表現(xiàn)出了一種與粗顆粒材料相似的特征。