广州地区花岗岩残积土抗剪强度指标取值方法探讨

王 世 彪

(广东有色工程勘察设计院,广东 广州 510080)

广州地区花岗岩残积土抗剪强度指标取值方法探讨

王 世 彪

(广东有色工程勘察设计院,广东 广州 510080)

介绍了研究花岗岩残积土抗剪强度指标取值方法的目的和意义，从室内直剪试验、室内三轴试验、原位直剪试验、平板载荷试验四方面，阐述了花岗岩残积土抗剪强度指标取值的常规方法，并结合其取值方法的研究现状，提出了未来的研究方向。

花岗岩残积土，抗剪强度，三轴试验，直剪仪

1 花岗岩残积土抗剪强度指标取值方法研究目的和意义

花岗岩残积土是花岗岩母岩在温暖潮湿的环境下经过一系列的物理化学风化作用形成的残积土体，具有特殊的物理力学性质。在市政工程、轨道交通工程等建设中，往往将花岗岩风化层和残积土作为基础持力层或隧道穿越层，对项目建设影响较大。花岗岩残积土具有高强度、高孔隙比、低密度、中低压缩性和非饱和性等特点，在挖孔桩施工、基坑开挖施工和隧道矿山法施工时容易出现流砂、崩塌等工程事故。

广州属于亚热带海洋性季风气候，该地区气候温暖湿润，雨量充沛，干湿季节明显，相对湿度较大，花岗岩遭受了长期而又强烈的风化作用，形成了分布广泛、厚度巨大、剖面完整的风化壳，在这些地区进行工程建设，常常会遇到花岗岩风化土带来的一些工程地质问题。同时花岗岩残积土具有明显的非饱和性，已有研究表明，花岗岩残积土的颗粒间主要由游离氧化铁包裹及填充而实现联结，遇水后力学强度急剧降低，结构性明显，显示出脆弹塑性损伤破坏特点。以现在常规的室内试验方法测得的花岗岩残积土抗剪强度指标离散性较大，最终提供的建议值往往都是经验值，为了得到花岗岩残积土准确的抗剪强度指标，有必要对广州地区遇到的花岗岩残积土，针对其直剪试验抗剪强度指标进行系统的分析研究，这样一方面能指导如何准确测试花岗岩残积土的抗剪强度指标，另一方面可以更好的确定抗剪强度指标的建议值，为今后的工程勘察、设计和施工提供理论和方向指导。

2 现阶段花岗岩残积土抗剪强度指标取值常规方法

2.1 室内直剪试验

室内直剪试验是目前最为普遍且简单的试验方法。直剪仪是以库仑理论为理论基础发展而来且最直接测定土体抗剪强度的试验方法。该仪器可分为应变控制式和应力控制式两种。应变控制是控制试样产生一定位移，测定其相应的水平剪应力；应力控制是对试样施加一定的水平剪切力，测定其相应位移。针对花岗岩残积土的研究，国内外均采用应变控制式。

由于直剪仪具有结构简单、固结快、省时、消耗试件少、传力明确、仪器刚度大、操作简单等诸多优点，目前在国内外仍普遍采用。但室内直接剪切试验测定花岗岩残积土抗剪强度参数时测试结果存在较大差异，总体来说有三方面的原因，一是直剪试验本身存在着因取土方法、试样扰动、剪切速率、加荷等级、试验数据点选取、试验数据统计方法等因素而导致误差；二是该仪器本身还存在诸多缺陷，如：正应力不稳定、剪应力集中及剪应力分布不均匀、试验全过程不能严格控制排水条件、实际剪切面并非理想剪切面；三是花岗岩残积土本身具有结构性强、易扰动、非饱和性等特殊的工程性质而导致试验结果迥异。

2.2 室内三轴试验

目前国内外已经研制了多种三轴仪。按其压力室加荷特性来分，有“刚性”“柔性”和“复合”3种形式。它们各有特点，适用范围也不同。在国外，刚性的真三轴仪主要有瑞典Kjellman研制的真三轴仪和英国剑桥大学Pears研制的剑桥真三轴仪，它们都适用于砂土；柔性的真三轴仪主要有Surrey大学Mengles研制的真三轴仪、墨西哥大学Marsal研制的真三轴仪和美国Lo等研制的真三轴仪；复合型的真三轴仪主要有伦敦大学Green研制的真三轴仪、日本谷藤株式会社和日本诚研舍研制的真三轴仪。国内除了从国外引进真三轴仪外，还有进行改造或自己开发的几种真三轴仪，分别为清华大学真三轴仪、同济大学真三轴仪和河海大学真三轴仪。

大部分岩土问题都会涉及土的强度，研究非饱和土的强度是非饱和土理论及其工程应用的首要问题。研究和量测土单元在三维应力状态下的应力—应变—强度关系具有现实意义，而非饱和三轴仪的开发和利用方面，国外走在我国前面。例如德国Wille-Geotechnik非饱和土三轴仪，可以在饱和条件或非饱和条件下，全自动进行标准三轴试验如UU，CU和CD试验，也可以全自动进行应力路径控制测试试验。在不饱和条件下，非饱和土三轴仪系统提供了特殊的模块化系统，以适配不同的试样直径和不锈钢制三轴压力室。较多问题还有待我们去探讨，改进三轴仪器存在的缺陷，并将其使用到各类岩土体的试验研究中去，都具有极为重要的理论意义及实践价值，对以后岩土体的力学特性研究将有很大帮助。尤其目前非饱和三轴仪的发明，对花岗岩残积土抗剪强度的研究提供了巨大的便利条件。

2.3 原位直剪试验

原位直剪试验最早在100多年前被Alexandre Collin用于边坡稳定研究。目前，国内外均研制出了一些大型直剪仪，剪切盒形式繁多，尺寸大小不一，其中最大为280 cm×280 cm×92 cm。基本原理与室内直剪试验相同，都是将试样装填入剪切盒内，分别在不同的垂直压力下，施加水平剪切力进行剪切，使试样在上、下剪切盒之间的水平面上发生剪切至破坏，得到破坏时的剪切应力τ，根据摩尔—库仑定律确定土的内摩擦角φ和粘聚力c。

原位直剪试验可以在不扰动土体情况下，测试出土样的抗剪强度值，由于试样内应力和应变分布的不均匀性，造成了测得的抗剪强度值会有误差，必须结合室内直剪试验验证其准确性。

2.4 平板载荷试验

平板载荷试验是目前比较直接测定地基土承载能力和变形特性的可靠方法，适用于测定承压板下应力主要影响范围内岩土的承载力和变形特性，可以确定地基土承载力、土的弹性模量、地基土的基床反力系数并估算地基土的不排水抗剪强度。

但平板载荷试验也存在一定缺陷，例如因地面加荷引起传力柱的弹性变形和弯曲等而影响位移测量精度。平板载荷试验存在明显的尺寸效应等。这些都值得我们不断深入的研究。

3 花岗岩残积土抗剪强度指标研究现状特点

通过查阅相关文献，我们发现时至今日，花岗岩残积土抗剪强度的研究，已经从理论研究扩展到层出不穷的试验研究，手段多样化。纵观花岗岩残积土抗剪强度研究的整个进程，有以下几个特点：

1)摩尔—库仑强度理论可非常准确的确定饱和土的抗剪强度，这早已被实验和工程实践所证实，目前在工程中依旧采用这种理论，随着非饱和土力学的发展，越来越多的学者对非饱和土力学中抗剪强度进行研究，其研究成果各种各样，至今没有形成一个真正被工程界所认可的非饱和土抗剪强度公式，而作为特殊土的花岗岩残积土在这方面的理论研究更加缺乏。

2)花岗岩残积土抗剪强度研究至今已经表明，抗剪强度与土的成分、物性、结构等因素息息相关，但是对花岗岩残积土抗剪强度的主要影响因素，国内外仍缺少系统的研究，没有形成较系统的确定指南。

3)在花岗岩残积土的抗剪强度试验中，采用的依旧是操作简单的室内直剪仪。但直剪仪本身还存在正应力不稳定、剪应力集中及剪应力分布不均匀、试验全过程不能严格控制排水条件等缺陷、实际剪切面并非理想剪切面，造成了抗剪强度测试值的不准确性。而工程中接触较多为非饱和的花岗岩残积土，因此，对花岗岩残积土的抗剪强度的研究，应该偏向于能够控制土样基质吸力的非饱和直剪仪、三轴仪及非饱和三轴仪。

4)针对花岗岩残积土抗剪强度，国内外学者开展了一系列原位试验，配合室内直剪试验进行验证，试验手段都比较单一，没有将各种原位试验数据进行较为系统的分析，得到科学的关系式。另外，对原位监测的重视不够，没有将土压力的监测数据和其他原位试验及室内试验数据形成对比分析。

4 花岗岩残积土抗剪强度指标的重要研究方向

土力学发展至今，对于花岗岩残积土力学特性的研究还不够，以至于对工程问题的处理没有达成高度的一致，症结在于对花岗岩残积土抗剪强度没有形成一个统一的确定指南。为了促进花岗岩残积土抗剪强度指南的确定，我们需要进行全面深入的研究，主要有以下几个新的重要研究方向：

1)花岗岩残积土非饱和抗剪强度理论研究。总体上，当前学者对非饱和土粒间吸力力学特性的了解及其量化方法和测试方法的研究还不够深入，需要解决的核心问题仍然是“吸力”问题，尤其是吸力的测量问题，这也是下一步重要的研究方向。

2)花岗岩残积土抗剪强度测试方法和影响因素研究。尤其针对非饱和土的三轴试验是需要学者进一步研究的方向。同时有必要开展系列试验和理论研究，研究花岗岩残积土的结构性和易扰动性对直剪试验指标的影响。

3)通过现场土压力和变形监测反分析法推导出抗剪强度取值，与室内和原位试验值相比较，得到抗剪强度的取值的某种规律特征。

4)花岗岩残积土抗剪强度指标取值指南。通过将室内试验与原位试验结合起来，建立起花岗岩残积土抗剪强度指标取值指南，为工程中抗剪强度的取值提供一个标准。

[1] 汤连生,桑海涛,宋 晶,等.非饱和花岗岩残积土粒间联结作用与脆弹塑性胶结损伤模型研究[J].岩土力学,2013,34(10):2877-2888.

[2] 吴能森.结构性花岗岩残积土的特性及工程问题研究[D].南京：南京林业大学,2005.

[3] 包承纲,詹良通.非饱和土性状及其与工程问题的联系[J].岩土工程学报,2006,28(2):129-136.

[4] 《工程地质手册》编委会.工程地质手册[M].第4版.北京：中国建筑工业出版社，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，高级工程师

TU432

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