張建經(jīng) ，馬東華，曾鵬毅，孫延軍，何 夢

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031； 2. 鄭州中核巖土工程有限公司,河南 鄭州 450008)

0 引 言

土體的黏聚力與內(nèi)摩擦角是進(jìn)行工程設(shè)計與科學(xué)研究的重要參數(shù)，且獲得正確的巖土體參數(shù)是保證工程安全的重要基礎(chǔ)[1]。直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)是目前獲得土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)常用的室內(nèi)試驗(yàn)手段，但室內(nèi)試驗(yàn)在取樣的過程中對土體造成擾動，且使土樣脫離了原有的地質(zhì)環(huán)境，這會使試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差；原位試驗(yàn)雖然避免了室內(nèi)試驗(yàn)的缺點(diǎn)，但也有許多限制條件，例如現(xiàn)場的大型直剪試驗(yàn)耗時久、費(fèi)用高、占地大、過程繁瑣；十字板剪切試驗(yàn)不適用于硬塑性黏土等土層；通過經(jīng)驗(yàn)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的土體強(qiáng)度參數(shù)的可靠性難以保證。

為了改進(jìn)現(xiàn)場原位試驗(yàn)的缺陷，R.L.HANDY等[2]提出了原位鉆孔剪切試驗(yàn)方法并制造了相關(guān)設(shè)備(Iowa鉆孔剪切儀)；R. A. LOHNES等[3-5]用上述設(shè)備對黏土等不同類型土進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，得到了相應(yīng)黏聚力與內(nèi)摩擦角。在國內(nèi)，于永堂等[6]闡述了Iowa鉆孔剪切儀原位鉆孔剪切的原理，并用已有設(shè)備得到了黃土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)；婁奕紅等[7]在某公路邊坡中用國外設(shè)備測定了坡積土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)；王剛等[8]對西南地區(qū)黃土進(jìn)行了鉆孔剪切試驗(yàn)，分析了剪應(yīng)力與正應(yīng)力的相關(guān)性;馮文凱等[9-10]介紹了Phicometre鉆孔剪切試驗(yàn)儀的基本原理、試驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)處理方法。因原位鉆孔剪切設(shè)備攜帶便捷、操作簡單，且在微擾動條件下就能得到土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，美國已有相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[11]，然而因國外現(xiàn)有設(shè)備剪切刀頭的尺寸與我國多數(shù)工程的鉆孔孔徑不相符，加之無法進(jìn)行深孔測量或需要配備較重的連接桿等缺陷，原位鉆孔剪切設(shè)備在我國工程領(lǐng)域鮮有應(yīng)用。

針對國外設(shè)備的缺陷，改進(jìn)研發(fā)了一套新型便攜式鉆孔剪切儀并進(jìn)行測試分析，評價了其可行性與適用性?；趯?shí)際測試分析了抗剪強(qiáng)度測試方法、測試過程中的應(yīng)力控制、破壞判別、數(shù)據(jù)處理等，為該方法測試規(guī)范的編寫提供參考。

1 鉆孔剪切試驗(yàn)原理與試驗(yàn)設(shè)備

1.1 鉆孔剪切試驗(yàn)原理

鉆孔剪切試驗(yàn)與室內(nèi)直剪試驗(yàn)均是通過在施加豎向壓力的條件下對土體進(jìn)行剪切破壞，不同的是直剪試驗(yàn)的剪切面較為固定，為上、下盒的接觸面，而鉆孔剪切的剪切面為刀頭攜帶土體與其周圍土體所形成的面。試驗(yàn)時，將帶有橫向齒的剪切刀頭放置于待測深度，通過豎向壓力將剪切刀頭擠入土體并完成固結(jié)過程，然后對刀頭施加上拔力，帶動刀頭橫向齒內(nèi)土體，使其與周為土體發(fā)生剪切破壞。

圖1 鉆孔剪切試驗(yàn)原理Fig. 1 Principle of borehole shear test

鉆孔剪切試驗(yàn)原理示意圖見圖1，剪切刀頭長度為L，寬度為B，有效剪切高度為L0，有效作用面積為A，在剪切過程中上拔力為P，法向壓力為N，則有：

(1)

(2)

通過最小二乘法對不同法向應(yīng)力條件下的剪切應(yīng)力進(jìn)行線性擬合，規(guī)定擬合的相關(guān)性系數(shù)R2≥0.98，擬合直線的截距為黏聚力c，斜率為內(nèi)摩擦角φ。

1.2 鉆孔剪切試驗(yàn)設(shè)備

目前鉆孔剪切設(shè)備均為國外生產(chǎn)，樣式以圖2設(shè)備為代表，國內(nèi)除少數(shù)科研單位引入此類設(shè)備，介紹了其基本原理、試驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)處理方法等，其在工程領(lǐng)域罕有應(yīng)用。

圖2 已有鉆孔剪切設(shè)備Fig. 2 Existing borehole shear equipment

根據(jù)JGJ/T87—2012《建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，我國工程勘察鉆孔孔徑有如下要求，見表1：

表1 鉆孔孔徑Table 1 Drilling aperture

國外儀器的工作孔徑為75 mm，但國內(nèi)勘察領(lǐng)域存在較多大于75 mm的鉆孔；此外，現(xiàn)有設(shè)備地面部分與剪切刀頭之間為鐵桿連接，無法進(jìn)行深孔測量或需要配備較重的連接桿，且通過壓力表進(jìn)行人工數(shù)據(jù)采集，缺乏精確性與便捷性。

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有設(shè)備的缺陷并降低設(shè)備成本，作者研發(fā)了一套新型便攜式鉆孔剪切儀，如圖3：

圖3 鉆孔剪切儀Fig. 3 Borehole shear equipment

儀器主要包括4部分：下部剪切刀頭、上部操作平臺、法向力提供系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集裝置，部分配件見圖4。本套儀器的主要創(chuàng)新點(diǎn)為：

1)制作了適用于不同孔徑的剪切刀頭，滿足了不同孔徑測量的需求；

2)在地面儀器與剪切刀頭之間用鋼絲索連接，由于刀頭部分的自重，鋼絲索在孔內(nèi)可保持豎直，實(shí)現(xiàn)了深孔測量；

3)采用稱重傳感器并與電腦連接，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時采集存儲；

4)儀器制作成本低于國外現(xiàn)有產(chǎn)品。

圖4 儀器部件Fig. 4 Equipment components

2 儀器測試分析

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)用模型箱如圖5，尺寸為1 m×1 m×0.9 m，試驗(yàn)用土為河砂與黏土(質(zhì)量比3∶1)配制而成，含水率為20%，確保穩(wěn)定成孔。在模型箱一條對角線的1/3和2/3處，固定兩直徑100 mm的PVC管，從模型箱底部分層填土并用塑膠錘夯實(shí)，每層20 cm，填筑高度80 cm，填土完成后拔出PVC管形成孔1和孔2。試驗(yàn)初始法向壓力取為50 kPa，分級增量見表2。

圖5 模型箱Fig. 5 Model box

增量等級一級二級三級四級增量應(yīng)力值/kPa50100200300

2.1.2 剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變關(guān)系

定義鉆孔剪切試驗(yàn)的剪切應(yīng)變γ=δV/L0，其中δV為剪切位移，L0為剪切刀頭的有效剪切高度?？?和孔2的鉆孔剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖6，室內(nèi)直剪試驗(yàn)的剪切位移-剪切應(yīng)力曲線如圖7：

圖6 鉆孔剪切試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig. 6 Stress-strain relationship of borehole shear test

圖7 室內(nèi)直剪試驗(yàn)剪切位移-剪切應(yīng)力關(guān)系Fig. 7 Shear displacement-shear stress relationship of indoor direct shear test

由圖6可知，曲線有較為顯著的峰值點(diǎn)，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可視為軟化型，曲線大致可以分為4個階段：

1)密實(shí)階段：此階段過程較短，剪切刀頭附近土體被壓密，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈下凸形。

2)線性階段：此階段應(yīng)力與應(yīng)變大致呈線性關(guān)系，直到達(dá)到土體的屈服應(yīng)力，這反映出周圍土體與刀頭表面土體沒有顯著錯動。

3)塑性屈服階段：此階段應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為曲線，土體出現(xiàn)塑性變形，隨著剪應(yīng)力的增加，剪切面周圍出現(xiàn)微小裂縫。

4)殘余強(qiáng)度階段：此階段應(yīng)力會有略微下降，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力最終趨于平穩(wěn)。

由圖7可知，直剪試驗(yàn)也有著類似的規(guī)律，但與鉆孔剪切試驗(yàn)不同的是在破壞階段之前直剪試驗(yàn)的剪切應(yīng)力增速較快，曲線呈明顯上凸，這可能是剪切盒對土樣約束的影響，具體原因有待進(jìn)一步分析。

2.1.3 鉆孔剪切與直剪試驗(yàn)結(jié)果對比

圖8為孔1和孔2的鉆孔剪切試驗(yàn)與室內(nèi)直剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度。

圖8 鉆孔剪切與直剪試驗(yàn)所得抗剪強(qiáng)度線Fig. 8 Shear strength line obtained by borehole shear test and direct shear test

根據(jù)室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)和鉆孔剪切試驗(yàn)所得的抗剪強(qiáng)度線即可得到土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，見表3及4：

表3 室內(nèi)鉆孔剪切及直接剪切試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of indoor bore shear test and direct shear test

表4 室內(nèi)鉆孔剪切及直接剪切試驗(yàn)結(jié)果平均值Table 4 Average value of indoor borehole shear test and direct shear test

由表3～表4可知，鉆孔剪切的相關(guān)系數(shù)均高于室內(nèi)直剪的相關(guān)系數(shù)。4組試驗(yàn)中，孔1室內(nèi)直剪試驗(yàn)得到的黏聚力明顯小于其余試驗(yàn)結(jié)果，其原因可能是取樣過程對土體造成了較強(qiáng)擾動，破壞了原有的結(jié)構(gòu)。鉆孔剪切試驗(yàn)測得的土體內(nèi)摩擦角平均值比室內(nèi)直剪試驗(yàn)的小10.6%，測得的的黏聚力是孔2直剪試驗(yàn)所得黏聚力的40%。筆者認(rèn)為，造成鉆孔剪切測得的黏聚力過小的原因可能有以下幾點(diǎn)：

1)模型箱中土體經(jīng)過夯實(shí)后具有明顯的各向異性，鉆孔剪切試驗(yàn)是沿著豎向?qū)ν馏w進(jìn)行剪切而室內(nèi)直剪試驗(yàn)則是水平向剪切土體，因此試驗(yàn)結(jié)果會產(chǎn)生差異。

2)在剪切刀頭上作用剪切力之后，其應(yīng)力會沿剪切方向進(jìn)行消散。在本次室內(nèi)試驗(yàn)中，土層表面出現(xiàn)如圖9所示明顯裂縫，表明上部土體發(fā)生了松動，提供的土抗力會有所下降，這可能是造成鉆孔剪切試驗(yàn)黏聚力低的原因。

3)室內(nèi)直剪試驗(yàn)是將試樣放入直剪盒中進(jìn)行剪切，直剪盒相當(dāng)于固定邊界，盒內(nèi)土體受到了約束；而鉆孔剪切試驗(yàn)可視為無限邊界，對剪切面附近土體不產(chǎn)生附加約束，這可能直接導(dǎo)致鉆孔剪切試驗(yàn)結(jié)果小于室內(nèi)直剪試驗(yàn)。

圖9 剪切過程中的土層表面裂縫Fig. 9 Cracks on the surface of the soil during shearing

2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)概況

現(xiàn)場試驗(yàn)主要在河南省鞏義市、平頂山市展開。鞏義與平頂山場地的試驗(yàn)土層均為粉質(zhì)黏土，測試深度分別為2、4、6 m和2、3、4 m，通過回旋鉆進(jìn)法成孔，鉆孔豎直，實(shí)驗(yàn)過程中均未見地下水，平頂山試驗(yàn)場地地層鉆孔柱狀圖如圖10?？變?nèi)剪切刀頭的初始法向壓力為50 kPa，加壓固結(jié)時間持續(xù)15 min，其余每級法向壓力固結(jié)時間為5 min，法向壓力分級增量見表5。固結(jié)完成后，以每秒一轉(zhuǎn)勻速轉(zhuǎn)動手柄，確保手柄轉(zhuǎn)動10圈相應(yīng)的剪切刀頭向上提拉0.1 mm，直至土樣破壞，各深度處土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖11。表6為相同測點(diǎn)深度處土體的基本性質(zhì)及室內(nèi)直剪和三軸試驗(yàn)結(jié)果。表7～表11為通過最小二乘法繪制摩爾庫倫破壞包線求出的黏聚力與內(nèi)摩擦角結(jié)果。

圖10 鉆孔柱狀圖和靜力觸探曲線柱狀圖(平頂山)Fig. 10 Drilling histogram and static penetration curve histogram (Pingdingshan)

圖11 剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變關(guān)系Fig. 11 Shear stress-shear strain relationship

2.2.2 鉆孔剪切與直剪、三軸試驗(yàn)結(jié)果對比

由表7～表11得，鉆孔剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性相關(guān)性均滿足R2大于0.98的要求，其離散性小于室內(nèi)直剪快剪試驗(yàn)。鉆孔剪切試驗(yàn)測得的黏聚力比室內(nèi)直剪試驗(yàn)小30%-50%、內(nèi)摩擦角小10%～25%，測得的黏聚力比室內(nèi)三軸試驗(yàn)小9%、內(nèi)摩擦角小2%。

鉆孔剪切與直剪試驗(yàn)結(jié)果的差異和前述在模型箱中進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果類似，這進(jìn)一步印證了直剪盒的固定邊界與原場地的無限邊界可能是造成此現(xiàn)象的原因。三軸試驗(yàn)并未強(qiáng)行產(chǎn)生剪切面，相比于直剪試驗(yàn)更加接近原位試驗(yàn)，因此鉆孔剪切結(jié)果與三軸試驗(yàn)結(jié)果差異小于與直剪試驗(yàn)的差異。

表7 鉆孔剪切測試結(jié)果(鞏義)Table 7 Borehole shear test results (Gongyi)

表8 鉆孔剪切及直剪、三軸試驗(yàn)結(jié)果平均值(鞏義)Table 8 Average results of borehole shear test, direct shear test and tri-axial test (Gongyi)

表9 室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果(平頂山)Table 9 Indoor direct shear test results (Pingdingshan)

表10 鉆孔剪切測試結(jié)果(平頂山)Table 10 Borehole shear test results (Pingdingshan)

表11 鉆孔剪切及室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果平均值(平頂山)Table 11 Average results of borehole shear test and indoor direct shear test (Pingdingshan)

3 討 論

已有的研究結(jié)果表明[12-13]：國外鉆孔剪切試驗(yàn)設(shè)備測得的黏聚力較室內(nèi)直剪試驗(yàn)的結(jié)果低50%～100%左右，筆者自行研制的鉆孔剪切儀測得的結(jié)果比室內(nèi)直剪試驗(yàn)低30%～50%，這可能是因?yàn)楸疚膬x器主要針對國內(nèi)100 mm以上孔徑，因此剪切刀頭面積比國外設(shè)備大，在向上提拉的過程中，剪切刀頭表面土體與附近土體之間的剪切更為充分，因此相對來說更接近室內(nèi)直剪試驗(yàn)的狀態(tài)。總體上造成鉆孔剪切結(jié)果小于室內(nèi)直剪結(jié)果的原因在前面已進(jìn)行了初步探討，具體影響因素需要在后續(xù)的研究中針對不同類型的土開展試驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)分析。

雖然鉆孔剪切儀有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但對難以成孔或易垮孔的土層無法進(jìn)行有效測量，這也體現(xiàn)出了本套儀器的應(yīng)用范圍。對于適用此儀器的土層，在進(jìn)行試驗(yàn)時也應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)鉆孔時，盡量一次成孔，避免過多擾動土體。對于較深的鉆孔，若采用泥漿護(hù)壁，則需靜置一天后再進(jìn)行測量。

2)不同類型土體的應(yīng)力增量和使土體達(dá)到固結(jié)所需的時間應(yīng)根據(jù)土質(zhì)及工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行試判。

3)判斷土樣剪切破壞的標(biāo)準(zhǔn)為：連續(xù)轉(zhuǎn)動兩次手柄時拉力值均出現(xiàn)下降或剪切刀頭向上移動超過4 mm。當(dāng)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時，應(yīng)將剪切刀頭水平轉(zhuǎn)動一定角度后重新進(jìn)行試驗(yàn)。

4)考慮到剪切刀頭的打孔安裝空隙，以及土樣中小直徑礫石的干擾，剪切面積應(yīng)乘以系數(shù)0.8。試驗(yàn)要求相關(guān)系數(shù)R2大于0.98，否則旋轉(zhuǎn)探頭90°重新試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

研發(fā)了一種新型便攜式鉆孔剪切儀并制定了相關(guān)使用指南，通過現(xiàn)場試驗(yàn)與室內(nèi)直剪、三軸試驗(yàn)對比分析，主要取得以下結(jié)論：

1)鉆孔剪切試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)的離散性比室內(nèi)直剪試驗(yàn)的小，證明鉆孔剪切是一種穩(wěn)定的原位試驗(yàn)方法。

2)鉆孔剪切試驗(yàn)儀器簡潔、操作簡單、對土體僅存在微擾動，所得黏聚力與內(nèi)摩擦角分別較室內(nèi)直剪試驗(yàn)小30%～50%和10%～25%，比室內(nèi)三軸試驗(yàn)小9%和2%。

3)通過室內(nèi)試驗(yàn)與大量原位試驗(yàn)，總結(jié)出測試過程中的應(yīng)力控制、破壞判別、數(shù)據(jù)處理等方法，同時給出了相關(guān)參數(shù)的建議取值，為該方法測試規(guī)范的編寫提供參考。