探析當(dāng)前的土工直接剪切試驗技術(shù)

許小敏 楊平

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

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

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

在土工項目中，土力學(xué)試驗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)計提供土體參數(shù)。目前，土力學(xué)試驗種類較多，直接剪切試驗是目前應(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)點廣受業(yè)界重視。

1 ?直剪實驗技術(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。基于該項程序之上的求解也采用了多種計算方法，如離散模型法、動態(tài)松弛法等，在計算土體非線性等方面十分優(yōu)越，是直接剪切試驗技術(shù)下仿真建模的一樣必要程序。

土體強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技術(shù)對此進行計算時，無論是采用理論方法還是采用試驗或是仿真等方法，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為影響土體強度的因素不同而有所變化，本文以其中一種假定為例進行介紹：

①忽略土壤自重;②根據(jù)市內(nèi)試驗要求來施加荷載，荷載分4等級，從100 kPa為基本點，每一等級增加100 kPa;③土體強度影響因素中，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;⑥建模圓柱形土體。

1.2 ?生成模型圖

直接剪切試驗技術(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，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)試驗應(yīng)用設(shè)備相同，只是在建模過程中進行了簡化。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來實現(xiàn)，建模完成后進行網(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行設(shè)定，以Mohr-Coulomb為例，則上述幾項材料特性分別為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 ?剪切實驗分析

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)合的方式進行說明，只是通過實驗得出結(jié)論，該次模擬的假定符合直接剪切試驗實際情況。

2 ?直剪試驗技術(shù)中對參數(shù)的影響分析

2.1 ?壓應(yīng)力偏心

實驗操作初期技術(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，摩擦角的實驗結(jié)果將會同土樣實際情況產(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)致實驗誤差。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，它給抗剪強度帶來的影響小，實際計算中可不做考慮，但是對粘性土影響則明顯一些。本文通過對大量已有實驗數(shù)據(jù)資料的分析研究發(fā)現(xiàn)，粘土抗剪強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)對它們進行直剪試驗時，如果速度降低10倍，則檢測結(jié)果可能比實際情況低出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

同其它實驗不同，直剪試驗技術(shù)是基于設(shè)計理想化之上所開展的，實驗條件也為簡化，這是它在應(yīng)用和操作中所具備的最大特點。盡管如此，受設(shè)備儀器限制，土樣試驗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，如果強度計算還是按照原截面計算的話，則會造成強度計算值偏小，在實際操作中應(yīng)當(dāng)注意。

3 ?結(jié) ?語

綜上所述，土木工程建設(shè)中，土體抗剪強度情況是其進行工程設(shè)計時參考的重要參數(shù)之一，關(guān)系著設(shè)計成敗及日后工程的使用質(zhì)量。直接剪切試驗技術(shù)的應(yīng)用在這一方面貢獻頗多，但是由于影響土體性能的因素眾多，因此在實際試驗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)。

參考文獻：

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