西安臨潼黃土原位鉆孔剪切試驗研究

王剛++嚴(yán)明

摘 要：在工程建設(shè)中，非飽和土體的抗剪強度值以及內(nèi)摩擦角的求取具有重要意義。為了精確求得該值，現(xiàn)在常用的方法有室內(nèi)土工試驗及原位試驗。相對室內(nèi)試驗，原位試驗?zāi)軌蜃畲笙薅鹊谋３滞恋脑粻顟B(tài)，并且受剪面非人為選取，試驗所得數(shù)據(jù)更具有代表性。文章介紹一種原位鉆孔剪切試驗，利用美國生產(chǎn)的BST原位鉆孔剪切儀來實地測定土的抗剪強度。主要介紹試驗裝置、工作原理、操作步驟及結(jié)論和建議，為原位求得內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角提供了新的思路和方法。

關(guān)鍵詞：鉆孔剪切試驗；剪切強度；原位測試

1 概述

非飽和黃土內(nèi)聚力的選取及確定在工程應(yīng)用上的重要性不言而喻，目前求得該值的方法一般分為室內(nèi)土工試驗以及原位測試。相比于室內(nèi)試驗，原位測試由于在現(xiàn)場進行，不存在運輸過程中輕微擾動的影響，不存在含水率及容重的變化，能夠保持土體天然結(jié)構(gòu)及狀態(tài)，因而更能反映其真實抗剪強度。

20世紀(jì)八九十年代，R.L.Handy[1]在多年的巖土體工程力學(xué)特性求取經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，研發(fā)出了一種鉆孔剪切儀，在現(xiàn)場鉆孔就能進行巖體直剪試驗，不僅能進行土體試驗，還能適用于軟～中硬且較為完整的巖土體中。由于其快速并且不同角度獲得剪切參數(shù)的特性，該項技術(shù)迅速擴展開來。法國、美國等國家已成功的將鉆孔剪切試驗應(yīng)用于沙土、淤泥、海相軟黏土、粘土、硬粘土的抗剪強度參數(shù)選取中，同時也應(yīng)用于分析高邊坡穩(wěn)定性及樁基承載力等。

2009年，中國水利水電科學(xué)研究院成功引進了愛荷華大學(xué)研制的巖石鉆孔剪切儀，在實驗室里對混凝土模型進行了鉆孔剪切試驗，并利用數(shù)值模擬仿真工具對鉆孔剪切儀試驗機制進行了細致的分析，進而成功地應(yīng)用于向家壩水電站壩基巖體中[2]。文章著重介紹原位鉆孔剪切儀的使用、試驗原理以及數(shù)據(jù)處理等，并在臨潼非飽和黃土場地進行應(yīng)用嘗試。

2 試驗原理及方法

2.1 基本原理

（1）庫倫公式。庫倫將土的抗剪強度指標(biāo)概括為滑動面上的法向總應(yīng)力的函數(shù)，公式如下所示：

庫倫理論中土體的抗剪強度影響因素主要為土的內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角。上述公式可知無粘性土的抗剪強度主要取決于土粒表面的粗糙程度以及土粒交錯排列的情況。對粘性土則相對復(fù)雜，抗剪強度由凝聚分量以及摩擦分量兩部分組成[3]。

2.2 試驗原理

鉆孔剪切儀示意圖見圖1，加壓裝置用液壓千斤頂或手動加壓來施加正應(yīng)力，其中主要裝置為剪切頭（見圖2），由兩塊弧形半圓剪切板構(gòu)成，大小2.5cm×2.0cm，剪切板外側(cè)有一排水平齒狀突起，剪切板內(nèi)部有帶動其擴張和回縮的活塞。使用時加壓，使活塞帶動剪切板向外擴張，嵌入鉆孔兩側(cè)巖土體中，嵌入面積約4cm2，然后施加垂直法向力使其向上滑動，從而形成剪切作用。

原位鉆孔剪切試驗其實就是沿著兩側(cè)薄層巖片的強制直剪破壞試驗。試驗中，剪切板嵌于巖土體中的面積為A，法向力和連桿的提拉力分別為P和T，則其正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為

鉆孔剪切過程中，每一剪切完成，卸除剪應(yīng)力，對孔壁施加更大的固結(jié)應(yīng)力，重復(fù)上述剪切工作，每次施加一個法向應(yīng)力就對應(yīng)一個抗剪強度。根據(jù)以往的數(shù)據(jù)處理方法，采用最小二乘法來繪制關(guān)系曲線圖來求取抗剪參數(shù)。

式中n 為所做直剪試驗組數(shù)；f內(nèi)摩擦因數(shù)；c黏聚力；？滓i、？子i分別為各直剪試驗正應(yīng)力與剪應(yīng)力[4]。

3 成果分析

3.1 土的基本物理性質(zhì)

此處為黃土高原南部邊緣地帶。該處位于渭河河流階地，古土壤界限清晰，發(fā)育完整，較完成的保存了全新世以來的環(huán)境信息，因而具有代表性[5]。本次試驗場地表層浮土約厚5cm，呈疏松狀，有磚塊或混凝土雜質(zhì)，人類活動明顯。第2層為棕紅色土壤，異常堅硬，亞砂土質(zhì)，大空隙少，土體呈棱柱狀，偶含鐵質(zhì)粘土膠膜，厚約0.4m。第3層為灰黃色黃土，松散狀，硬度減小，發(fā)育有不規(guī)則團粒，偶見菌絲狀CaCO3，厚度約為1.3m，本次試驗集中在此層。鉆孔實拍圖見圖3。

3.2 試驗結(jié)論

利用BST原位鉆孔剪切儀對西安臨潼地區(qū)黃土進行原位鉆孔剪切，試驗結(jié)果分析整理見圖4。

試驗過程中，各級壓力下剪切耗時約2min，當(dāng)位移為2mm左右時，剪切應(yīng)力達到峰值，繼續(xù)剪切則應(yīng)力變小，形成一個較穩(wěn)定的殘余強度。根據(jù)相關(guān)系數(shù)可以看出法向壓力與剪切應(yīng)力的相關(guān)性較好，位于同一土層且含水率接近的試驗點，數(shù)據(jù)離散性較小。由于本次試驗試驗深度相對較小，研究范圍內(nèi)無鎖孔現(xiàn)象。鉆孔剪切試驗結(jié)果顯示，該處黃土內(nèi)聚力均在10KPa左右，內(nèi)摩擦角在24°左右。在成孔質(zhì)量較高的黃土地層，同一深度不同方向，不同深度之間均可以快速取得大量可靠數(shù)據(jù)，繪制圖形后即可分析得出強度參數(shù)，從而在實際中運用中為原位測試提供了新的途徑。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

（1）根據(jù)本次臨潼黃土試驗結(jié)果可知，鉆孔剪切的法向壓力與剪切應(yīng)力之間相關(guān)性好，通過擬合方法可快速確定非飽和黃土體的抗剪強度參數(shù)，可在較小范圍內(nèi)得到大量試驗數(shù)據(jù)。

（2）BST原位鉆孔剪切儀適用于各種黃土類型的黃土原位鉆孔剪切試驗，鉆孔和剪切面可以按照實驗方案來設(shè)計，可以容易的測得原位黃土的抗剪強度參數(shù)。

（3）剪切強度與鉆孔深度基本呈正相關(guān)，內(nèi)聚力離散性比內(nèi)摩擦角大。

（4）黃土原位鉆孔剪切儀可以在打鉆完畢后立即開始試驗，因而效果好，并且可以測得不同深度數(shù)據(jù)點，也就是較短時間可以測得較多數(shù)據(jù)點，可以用統(tǒng)計方法來確定最終強度。

4.2 建議

（1）鉆孔鉆進過程中一定要保持鉆孔的垂直度，不然剪切時容易造成剪切面過小等原因?qū)е聰?shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。

（2）剪切試驗操作時應(yīng)該準(zhǔn)確，迅速，因為剪切板上齒嵌入土體中會影響土壁完整性，進而影響試驗結(jié)果。

（3）現(xiàn)有鉆孔剪切試驗尚無法量化排水條件（如排水、不排水、部分排水）以及剪切過程的孔壓變化對求取黃土體抗剪強度參數(shù)的影響。因此若能在這些方面改進該試驗儀器，那么試驗結(jié)果定能更加實用有效。

參考文獻

[1]HANDY R L，PITT H H，ENGLE L E，et al. Rock borehole shear test[C]//Proceedings of the 17th Symposium on Rock Mechanics. Snowbird，Utah：[s. n.].1986：1-11.

[2]中國水電顧問集團中南勘測設(shè)計研究院.向家壩水電站二期工程壩基工程地質(zhì)條件復(fù)核評價專題報告[R].長沙：中國水電顧問集團中南勘測設(shè)計研究院，2009.

[3]常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊[M].4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006：252.

[4]賈志欣，汪小剛，趙宇飛.巖石鉆孔原位測試技術(shù)的應(yīng)用與改進[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32（6）：1264-1269.

[5]劉琳.臨潼區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)與評價[D].西安：西安科技大學(xué)，2008.

作者簡介：王剛，男，河南鄭州人，成都理工大學(xué)在讀碩士，地質(zhì)工程專業(yè)，主要從事地質(zhì)災(zāi)害評價與預(yù)測工作。