自反力雙剪面大型剪切儀研發(fā)及應(yīng)用研究

龔 輝 ，郭娜娜 ，葛邦云

（1.珠海市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測站，廣東 珠海 519000；2.貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550000；3.中交二航局昆明分公司，云南 昆明 650000）

直接剪切儀（直剪儀）是巖土工程中最早使用的一種測定土樣抗剪強(qiáng)度的儀器，具有操作直觀簡單方便的特點(diǎn)，在巖土力學(xué)教學(xué)和實(shí)際工程測試中被廣泛使用。直剪儀分為室內(nèi)直剪儀和現(xiàn)場原位直剪儀，由于室內(nèi)試驗(yàn)尺寸有限，并且是取回試樣進(jìn)行試驗(yàn)，極易受到擾動(dòng)，特別是對(duì)于粗粒土而言，室內(nèi)直剪儀難以得到真實(shí)賦存環(huán)境下的材料特性，大部分涉及粗粒土的工程應(yīng)直接在工程現(xiàn)場選取一定數(shù)量的典型場地，就地進(jìn)行原位試驗(yàn)，避免試樣獲取、搬運(yùn)過程中對(duì)的土樣攪動(dòng)影響。

而現(xiàn)有大部分現(xiàn)場原位直剪儀裝置采用單剪切盒的形式過于簡陋，法向加壓反力和水平支撐有限[1-6]。也有學(xué)者們研發(fā)了采用雙剪切盒形式的現(xiàn)場室內(nèi)兩用大型直剪儀[7-10]，但還是無法避免剪切過程中出現(xiàn)法向偏壓現(xiàn)象，限制了其在工程中的運(yùn)用。為了得到準(zhǔn)確可信的試驗(yàn)結(jié)果，本文對(duì)現(xiàn)有原位直剪儀的結(jié)構(gòu)和加載方式進(jìn)行剖析，在總結(jié)現(xiàn)有原位直剪儀不足的同時(shí)，研制出一種新的雙剪面自反力原位直剪儀，摒棄了傳統(tǒng)直剪儀所用的滾軸排，采用三環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)際剪切自平衡的同時(shí)，專門設(shè)置側(cè)導(dǎo)軌限制了剪切環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，消除了由剪切引起的附加力矩，使剪切面的應(yīng)力分布更加均勻合理。

1 現(xiàn)有原位直剪儀的類型及存在的問題

現(xiàn)有原位直剪儀按剪切環(huán)的數(shù)量主要有單環(huán)剪切儀和雙環(huán)剪切儀；法向壓力施加的方式主要有堆載法（圖1a、b、c）和地錨法（圖1d）兩種。

1.1 單環(huán)原位剪切儀

A型單環(huán)直剪儀（圖1a）使用操作方便，剪切過程中法向定壓，但難于采用鋼錠提供足夠的法向反力。在法向加壓的過程中極易失穩(wěn)或鋼錠板直接壓在剪切盒側(cè)壁上面造成試驗(yàn)結(jié)果失真。而且在剪切過程中整個(gè)法向加壓系統(tǒng)沿著剪切方向平移，易引起法向加壓鋼錠側(cè)翻導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

為了解決這一問題，研究者們提出了B型單環(huán)直剪儀[2-4]（圖1b），并在土樣頂部和法向加壓千斤頂之間增加了滾軸（珠）排系統(tǒng)解決剪切過程的移動(dòng)問題，但是剪切力作用下，剪切環(huán)帶動(dòng)試樣沿剪切方向平移，無法保證施加的法向壓力始終是垂直施加在試樣中心，導(dǎo)致試樣處于偏心受壓狀態(tài)，不能嚴(yán)密符合巖土力學(xué)庫倫-摩爾破壞原理要求的荷載作用條件。楊雄等[5]提出的C型單環(huán)直剪儀（圖1c）可以有效避免加壓時(shí)的法向偏壓問題，但是C型單環(huán)直剪儀在現(xiàn)場實(shí)施時(shí)有很大難度，具體試驗(yàn)時(shí)上部堆載荷重通常略大于試驗(yàn)所需法向荷重，所以剪切滑動(dòng)難于實(shí)現(xiàn)。而晏鄂川等[6]提出的D型（圖1d）單環(huán)直剪儀采用地錨提供反力，巧妙地將滾軸（珠）排設(shè)置在地梁與豎向拉桿連接處。另外，單環(huán)剪切儀均采用后緣開挖面作為水平荷載的反力支撐，在高法向壓力作用時(shí)，后緣支撐體因反力不足容易發(fā)生提前破壞，導(dǎo)致試驗(yàn)提前中止。

圖1 單環(huán)直剪儀示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the single-box direct shear instrument

1.2 雙環(huán)原位剪切儀

后來陸續(xù)研究出了雙環(huán)直剪儀，大多采用反力架提供水平向反力[7-10]（圖2）。其中最大尺寸的為中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研發(fā)的現(xiàn)場室內(nèi)雙用雙環(huán)大型直剪儀[7]，采用反力架自身重量或頂部堆載聯(lián)合施加法向反力，整體為可拆卸式，儀器長為2.759 m、高1.649 m。楊文智等[11]研發(fā)了一種自平衡雙環(huán)原位剪切儀（圖3），在下環(huán)上設(shè)計(jì)1個(gè)平衡槽，實(shí)現(xiàn)了水平加載的自平衡，減小了水平加載的作業(yè)空間。

從圖2和圖3可以看出，雙環(huán)直剪儀和自平衡雙環(huán)直剪儀雖然在設(shè)備上的改進(jìn)解決了水平反力不足的問題，但在剪切過程中的法向偏壓問題仍然存在，同時(shí)還存在以下不足亟待改進(jìn)：

圖2 普通雙環(huán)直剪儀示意圖Fig.2 Schematic diagram of common double-box direct shear instrument

圖3 雙環(huán)自平衡直剪儀示意圖Fig.3 Schematic diagram of the self-balanced double-box direct shear instrument

（1）未預(yù)留剪切縫或剪切縫寬度不可調(diào)：工程現(xiàn)場的試樣內(nèi)部或多或少摻雜有巖塊，在剪切力作用下剪切面附近的巖石碎塊發(fā)生翻滾、移位，并擾動(dòng)周邊土體，使剪切面由一張面發(fā)展成為一個(gè)帶狀體。如圖4所示，這個(gè)帶狀體厚度即是剪切前應(yīng)預(yù)留的剪切縫寬度。對(duì)于巖體剪切而言，同樣由于粗糙度不同也將導(dǎo)致剪切面呈帶狀體[12-13]。

圖4 實(shí)際剪切破壞面示意圖Fig.4 Actual shear failure interface

無論是土樣還是巖樣均要求試驗(yàn)設(shè)備在剪切前預(yù)留一個(gè)合理寬度的剪切縫。若預(yù)留縫隙尺寸太小，盒壁將制約顆粒的滾動(dòng)和錯(cuò)動(dòng)，造成抗剪強(qiáng)度偏高。反之預(yù)留縫隙尺寸太大，剪切過程中試料會(huì)擠出，從而減小有效剪切面積，測試得到的抗剪強(qiáng)度偏低。有學(xué)者[14-15]提出預(yù)留的剪切縫寬度可取為顆粒最大粒徑或平均粒徑的某一倍數(shù)，但是土石混合料剪切帶的厚度除了與土石混合料的粒度組成有關(guān)以外，還與土石混合料的含石量有很大的關(guān)系，徐文杰[1]通過原位直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著塊石含量的增加，其剪切帶逐漸變寬。因此預(yù)留剪切縫的寬度必須是動(dòng)態(tài)可調(diào)的。

（2）剪切環(huán)附加力矩問題：為了得到準(zhǔn)確的力學(xué)參數(shù)，剪切時(shí)推力作用線盡量接近剪切面，但現(xiàn)場試驗(yàn)要求預(yù)留一定寬度的剪切縫，預(yù)留剪切縫不可避免造成水平力作用線與剪切面的偏離。Jewell[16]的研究成果表明對(duì)于單剪切盒和雙環(huán)直剪儀上盒的受力狀態(tài)如圖5所示，水利水電粗粒土試驗(yàn)規(guī)程（DL/T 5356—2006）[17]要求水平千斤頂軸線與剪切面距離不宜大于試樣邊長或直徑的5%。

圖5 頂部自由的剪力引起的力偶（a）及試樣受力簡圖（b）Fig.5 Stresses and couples induced by shear force

（3）滾軸（珠）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響問題：除了A型單環(huán)直剪儀以外的單雙環(huán)直剪儀均在法向加壓千斤頂與頂板之間采用了滾軸（珠）排，滾軸（珠）與頂板之間是線（點(diǎn)）接觸。在高法向壓力作用下，滾軸（珠）與頂板之間摩阻力不容忽視，在數(shù)據(jù)處理時(shí)必須予以剔除，但這個(gè)摩阻力值具體數(shù)值不易測定，其值在剪切過程中非定值。

2 自反力雙剪面大型原位直剪儀的研制

2.1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

如圖6所示，自反力雙剪面大型剪切儀包括傳力支座、上環(huán)、中環(huán)、下環(huán)、側(cè)導(dǎo)軌、縫襯瓦、豎向千斤頂、水平向千斤頂、環(huán)上墊枕、小梁、球頭。上環(huán)和下環(huán)通過底部傳力支座的上下拉桿和側(cè)導(dǎo)軌上的螺絲連接為一整體[18]。

圖6 雙剪面自反力大型原位直剪儀正視圖（a）及實(shí)體儀器（b）Fig.6 Front view and photo for the large self-reacting direct shear apparatus owning two shear interfaces

（1）剪切環(huán)：本次3個(gè)剪切環(huán)平面尺寸完全一致，截面為圓形，直徑為60 cm，高為20 cm，可試驗(yàn)的粗粒土最大粒徑可達(dá)120 mm。中環(huán)為主要剪切環(huán)，上下環(huán)在剪切過程中固定不動(dòng)，提供水平反力，試驗(yàn)過程在中環(huán)的上下頂面同時(shí)形成剪切面。

（2）縫襯瓦：縫襯瓦的內(nèi)緣尺寸和剪切環(huán)內(nèi)緣尺寸完全一致，為了安裝拆卸方便，單個(gè)環(huán)面的縫襯瓦由2塊半圓形環(huán)板組成，本裝置的單塊縫襯瓦厚度為10 mm，可多塊重疊放置，可預(yù)留寬度為10，20，30，40，50，60 mm的剪切縫，可適用于最大顆粒粒徑不超過180 mm的粗粒土原位剪切試驗(yàn)。

（3）側(cè)導(dǎo)軌：側(cè)導(dǎo)軌是為了克服原有原位剪切儀中剪切環(huán)剪切過程中剪切環(huán)發(fā)生旋轉(zhuǎn)而專門設(shè)計(jì)，側(cè)導(dǎo)軌大樣圖見圖7。側(cè)導(dǎo)軌通過4根螺釘分別與上環(huán)和下環(huán)的螺孔固定，在中環(huán)兩側(cè)相應(yīng)位置設(shè)置側(cè)滑板，保證中環(huán)在剪切過程中只發(fā)生平動(dòng)，不能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7 側(cè)導(dǎo)軌大樣圖Fig.7 Schematic diagram of side rail

（4）法向反力系統(tǒng)：法向反力裝置中無需安放滾軸排，直接安放頂部直接放置法向反力系統(tǒng)，法向反力可視現(xiàn)場情況采用錨拉樁、堆載壓重提供，若在試洞中還可利用洞頂作為反力支撐。

（5）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：自反力雙剪面大型剪切儀的數(shù)集采集系統(tǒng)與原有剪切儀一樣，在中環(huán)前部安裝剪切位移計(jì)，環(huán)刀上墊枕上對(duì)稱安裝2個(gè)法向位移計(jì)。

2.2 特點(diǎn)

自反力雙剪面大型剪切儀的特點(diǎn)如下：

（1）水平剪切自平衡：設(shè)有上、中、下3個(gè)剪切環(huán)，中環(huán)為主剪切環(huán)，上環(huán)和下環(huán)在剪切過程提供水平向反力，實(shí)現(xiàn)水平荷載的自平衡。

（2）取消滾軸排，剔除滾軸排對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響：剪切時(shí)上環(huán)、墊枕、豎向千斤頂均不發(fā)生位移，因此無需加裝滾軸排。

（3）預(yù)留可調(diào)節(jié)寬度的剪切縫：在安裝設(shè)備時(shí)，根據(jù)試樣最大顆粒粒徑分別在上環(huán)與中環(huán)之間、中環(huán)與下環(huán)之間安放相應(yīng)厚度的縫襯瓦，單個(gè)環(huán)面的縫襯瓦由2塊半圓形環(huán)板組成，為了能適應(yīng)不同粒徑的粗粒土的原位剪切，本裝置的單塊縫襯瓦厚度分5個(gè)厚度，實(shí)現(xiàn)了剪切縫的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

（4）消除剪切環(huán)偏轉(zhuǎn)發(fā)生的附加力矩引起剪切面法向偏心：專門設(shè)置側(cè)導(dǎo)軌，通過側(cè)導(dǎo)軌固定上下環(huán)的同時(shí)限制中環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，作用在剪切面上僅有法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力，無附加力矩產(chǎn)生，上中下3個(gè)剪切環(huán)的受力狀態(tài)如圖8所示。

圖8 各剪切環(huán)和試樣受力簡圖Fig.8 Diagram of force（stresses）for shear boxes and test samples

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證自反力雙剪面大型剪切儀的可行性，在云南某土石混合料大型填方工程中，采用單環(huán)剪切儀及自反力雙剪面大型剪切儀分別對(duì)土石混合填料進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，現(xiàn)場的填料為高塑性黏土夾雜碎石，有效粒徑d10=0.077 mm，限制粒徑d30=0.490 mm，d60=3.481 mm。計(jì)算得出不均勻系數(shù)Cu=d60/d10=45.213，曲率系數(shù)Cc=0.896?，F(xiàn)場采用核磁密度儀測得剪切樣的濕密度為1 971 g/cm3，干密度為1.615 g/cm3，含水率為22.02%。

單環(huán)剪切儀的法向加載采用質(zhì)量為0.5 t的噸塊，根據(jù)現(xiàn)場加載情況，法向應(yīng)力為64.92，86.56，129.84 kPa，噸塊過多后在剪切后期極易發(fā)生傾倒。自反力雙剪面大型剪切儀采用堆載反壓的方式提供法向荷載，試驗(yàn)過程中采用法向應(yīng)力為155.24，312.04，468.84，594.19 kPa進(jìn)行4個(gè)試樣的剪切試驗(yàn)（圖9）。

圖9 自反力雙剪面大型剪切儀應(yīng)用現(xiàn)場試樣修整圖Fig.9 Field sample modification diagram of new shear apparatus application

3.1 剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

圖10為單環(huán)剪切儀試驗(yàn)結(jié)果得到的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線。由圖10可見，法向壓力64.92 kPa對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力-剪切位移近似于雙曲線，只是在局部出現(xiàn)了異常。剪切位移為11.29～12.31 mm時(shí)剪應(yīng)力也現(xiàn)了小幅驟升，當(dāng)剪切位移為33.21 mm時(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到其峰值73.368 kPa。隨后進(jìn)入軟化階段，當(dāng)剪切位移達(dá)到39.50 mm時(shí)剪應(yīng)力軟化到68.376 kPa，剪應(yīng)力也達(dá)到了殘余穩(wěn)定值68.376 kPa；法向壓力86.56 kPa對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力-剪切位移曲線近似為雙曲線。剪切位移達(dá)到18.34 kPa時(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到峰值。隨后進(jìn)入剪切軟化階段，當(dāng)剪切位移為33.50 mm時(shí)，剪應(yīng)力已軟化到84.238 kPa，并未達(dá)到殘余穩(wěn)定值；法向129.84 kPa對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力-剪切位移曲線可分為2個(gè)階段：（1）雙曲線段（0.00～9.62 mm）：在此階段，剪應(yīng)力隨剪切位移呈雙曲線上升，當(dāng)剪切位移達(dá)9.62 mm時(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到其峰值105.816 kPa。（2）軟化階段（9.62～19.00 mm）：當(dāng)剪切位移大于9.62 mm后，剪切即呈現(xiàn)軟化規(guī)律，在剪切位移為9.62～10.45 mm區(qū)間段，剪應(yīng)力出現(xiàn)小幅驟降。在剪切位移為10.45～19.00 mm區(qū)間段，剪切呈現(xiàn)有細(xì)微的軟化。

圖10 單環(huán)剪切儀剪切應(yīng)力-位移曲線Fig.10 Shear stress-displacement curves for the single-box shear apparatus

圖11為自反力雙剪面大型剪切儀試驗(yàn)結(jié)果得到的剪應(yīng)力-剪切位移曲線?？梢?，4個(gè)法向應(yīng)力下的剪切曲線都較為平滑，為標(biāo)準(zhǔn)雙曲線趨勢，剪切位移30 mm以后剪切應(yīng)力增幅較小，由于自反力雙剪面大型剪切儀在法向加壓過程中更加穩(wěn)當(dāng)，所以可得到大剪切位移情況下的剪切曲線。但是，與單環(huán)剪切儀得到的試驗(yàn)曲線對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，單環(huán)剪切儀試驗(yàn)時(shí)很早便發(fā)生了應(yīng)變軟化現(xiàn)象，其原因并不是試樣發(fā)生了應(yīng)變軟化，而是法向加壓系統(tǒng)在平推過程中已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)和偏心所致。

圖11 自反力雙剪面大型剪切儀剪切應(yīng)力-位移曲線Fig.11 Shear stress-displacement curves for new shear apparatus self-reacting direct shear owning two shear interfaces

3.2 剪切強(qiáng)度

采用線性擬合求取2種剪切儀試驗(yàn)得到的強(qiáng)度（圖12），可見剪切強(qiáng)度整體符合庫侖-莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則。采用單環(huán)剪切儀得到的內(nèi)摩擦角為26.56°，黏聚力為40.92 kPa。采用自反力雙剪面大型剪切儀得到的內(nèi)摩擦角為22.05°，黏聚力為82.06 kPa?？梢娕c單環(huán)剪切相比，自反力雙剪面大型剪切儀得到的內(nèi)摩擦角低4.6°，而黏聚力高41.14 kPa，其主要原因是單環(huán)剪切儀在剪切后期法向加載系統(tǒng)極易發(fā)生傾覆，導(dǎo)致高法向應(yīng)力對(duì)應(yīng)的最大剪切應(yīng)力未真實(shí)獲取。

圖12 強(qiáng)度參數(shù)擬合對(duì)比Fig.12 Compassion between strength parameter fittings of two shear apparatuses

3.3 剪切破壞面

圖13為單環(huán)剪切儀試驗(yàn)得到的剪切破壞面，從圖上可發(fā)現(xiàn)剪切面明顯下凹，剪切面極不規(guī)整。圖14為自反力雙剪面大型剪切儀試驗(yàn)得到的剪切破壞面，剪切面較為平整，未出現(xiàn)單環(huán)剪切試驗(yàn)的剪切面下凹現(xiàn)象，剪切面上也未見有巖塊剪碎現(xiàn)象。

圖13 單環(huán)剪切儀得到的典型剪切破壞面Fig.13 Shear failure interface attained through the single box apparatus

圖14 自反力雙剪面大型剪切儀得到的典型剪切破壞面Fig.14 Shear failure interface attained through self-balanced in-situ shear equipment owning two shear interfaces

4 結(jié)論

（1）針對(duì)傳統(tǒng)剪切儀存在的缺陷，研制了雙剪面自反力現(xiàn)場大型直剪儀，其具有水平剪切自平衡、法向加壓系統(tǒng)在剪切過程中固定而無需滾軸排、剪切盒之間可預(yù)留可調(diào)節(jié)寬度的剪切縫、通過側(cè)導(dǎo)軌限制剪切盒在剪切過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)消除附加力矩對(duì)剪切面應(yīng)力狀態(tài)的影響、各部分組裝和拆卸都非常方便而特別適用于野外作業(yè)等特點(diǎn)。

（2）原位剪切試驗(yàn)對(duì)比證明，自反力雙剪面大型剪切儀可得到大剪切位移情況下的剪切曲線，為標(biāo)準(zhǔn)雙曲線；從曲線上讀取的最大剪切應(yīng)力更符合實(shí)際，與單環(huán)剪切試驗(yàn)結(jié)果相比，線性擬合得到的內(nèi)摩擦角低4.6°，而黏聚力高41.14 kPa。

（3）用自反力雙剪面大型剪切儀的剪切破壞面較為平整，未出現(xiàn)單環(huán)剪切試驗(yàn)的剪切面下凹現(xiàn)象。

（4）本次現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了測試方式的可行性與結(jié)果可靠性，自反力雙剪面大型剪切儀經(jīng)過專門的設(shè)計(jì)改進(jìn)，測試結(jié)果更加準(zhǔn)確可信。