黃曉維 劉子君 楊振榮 鄭建國(guó)

（1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710043；2.中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

我國(guó)黃土地區(qū)分布廣泛，黃土工程問(wèn)題突出[1]。在黃土地區(qū)巖土工程設(shè)計(jì)中，黃土土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是最基本、最重要的力學(xué)參數(shù)，直接關(guān)系著相關(guān)工程的安全與穩(wěn)定[2]。獲取土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)途徑主要有室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)[3]。室內(nèi)試驗(yàn)需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，土樣脫離原位后應(yīng)力完全釋放，經(jīng)過(guò)包裝、運(yùn)輸和再制樣，會(huì)產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng)，最終的測(cè)試結(jié)果常難以反映土體的實(shí)際強(qiáng)度，給工程設(shè)計(jì)帶來(lái)一定制約。原位試驗(yàn)是在不擾動(dòng)或基本不擾動(dòng)巖土層的情況下，通過(guò)特定的試驗(yàn)儀器對(duì)巖土層進(jìn)行測(cè)試，能最大程度保持土體的天然結(jié)構(gòu)、含水率及原始應(yīng)力水平，測(cè)試結(jié)果更能反映土體的真實(shí)特性。

土體現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)方法主要有現(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn)（大剪試驗(yàn)）、十字板剪切試驗(yàn)和鉆孔剪切試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn)成本高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，其應(yīng)用常受制于地質(zhì)環(huán)境條件。十字板剪切試驗(yàn)適用于測(cè)試飽和軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度和靈敏度，對(duì)黃土不具適用性。

鉆孔剪切試驗(yàn)（Borehole Shear Test，簡(jiǎn)稱(chēng)BST）是由Handy[4]提出的一種測(cè)定巖土體強(qiáng)度參數(shù)的原位測(cè)試方法，通過(guò)在預(yù)先成好的鉆孔孔壁上進(jìn)行一系列直剪試驗(yàn)，以此測(cè)定土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。鉆孔剪切試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)便，可在難以取樣、施工環(huán)境惡劣的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中應(yīng)用。國(guó)外現(xiàn)已成功應(yīng)用于砂土、粉質(zhì)黏土、硬質(zhì)土、殘積土等細(xì)顆粒土體原位強(qiáng)度測(cè)試[5-7]，并在邊坡穩(wěn)定性分析中進(jìn)行了土體強(qiáng)度參數(shù)的測(cè)試[8]。黃土工程場(chǎng)地復(fù)雜，取樣困難，土體強(qiáng)度參數(shù)難以獲取，而黃土具有自立性好，極易成孔的特點(diǎn)。因此將鉆孔剪切試驗(yàn)應(yīng)用于黃土土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)測(cè)試具有廣泛的應(yīng)用前景[9-11]。

將鉆孔剪切試驗(yàn)應(yīng)用于西安某黃土滑坡的原位土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)測(cè)試，并在原Iowa 儀器設(shè)備和試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，增加了法向位移觀測(cè)系統(tǒng)和剪切力測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過(guò)程中力和位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到了科學(xué)的固結(jié)判定標(biāo)準(zhǔn)；此外，提出了適宜的成孔工藝，分別在滑坡坡頂、坡體中部和坡腳處進(jìn)行了測(cè)試，并與室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，改進(jìn)后的設(shè)備在黃土工程原位土體強(qiáng)度參數(shù)測(cè)試中具有廣泛應(yīng)用前景。

1 鉆孔剪切試驗(yàn)原理與方法

1.1 試驗(yàn)原理

常用的鉆孔剪切儀見(jiàn)圖1，與室內(nèi)直剪試驗(yàn)原理類(lèi)似，鉆孔剪切儀通過(guò)將兩片帶齒的環(huán)形剪切板放入鉆孔內(nèi)測(cè)試深度處，后施加法向水平壓力P使得剪切板進(jìn)入孔壁土體內(nèi)，待固結(jié)一定時(shí)間后，通過(guò)提拉力T使土體發(fā)生剪切破壞（見(jiàn)圖2）。此時(shí)，施加于剪切板上的法向壓力為σ，剪切板對(duì)孔壁土體產(chǎn)生的剪切力為τ，單個(gè)剪切板的有效受力面積為A，則

圖1 鉆孔剪切儀示意圖

圖2 鉆孔剪切試驗(yàn)示意圖

鉆孔剪切試驗(yàn)原理示意見(jiàn)圖2。通過(guò)測(cè)得多組不同法向壓力下的剪切力數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行線性回歸，求得回歸方程，即獲得Mohr-Coulomb 破壞包絡(luò)線，便可得到某測(cè)試深度處土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，一般要求線性回歸系數(shù)R2不小于0.98。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

Iowa 鉆孔剪切儀主要包括剪切頭、試驗(yàn)平臺(tái)、蝸桿系統(tǒng)、氣源等。改進(jìn)的儀器在原設(shè)備基礎(chǔ)上，加裝了法向位移傳感器、位移采集系統(tǒng)、剪切力測(cè)量系統(tǒng)，改進(jìn)后的儀器見(jiàn)圖3，各組構(gòu)具體如下：

圖3 改進(jìn)后的鉆孔剪切儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

（1）鉆孔剪切儀：本次試驗(yàn)使用的儀器型號(hào)為A104，考慮到工程試驗(yàn)場(chǎng)地的土體較硬，齒尖難以刺入土中，為此設(shè)計(jì)并加工了高壓剪切板，其外形長(zhǎng)寬尺寸為63.5 mm×47 mm，齒距為2.54 mm，齒角度為45°，齒高為2.2 mm。設(shè)備可施加法向壓力范圍為0～550 kPa。在不施加法向壓力情況下，剪切頭外圍直徑為75 mm。

（2）微型位移測(cè)量系統(tǒng)：法向位移采用直線位移傳感器，有效量程15 mm，安裝于剪切頭下部、兩剪切板之間，通過(guò)線纜與位移采集系統(tǒng)配套使用，可直接測(cè)量剪切板嵌入土體的深度，進(jìn)一步得到法向位移，對(duì)判定土體是否固結(jié)穩(wěn)定提供了可靠數(shù)據(jù)。

（3）剪切力測(cè)量系統(tǒng)：在原儀器基礎(chǔ)上增加稱(chēng)重傳感器作為剪切力測(cè)量系統(tǒng)，最大量程5000 N，并與高速采樣智能儀表相連，可實(shí)時(shí)讀取稱(chēng)重傳感器測(cè)得的剪切力大小，并記錄一次試驗(yàn)過(guò)程中的剪切力峰值。

（4）薄壁成孔器：國(guó)內(nèi)缺乏鉆孔剪切試驗(yàn)鉆孔成孔器，本次對(duì)外徑76.2 mm、長(zhǎng)度762 mm、壁厚為1.7 mm 的美標(biāo)取土器進(jìn)行二次加工，通過(guò)向內(nèi)開(kāi)刃（刃角外傾），刃口角度為7°，刃寬為0.6 mm，面積比為9.56%，配套鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔預(yù)成孔，最大程度減少了試驗(yàn)段成孔對(duì)孔壁土體的擾動(dòng)。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）預(yù)鉆成孔：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，采用鉆機(jī)配套108 mm 的鉆具鉆進(jìn)到離試驗(yàn)段上方0.5 m 時(shí)，換用直徑為76.2 mm 的刃角外傾薄壁成孔器靜壓成孔，一次最大可成孔深度為600 mm。

（2）儀器安裝：通過(guò)拉桿連接，將剪切頭放置測(cè)試深度處，架設(shè)試驗(yàn)平臺(tái)，再通過(guò)拉桿夾鉗將拉桿連同剪切頭整體固定到試驗(yàn)平臺(tái)上，用螺栓鎖緊。將氮?dú)庠磁c儀器控制面板相連，再接通位移采集系統(tǒng)。

（3）法向加壓：視土質(zhì)的軟硬程度，合理施加首級(jí)法向壓力及后續(xù)逐級(jí)壓力增量，設(shè)置適宜固結(jié)時(shí)間，并結(jié)合法向位移判斷剪切板是否嵌入孔壁土體內(nèi)。

（4）剪切破壞：以2 r/s 的速度旋轉(zhuǎn)曲柄，即以0.05 mm/s 的剪切速率進(jìn)行試驗(yàn)，利用蝸桿系統(tǒng)提供的上拔力致使土體產(chǎn)生剪切破壞，通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置記錄剪切過(guò)程中的最大剪切力。

（5）剪力歸零：反轉(zhuǎn)曲柄使得剪力值讀數(shù)回到剪切頭初次安裝時(shí)的初始讀數(shù)，然后再施加下一級(jí)法向壓力，重復(fù)上述步驟進(jìn)行試驗(yàn)。

（6）數(shù)據(jù)處理：重復(fù)步驟（1）-（5），依次得到4～5 組不同法向應(yīng)力σ下土體剪切破壞的最大剪力值τ，在σ-τ的直角坐標(biāo)系下繪制散點(diǎn)圖，根據(jù)Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則τ=σtanφ+c，用最小二乘法求得破壞包線，進(jìn)而求得土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值[12-13]。

2 試驗(yàn)場(chǎng)地概況

西咸新區(qū)空港新城太平鎮(zhèn)陳贠村6 組滑坡位于太平鎮(zhèn)村陳贠村南部涇河南岸一級(jí)階地與黃土塬交接地帶，距涇陽(yáng)縣城中心約8.6 km，距太平鎮(zhèn)太平堡村東側(cè)約600 m，臨興高速北側(cè)約400 m，滑坡下方距太平鎮(zhèn)陳贠村約300 m，滑坡前緣東距涇河約1.2 km。該坡體原為黃土塬邊高陡邊坡，坡體高約69 m，坡面陡立，前緣臨空，為滑坡的發(fā)生提供了空間條件。根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪調(diào)查及勘探揭露，該滑坡滑體邊界較明顯，滑坡后緣有明顯的圈椅狀滑坡后壁，呈陡坎狀，滑坡側(cè)緣壁明顯可見(jiàn)，坡頂及坡腳處混凝土路面出現(xiàn)破壞跡象，滑坡現(xiàn)場(chǎng)全貌見(jiàn)圖4。因此，獲得可靠的黃土土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)該滑坡的穩(wěn)定性計(jì)算、分析與治理極為關(guān)鍵。

圖4 滑坡現(xiàn)場(chǎng)全貌圖

滑坡體主要由第四系全新統(tǒng)滑坡堆積黃土狀土（Q4del）組成，表層約1.0 m 富含腐殖質(zhì)及植物根系，厚度變化較大。層厚2.40～17.00 m?；瑤翞榈谒南抵懈陆y(tǒng)風(fēng)積黃土（Q22eol），呈黃褐-灰黑色，土體結(jié)構(gòu)雜亂，含水量一般，可塑狀態(tài)，力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較低，厚度0.10～1.5 m 左右?；驳貙佑傻谒南等陆y(tǒng)沖洪積黃土狀土（Q4al+pl）及粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）構(gòu)成，局部為圓礫和粗沙層。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔鉆探揭露，坡底地下穩(wěn)定水位埋深8.00～10.80 m。

本次試驗(yàn)在滑坡體上布置三個(gè)鉆孔，分別為ZK2-3（標(biāo)高410.63 m）、ZK2-4（標(biāo)高396.31 m）、ZK2-5（標(biāo)高368.92 m），鉆孔分布見(jiàn)圖4，共進(jìn)行了11 組測(cè)試?？紤]現(xiàn)場(chǎng)地下水位埋深，為保證成孔質(zhì)量，試驗(yàn)在非飽和黃土中進(jìn)行，本次測(cè)試深度為1.5～8.0 m，試驗(yàn)土層從上之下依次為黃土狀土（Q4del）、黃土（Q22eol）、粉質(zhì)黏土（Q4al+pl），土層基本物理性質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)平均值見(jiàn)表1。

表1 土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

3 鉆孔剪切試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 鉆孔剪切試驗(yàn)的法向變形特性

鉆孔剪切試驗(yàn)的法向加壓方式與分級(jí)壓力直接影響著測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。施加壓力過(guò)小，會(huì)使得剪切板無(wú)法嵌入孔壁土體內(nèi)，從而使得剪切發(fā)生在孔壁土體表面；施加壓力過(guò)大，易使土體提前發(fā)生破壞。這兩種情況都不能測(cè)得土體的真實(shí)抗剪強(qiáng)度參數(shù)。因此應(yīng)對(duì)軟硬程度不同的土層選取合適的首級(jí)法向壓力和分級(jí)增加壓力。試驗(yàn)測(cè)試了工程場(chǎng)地內(nèi)不同土層不同深度處的法向壓力與法向位移數(shù)據(jù)，繪制二者關(guān)系曲線（見(jiàn)圖5）。由圖5 可知，各級(jí)法向壓力-位移散點(diǎn)分布整體呈現(xiàn)似線性分布，法向位移隨著法向壓力的增大而線性增加，可推斷在固結(jié)階段土體處于似彈性變形階段，從而保證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖5 法向壓力-位移關(guān)系

鉆孔剪切試驗(yàn)的固結(jié)時(shí)間決定著剪切板是否與土體緊密接觸，并達(dá)到對(duì)剪切板周?chē)馏w進(jìn)行排水固結(jié)的效果，對(duì)試驗(yàn)的成功與否起著重要作用[14-15]。試驗(yàn)研究了黃土層不同深度處首級(jí)和分級(jí)法向壓力下剪切板刺入土體并固結(jié)穩(wěn)定的位移-時(shí)間關(guān)系，具體如圖6 所示。

圖6 固結(jié)位移-時(shí)間關(guān)系

由圖6 結(jié)果可知，每級(jí)壓力下固結(jié)時(shí)間-位移曲線先急劇增大，再出現(xiàn)偏折，后趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)典型的 “雙折線”形態(tài)。對(duì)不同土層，首級(jí)法向壓力固結(jié)時(shí)間在10 min 后基本能達(dá)到穩(wěn)定；分級(jí)壓力下5 min后曲線趨于平直段，表明剪切板刺入土體的變形趨于穩(wěn)定，結(jié)合法向位移數(shù)據(jù)，計(jì)算得變形速率為0.01 mm/min，因此，對(duì)于同類(lèi)型土層工程場(chǎng)地，可作為固結(jié)穩(wěn)定的判定依據(jù)。

3.2 鉆孔剪切試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

按Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則，將各級(jí)法向壓力下的試驗(yàn)結(jié)果采用最小二乘法求得破壞包線，得到土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值，鉆孔剪切試驗(yàn)與室內(nèi)直剪試驗(yàn)測(cè)得的土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表2，二者對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖7。各組數(shù)據(jù)擬合度R2均大于0.98，試驗(yàn)規(guī)律性較強(qiáng)，測(cè)試結(jié)果可靠，整體取得了良好效果。

表2 鉆孔剪切試驗(yàn)與室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

圖7 鉆孔剪切試驗(yàn)與室內(nèi)直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

由表2 可知，L3 和L11 鉆孔剪切試驗(yàn)測(cè)得的黏聚力c值較小，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆孔揭露，L3 在ZK2-3 內(nèi)深度2.3 m 處，該處地層為回填土，土質(zhì)較為疏松，且有建筑垃圾回填；L11 在坡底的ZK2-5 內(nèi)深度6.0 m 處，該處地層為粉質(zhì)黏土，且含水率較高，因而c值較小。與室內(nèi)直剪試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鉆孔剪切試驗(yàn)測(cè)得的內(nèi)摩擦角普遍偏大，數(shù)據(jù)離散性較強(qiáng)；而測(cè)得的黏聚力較為接近，數(shù)據(jù)散點(diǎn)分布整體密集（見(jiàn)圖7）。

4 結(jié)論

（1）先采用鉆機(jī)配套108 mm 的鉆具鉆至試驗(yàn)段上方0.5 m，然后換用直徑76.2 mm 刃角外傾薄壁成孔器靜壓成孔，最大程度地減少對(duì)孔壁土體的擾動(dòng)，該工法可在原位黃土土體強(qiáng)度參數(shù)測(cè)試中推廣應(yīng)用。

（2）通過(guò)在Iowa 鉆孔剪切儀加裝法向位移傳感器，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的法向位移實(shí)時(shí)測(cè)量；同時(shí)，增加的剪切力測(cè)量系統(tǒng)能直接獲取剪切力峰值，試驗(yàn)過(guò)程更加可視化、可控化。在本次試驗(yàn)法向壓力范圍內(nèi)，法向壓力與法向位移呈近似線性關(guān)系，試驗(yàn)土體處于似彈性變形階段。

（3）參照美國(guó)ASTM 標(biāo)準(zhǔn)[16]，采用分級(jí)加載剪切試驗(yàn)方法時(shí)，當(dāng)首級(jí)法向壓力固結(jié)10 min、分級(jí)壓力固結(jié)5 min 時(shí)，法向位移變形速率小于0.01 mm/min，此時(shí)法向位移曲線已相對(duì)穩(wěn)定。

（4）基于Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則，對(duì)鉆孔剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用最小二乘法求解抗剪強(qiáng)度參數(shù)時(shí)，具有較高的擬合精度，所測(cè)抗剪強(qiáng)度參數(shù)與室內(nèi)直剪試驗(yàn)相比，內(nèi)摩擦角平均大40.8%，黏聚力平均小12.7%，二者差異原因還需開(kāi)展進(jìn)一步研究。