原位直剪试验装置的优化研究及应用

杨雄，程小俊，何忠意

（1.广东省电力设计研究院，广州510600；2.广东天信电力工程检测有限公司，广州510600）

原位直剪试验装置的优化研究及应用

杨雄1，程小俊2，何忠意2

（1.广东省电力设计研究院，广州510600；2.广东天信电力工程检测有限公司，广州510600）

基于国内外学者对岩土体原位直剪试验方法和装置的研究成果，对原有的现场原位直剪试验方法和装置进行优化改进，汇集了4种创新点，改进后的原位直剪试验设备具有相对简单、操作方便等优点.通过室内直剪试验与该原位直剪装置的试验结果的对比以及工程方面的实际应用，验证证明其准确性和可行性，具有良好的推广应用前景.

原位直剪试验装置；优化改进；土的抗剪强度指标；工程应用

0 引言

在地基承载力、土质边坡和路基稳定性评价中，岩土体的抗剪强度指标（c、φ值）是最重要的力学参数.作为建筑物地基的岩土体，如果产生滑动或局部剪坏区发展导致过大或不均匀的地基变形，都会造成上部结构的破坏或影响其正常使用[1-8]，如2008年5月四川汶川大地震、2009年6月上海“莲花河畔景苑”一栋13层住宅楼倒塌和2010年8月甘肃舟曲县特大泥石流，这些事件在工程无一不反应抗剪强度指标的重要性[8].目前，测试岩土体抗剪强度较为普遍的确定方法有室内直剪试验（快剪、固结快剪、慢剪和排水反复剪）、室内三轴剪切试验和原位直剪试验等[9-13].

现场原位直剪试验因其试验条件更接近岩土体实际，在铁路、公路、水利、矿山、建筑等多种行业，越来越受到工程界的重视，国内外众多工程设计、施工均将原位直剪试验作为测定土体抗剪强度指标的主要手段之一[4-6,9-10,14].原位直剪试验在冰碛土、花岗岩残坡积土、膨胀土、垃圾土、砂卵石、砾石土、重塑红黏土、重塑粉土等的研究中已得到一定应用，但由于现场的复杂性，多变性等诸多方面，原位直剪试验方法和装置在工程界一直比较棘手[12].

通过对国内外大量文献和许多相关研究机构的成果进行调研分析，发现近年来国内对土的原位直剪试验装置相关研究较少，水电及核电等重大工程中略有研究[9]，但对象均侧向于岩体，对一般土相关方面的试验与研究就很少，通常采取的方法是单独对其中的土进行取样做室内试验，然后乘以一定的折减系数，但一般折减系数的选取是随意的，不够严谨.文中基于前人研究的各类大型原位直剪实验装置，优化改进得到一种适合土体，具有设备简单、易操作的等多种优点的测试方法和装置，并通过开展现场实验、室内对照试验证明了其可靠性、合理性，具有一定的推广意义.

1 原位直剪试验原理和方法

原位直剪试验通常采用应力控制式，见图1，每组试样由4至5个试样组成，试样采用钢剪力盒固定.法向荷载采用堆载加载形式，即每个试件分别在不同的法向加载下，施加水平推力进行剪切，得出每个试样的剪切应力τ和水平位移s关系曲线（即τ-s曲线），见图2.取最大剪切应力值τ作为各试样的峰值抗剪强度，进而得出该组的最大剪切应力τ和法向应力σ关系曲线（即τ-σ曲线），见图3.然后用最小二乘法，进行直线回归，得出剪切破坏面上的抗剪强度τ与其垂直法向应力σ关系式τ=c+σtanφ，从而得到土体的抗剪强度参数c、φ值，确定其剪切强度特性.

其中法向应力为σ＝（G+N）/A，剪切应力为τ＝Q/A.式中G为试样、千斤顶、承压板及钢垫板自重(kN)；N为千斤顶所施加的压力（kN）；Q为水平推力(kN)；A为试样剪切破坏面面积（m2）.

图1 土的原位直剪试验原理图

图2 剪切应力τ与水平位移s关系曲线图

图3 剪切应力τ和法向应力σ关系曲线图

2 原位直剪试验方法和装置的优化

2.1 土的原位直剪试验装置优化改进

通过对国内外大量的研究成果的调研和分析，将各种原位直剪试验装置的优点进行综合，经过在现场反复试验，现在改进优化出一种设备简单、操作方便、结果准确的土的原位直剪试验装置和方法，为了避免产生偏心受荷，采取堆重同步位移，见图4.

图4 土的原位直剪试验装置示意图

（1）竖向荷载装置.剪力盒（内套试样）上依次向上安承压板、钢垫板（可多层）、千斤顶(将施力中心对准试样中心)、传力钢柱（可选用）、传力钢垫板(对准上部工字钢反力主、副梁中心)、主梁（一般为工字钢）、副梁（一般为工字钢）、滚轴（副梁两端底部与副梁下承压板间）和重锤（重锤中心对准千斤顶出力中心）.竖向反力荷载由重锤组成的压重平台提供，通过与千斤顶串联在油路上的压力表测读荷载值.

（2）横向荷载装置.选取一侧坑壁作为切向反力底座,从试体侧面向外依次放置顶压钢板、卧式油压千斤顶及滚轴、底座钢垫板.千斤顶的位置应严格水平定位,并对准试体侧面中心.通过油管将千斤顶和加压油泵相连，测读串联在油路上的压力表横向施加的荷载值，调整加载量.

（3）水平位移和竖向沉降量测装置.百分表或位移传感器分别量测竖向沉降、水平位移.百分表支座固定在基准梁上，百分表表针支撑在剪力盒上.

2.2 优化改进的原位直剪试验装置的四大改进

（1）有足够刚度加钢盖板剪力盒.受竖向压力的同时受水平推力作用的剪力盒应有足够的刚度，绝不允许变形.增加了尺寸合适的钢盖板，盖板的外边尺寸刚好与剪力盒内边尺寸一样大小，可明显提高剪力盒的整体刚度，大大降低了侧壁钢板变形的可能性.

（2）增加使荷载不偏心的滚轴.在副梁两端与承压板之间增加了滚轴，当剪力盒受水平荷载推动而水平向向一侧移动时，竖向反力装置（包括堆重）整体就会同步移动，保证竖向受荷不偏心，因偏心受荷会使试验结果存在偏差，严重时试样明显倾斜导致试验失败.

（3）竖向荷载只需一只重锤且连续可调.用于竖向反力荷载的堆重物采用铁锤而不用砂包、砼块，因为铁锤比重大，同样重的堆重物体积小，试验时较安全，也便于操作和运输.

同时给剪力盒内的土体施加的竖向荷载可通过千斤顶的油压泵调节，压力表可读其竖向荷载值，需要多少就加多少，十分方便.

（4）薄阶梯钢板均匀分散集中的应力.千斤顶顶部和底部支撑和传力的钢垫板，由多块尺寸逐步增大（减小）的正方形的薄钢板组成阶梯形状的组合钢垫板，传递的荷载可以逐步均匀扩散，避免应力过度集中使承压板凹陷变形和防止土体底部不能均匀受荷（如重物直接压在土体上，底部土体不能均匀受荷）.

2.3 优化改进的原位直剪试验装置的关键技术问题

加工制作合适剪力盒，水平推力装置，及保持竖直荷载不偏心的滑动装置.保证试样基本不扰动，真正做到“原汁原味”.坑壁垫板的面积与千斤顶支撑杆的刚度满足反力的需要.剪力盒受力面上应垫上与之吻合的框架或钢板，以保证在切向力的作用下试验系统有足够的刚度，不致使剪力盒本身产生变形.施加剪切力的千斤顶活塞的顶升方向与剪力盒底面方向保持一致，千斤顶在剪力盒的施力点，应安置在剪力盒侧面的中心点上，力的作用方向应通过试样的中心.先加竖向荷载至变形稳定，再加水平荷载至剪切破坏.

3 验证试验

为验证优化改进的原位剪切试验装置和方法，依托220 kV雍园变电站工程，该工程地基填土成分主要是强风化粉砂岩（风化不均，岩芯多呈块状，局部夹半岩半土状，局部岩芯手掰可断，局部夹中风化岩块较多，岩质软硬不均，遇水易软化），经碾压并强夯后，呈半岩半土状，现场土体呈棕黄色，含水率为19.3%，天然密度为1.87 g/cm3.以此开展以下试验（表1为相关直剪试验的基本参数）：

表1 相关直剪试验的基本参数

（1）改进的现场原位直剪试验.试验分为3组S1、S2、S3，每组5个试样，试样的尺寸均为60 cm×60 cm×25 cm；

（2）未改进的原位直剪试验1组.试验位于S3位置附近，5个试样，试样的尺寸均为60 cm×60 cm×25 cm；

（3）室内直剪试验（快剪试验）.在S1、S2、S3相同位置附近分别采用环刀（尺寸为内径6.18 cm×高4 cm）取土1组（每组6个试样），试样现场制备，并以密封膜包裹，确保原状，确保含水率不变，并取回室内开展直剪试验，试验剪切速率48 mm/s.

3.1 剪应力-剪切位移关系曲线

根据现场直剪试验得出的各试样的剪切荷载与剪切位移数据，从而得出每组试样剪切应力τ与剪切位移s关系曲线，各试样τ-s关系曲线，该曲线也说明了改进了的现场直剪试验装置具有可行性和操作性（见图5）.

图5 剪切应力τ与剪切位移s关系曲线图

3.2 试验对比分析

文中抗剪强度通常按峰值强度计算，在特定条件下也有采用残余强度计算的.依据Mohr-Columb理论，剪切破坏面上的抗剪强度τ与其垂直压应力σ关系τ=c+σtanφ，结合试验数据，对每组试验中（τ，σ）序列进行拟合，得到（c，φ），并根据室内实验进行对比，见表2（未改进的原位直剪试验、室内直剪试验与改进的原位剪切试验结果对比表）.

结合表2，通过对相关试验结果进行比较，发现改进的原位剪切试验结果与室内直剪切试验结果较为接近，c值相差2.7%～4.6%，φ值相差1.3%～5.3%，且均与未改进的原位直剪试验在c值相差7.0%以上，φ值相差31.0%.这说明了优化改进的现场原位试验装置具有可行性及精度能满足生工程的要求.

表2 剪切试验结果对比表

4 工程应用

目前，优化改进的这套装置，在某研究院已经加工完成，并运用于广东省汝湖变电站工程.试验中得到每个试样的剪切应力τ和水平位移s关系曲线(τ-s曲线)，取最大剪切应力值τ作为各试样的峰值抗剪强度，得到该组的最大剪切应力τ和法向应力σ关系曲线（即τ-σ曲线）,然后用最小二乘法，进行直线回归.限于文章的篇幅只简要列出，详细的试验成果和相关对比分析将另文说明.

在汝湖变电站工程相关参数试验中，一方面，在回归计算过程中，各测试点十分接近直线或落在直线上，而且回归直线得出同一场地不同组试样的土的抗剪强度参数c、φ值误差极小，取得了很好的效果，离差较小；另一方面通过对多组不同方法获取的抗剪强度参数进行对比研究（表3仅列出了2组），发现该套装置进行土的抗剪强度试验与室内强度参数试验得到试验结果相对接近，其中与三轴不排水剪切UU试验相差在4.9%以内，发现与上述验证试验相近，与室内快剪试验相差在5.0%以内，能满足工程应用的需要.

表3 工程应用剪切试验结果对比表

5 结语

治理自然灾害和工程建造都与土发生关系，都必须使用土体的抗剪强度指标，能更准确取得的土体的抗剪强度指标，对岩土工程的合理分析与计算有重要意义.现场直剪试验，能更准确取得的土体的抗剪强度指标，才能实现自然灾害治理和工程建造的“安全、经济、合理、可行”的原则，才能做到既安全可靠，又经济，不浪费财力，实现安全与经济的和谐统一.原位直剪试验将会得到更多的重视，得到更广泛的应用.

文中基于原有的原位直剪试验装置，加以优化改进，优化后的装置能更准确地测定抗剪强度指标，而且设备简单、操作方便，具有许多优点和创新点，具有良好的推广应用前景.

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Research on the optimization of field direct shear test apparatus and its application

YANG Xiong1,CHENG Xiao-jun2,HE Zhong-yi2

(1.Guangdong Electric Power Design Institute,Guangzhou 510600,China;2.Guangdong Tianxin Electric Power Engineering Testing Co.Ltd.,Guangzhou 510600,China)

Based on the research review of scholars both at home and abroad on field direct shear test apparatus and methods,the former field direct shear test apparatus are optimized with four innovation points.The improved apparatus is simple and convenient to operate.With the contrast research between laboratory direct shear test and field direct shear test,and the engineering application,the apparatus is proved to be feasible and accurate,and owns bright future for its application and popularization.

field direct shear test apparatus;optimization and improvement;the shear strength of soil;engineering application

TU459

A

2012-02-05

杨雄（1964-），男，高级工程师，主要从事电力岩土工程勘察、检测及监测等方面的研究，E-mail：yangxiong@gdtxet.com.

2095-3046（2012）03-0030-04