剪切板粗糙特性對鉆孔剪切試驗的影響研究

張 龍，于永堂，師瑩瑩，趙威威，黃曉維，何 丹，魏真紅

(1.機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司， 陜西 西安 710043；2.陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點試驗室， 陜西 西安 710043；3.陜西建筑產(chǎn)業(yè)投資集團有限公司， 陜西 西安 710043)

鉆孔剪切試驗(Borehole Shear Test，BST)，是20世紀(jì)60年代晚期，美國學(xué)者提出的一種在鉆孔中獲得巖土抗剪強度參數(shù)的原位測試方法，其試驗原理詳見文獻(xiàn)[1]，所用設(shè)備為鉆孔剪切儀，構(gòu)造如圖1所示。在進(jìn)行土體抗剪強度測試時，首先在試驗地層進(jìn)行預(yù)鉆孔，并將剪切頭放入孔內(nèi)試驗深度處，通過施加一定的氣壓力使剪切頭處的剪切板發(fā)生伸縮，剪切齒壓入土體進(jìn)行固結(jié)，而后在蝸桿提供的上拉剪力下土體產(chǎn)生剪切破壞，通過在同一地層同一位置或不同位置進(jìn)行不同法向應(yīng)力的剪切試驗可獲得該層土的強度破壞包線[2]。近年來，該設(shè)備被引入國內(nèi)，已有在黃土[3-5]、填土[6]、殘積土[7]等土層中應(yīng)用的報道。

圖1 鉆孔剪切試驗儀示意圖

鉆孔剪切試驗可直接測試不同深度土體的抗剪強度參數(shù)，克服了大型直剪試驗費用高，對深部土層測試?yán)щy，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、靜力觸探試驗等對土體抗剪強度指標(biāo)間接測試的缺點，且所用設(shè)備小巧，便于攜帶，對于易于成孔的黃土被認(rèn)為是一種很有前途的原位測試方法[8]，于永堂等[4-5]最先在我國黃土地區(qū)進(jìn)行鉆孔剪切試驗的應(yīng)用研究，但得到的測試結(jié)果顯示c值偏小，φ值偏大。在進(jìn)行鉆孔剪切試驗時，首級法向應(yīng)力的選擇至關(guān)重要，剪切板齒需在首級法向應(yīng)力下完全壓入土體，這樣才會在齒尖端附近形成固結(jié)的“土餅”，得出相應(yīng)固結(jié)應(yīng)力下的抗剪切度值[9-11]?，F(xiàn)有鉆孔剪切儀剪切板的構(gòu)造如圖2所示。剪切板的剪切齒高2.2 mm，齒間距2.5 mm，齒尖角度為60°，剪切頭在不膨脹情況下，剪切板外緣間距75 mm，剪切齒的排列較為密集，而黃土的力學(xué)性質(zhì)受含水率影響敏感[12-13]，含水率較小時土體較硬，加之鉆孔剪切儀法向應(yīng)力加載能力有限(<440 kPa)，該方法在黃土地區(qū)的適應(yīng)范圍還有待進(jìn)一步研究。

圖2 鉆孔剪切儀剪切板示意圖(單位：mm)

本文加工了不同構(gòu)造的剪切板，并進(jìn)行了不同含水率重塑黃土的剪切齒入土深度模型試驗及鉆孔剪切模型試驗，評估了鉆孔剪切試驗在黃土地區(qū)的應(yīng)用范圍并分析了通過改變剪切板構(gòu)造對擴大鉆孔剪切試驗應(yīng)用范圍的可行性。

1 研究方法

1.1 模型試驗裝置

試驗裝置如圖3所示。包括鉆孔剪切儀、試樣筒、試驗平臺、微型位移測量系統(tǒng)、氣源等組成。

圖3 室內(nèi)模型試驗裝置

(1) 鉆孔剪切儀：剪切頭上的剪切板可自由更換，不膨脹情況下，剪切頭直徑75 mm，施加的法向應(yīng)力范圍為0～440 kPa。

(2) 試樣筒：為3節(jié)外徑500 mm，壁厚10 mm，長500 mm的有機玻璃筒，每節(jié)筒兩端設(shè)有法蘭，桶外貼有刻度標(biāo)，方便制樣時對干密度進(jìn)行控制。

(3) 試驗平臺：為厚度20 mm的有機玻璃圓板，中心開有76 mm孔洞，可使剪切頭自由穿過，試驗平臺主要作用是為剪切過程提供反力。

(4) 微型位移測量系統(tǒng)：量測部分采用微型位移計，有效量程15 mm，線性精度±0.08%FS，安裝于剪切頭底部，頂推桿頂在剪切板下部邊緣(見圖4)，可量測剪切板伸縮量并判定固結(jié)是否穩(wěn)定；數(shù)據(jù)采集部分采用位移采集器，該采集器與位移傳感器配套使用，通過線纜連接，可直接顯示位移讀數(shù)。

圖4 微型位移計

(5) 氣源：為壓力12.5 MPa的氮氣瓶，安裝有高壓氣體減壓閥，能控制輸出氣壓，與鉆孔剪切儀控制面板上的調(diào)壓控制系統(tǒng)相連。

1.2 試驗方案

為了減小剪切齒壓入土體時產(chǎn)生的阻力，本次在原裝剪切板的基礎(chǔ)上重新設(shè)計了5套不同型號的剪切板，其中，剪切板的剪切齒高度保持不變，如圖5所示，剪切板具體參數(shù)見表1。這樣與原裝剪切板一共6套，齒尖角度為60°和45°各包含3套，齒間距分別為原裝剪切板的1倍、2倍和3倍。

圖5 重新設(shè)計的剪切板

表1 剪切板構(gòu)造參數(shù)

為了評價各個型號剪切板的剪切齒壓入土中的難易程度及對土體抗剪強度的測試效果，本次共設(shè)置了4種含水率重塑黃土的兩類模型試驗，一種為剪切齒入土深度模型試驗，另一種為鉆孔剪切模型試驗，含水率分別為10%、13%、16%和19%，干密度控制在1.4 g/cm3。

(1) 剪切齒入土深度模型試驗。該試驗通過對剪切板在不同法向應(yīng)力下的入土深度進(jìn)行測試以評價該剪切板構(gòu)造對不同含水率的適宜性，具體試驗方法為：儀器及剪切頭安裝就位后，施加1 kPa的法向應(yīng)力使剪切板與孔壁貼緊，讀取顯示儀讀數(shù)作為剪切板齒開始壓入孔壁的起始值。將起始值加上齒槽深度的兩倍作為試驗終止值，然后逐級增大法向應(yīng)力并讀取穩(wěn)定時顯示儀讀數(shù)，直至最終穩(wěn)定后顯示儀讀數(shù)略超過終止值，試驗期間記錄剪切齒隨法向應(yīng)力增大進(jìn)入土體深度的變化。

(2) 鉆孔剪切模型試驗。該試驗通過進(jìn)行不同含水率下的鉆孔剪切試驗以對比評價不同型號剪切板測試參數(shù)的可靠性，具體試驗方法為：將剪切板剪切齒完全進(jìn)入土體時對應(yīng)的法向應(yīng)力作為首級法向應(yīng)力(即剪切齒入土深度模型試驗終止值對應(yīng)的法向應(yīng)力)，進(jìn)行鉆孔剪切試驗，得出不同型號剪切板獲得的抗剪強度參數(shù)，并與室內(nèi)直剪試驗進(jìn)行對比。

1.3 制樣及成孔

試驗用土為Q3黃土，取自西安東南郊區(qū)的某建筑工地，土的物理參數(shù)指標(biāo)見表2。使用前先將土過2 mm篩去除雜物，通過晾曬或噴水將含水率調(diào)整到目標(biāo)值，然后進(jìn)行制樣。

表2 土的基本物理參數(shù)指標(biāo)

所制土樣直徑480 mm，高600 mm，由于尺寸較大，專門加工了與之相適應(yīng)的制樣工具，如圖6(a)所示。在制備土樣時，分層擊實，每層高度5 cm，擊實時隨時查看桶壁刻度標(biāo)以進(jìn)行控制，擊實到位后在分層處進(jìn)行打毛，以保證土樣的連續(xù)性。

成孔時，為盡量減小對孔壁的擾動，用橡皮錘將外徑76.20 mm，壁厚1.80 mm的薄壁取土管在制好的土樣中心位置分階段打入，每階段打入深度不超過5 cm，直至貫通。為避免薄壁取土管打入土體時由于刃腳外傾斜導(dǎo)致對孔壁土體產(chǎn)生擠壓，使孔壁土體加密，特地將原來的薄壁取土管刃角外傾斜加工為刃角內(nèi)傾斜，如圖6(b)所示。

圖6 制樣工具

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 剪切齒入土深度模型試驗結(jié)果與分析

考慮到鉆孔剪切儀的量程限制，本次最大法向應(yīng)力施加至300 kPa。不同含水率下不同型號剪切板的剪切齒入土深度隨法向應(yīng)力的變化見圖7。由圖7可知，剪切齒入土深度隨法向應(yīng)力變化曲線可近似由一段曲線和一段直線組成，開始段入土深度的增長速率較快，隨著法向應(yīng)力的增加，增長速率逐漸變緩，直至數(shù)值相對穩(wěn)定。該變化趨勢也反映了剪切齒進(jìn)入土體過程中土體對剪切齒的阻礙效應(yīng)的變化，當(dāng)剪切齒與土體剛接觸時，土與剪切板接觸面近似點狀，土體對剪切齒阻礙較小，隨著剪切齒入土深度的加深，接觸面逐漸過渡為面狀，土體對剪切齒的阻礙逐漸增大，反映在入土增長速率上即逐漸減小，當(dāng)達(dá)到一定深度阻礙作用趨于穩(wěn)定。

圖7 不同含水率下不同型號剪切板的剪切齒入土深度隨法向應(yīng)力的變化

各型號剪切板完全壓入土中對應(yīng)的法向應(yīng)力見表3。由表3可知，當(dāng)法向應(yīng)力相對較小時，對于同一含水率的土體，隨著剪切板齒間距的增加或齒尖角度的減小，其完全進(jìn)入土體對應(yīng)的法向應(yīng)力逐漸減??；對于不同含水率的土體，同一剪切板隨著含水率的增大，其完全進(jìn)入土體對應(yīng)的法向應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)含水率為10%時，除剪切板編號為45-3和60-3剪切板能完全壓入土中外其余均無法實現(xiàn)，且壓入土中的法向應(yīng)力較大，若以該法向應(yīng)力為首級法向應(yīng)力按照建議的法向應(yīng)力增量[2]進(jìn)行鉆孔剪切試驗，則后續(xù)法向應(yīng)力將超過儀器量程，因此試驗無法進(jìn)行。同理，當(dāng)含水率為13%，只有剪切板編號為45-3和60-3剪切板可滿足試驗的需求。當(dāng)含水率不小于16%時，6種剪切板均可滿足鉆孔剪切試驗的要求?？梢?，黃土的軟硬受含水率影響敏感，對于特定的剪切板，含水率越小需要的首級法向應(yīng)力越大， 當(dāng)含水率不大于13%時，現(xiàn)有的鉆孔剪切儀很難完成試驗，通過改變剪切齒間距和齒尖角度可降低剪切板齒完全壓入土中對應(yīng)的法向應(yīng)力。

表3 各型號剪切板完全壓入土中對應(yīng)的法向應(yīng)力

2.2 鉆孔剪切模型試驗結(jié)果與分析

由于含水率為10%及13%時部分剪切板無法完全壓入土中，因此在進(jìn)行鉆孔剪切模型試驗時首級法向應(yīng)力和法向應(yīng)力增量的設(shè)置見表4。不同含水率下不同型號剪切板的鉆孔剪切試驗結(jié)果如圖8所示。

表4 首級法向應(yīng)力和法向應(yīng)力增量

圖8 不同含水率下不同型號剪切板獲得的強度包線

不同型號剪切板得到的抗剪強度包線很接近，為了對試驗結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的對比，對不同含水率下不同剪切板型號得到的內(nèi)摩擦角和黏聚力進(jìn)行統(tǒng)計見表4。當(dāng)含水率為10%時，首級法向應(yīng)力下剪切板均未完全壓入土中，不同型號剪切板得到的內(nèi)摩擦角偏大，平均值為40.6°，黏聚力偏小，平均值為9.2 kPa。當(dāng)含水率為13%時，只有兩種型號剪切板45-3和60-3在首級法向應(yīng)力下完全壓入土中，兩種型號剪切板得到的內(nèi)摩擦角均值為33.7°，略小于其他4種型號，黏聚力均值為38.9 kPa，大于其他四種型號。當(dāng)含水率為16%和19%時，首級法向應(yīng)力下剪切齒均完全壓入土中，不同型號剪切板得到的內(nèi)摩擦角和黏聚力均較接近。可見，剪切板齒未完全進(jìn)入土體時得到的內(nèi)摩擦角偏大，黏聚力偏小，當(dāng)剪切板齒完全進(jìn)入土中后，不同型號剪切板得到的抗剪強度參數(shù)接近，通過增大剪切齒間距或減小齒尖角度可以增大鉆孔剪切試驗在黃土地區(qū)的應(yīng)用范圍。將含水率為16%和19%不同型號剪切板獲得的抗剪強度參數(shù)進(jìn)行平均并與室內(nèi)直剪試驗結(jié)果進(jìn)行對比見表5。由表5可知，黏聚力與慢剪或固結(jié)快剪相當(dāng)，內(nèi)摩擦角均高于室內(nèi)直剪試驗。

表5 土的基本物理參數(shù)指標(biāo)

為了進(jìn)一步揭示剪切齒未完全進(jìn)入土中測試結(jié)果偏差較大的原因，使用原裝剪切板進(jìn)行了一組含水率16%，法向應(yīng)力范圍較大的試驗。試驗法向應(yīng)力范圍30 kPa～300 kPa，試驗結(jié)果見圖9。在大的法向應(yīng)力范圍下，法向應(yīng)力與抗剪強度的關(guān)系并非是一條直線。圖中虛線與橫坐標(biāo)的交點對應(yīng)剪切齒完全進(jìn)入土中對應(yīng)的首級法向應(yīng)力，虛線之前彎曲較明顯，虛線之后幾乎成直線，這與剪切齒進(jìn)入土體深度不斷增加有關(guān)。需要指出的是，由于儀器加載能力的限制，本次加載的法向應(yīng)力未達(dá)到使孔壁失穩(wěn)階段。若首級法向應(yīng)力選擇在虛線之前(見圖中實線b)，則得到破壞包線必然斜率較大，反映在抗剪強度指標(biāo)上黏聚力較小，內(nèi)摩擦角較大。首級法向應(yīng)力越小，這種特征越明顯，當(dāng)首級法向應(yīng)力小到一定程度，甚至出現(xiàn)黏聚力為負(fù)的情況(見圖中實線a)。若首級法向應(yīng)力選擇在虛線之后的線性段(見圖中實線c)，抗剪強度包線基本穩(wěn)定，且抗剪強度參數(shù)相較虛線之前更符合實際?？梢?，進(jìn)行鉆孔剪切試驗時法向應(yīng)力的選擇至關(guān)重要，試驗壓力分布在線性測試段才能保證試驗的可靠性。

圖9 大法向應(yīng)力范圍鉆孔剪切試驗

3 結(jié) 論

(1) 黃土的軟硬受含水率影響敏感，含水率越小，鉆孔剪切試驗需要的首級法向應(yīng)力越大，當(dāng)含水率不大于13%時，現(xiàn)有的鉆孔剪切儀很難完成試驗。

(2) 在剪切齒完全壓入土體的情況下，不同齒間距或齒尖角度的剪切板得到抗剪強度參數(shù)接近，通過增大剪切齒間距或減小齒尖角度可以減小鉆孔剪切試驗所需的首級法向應(yīng)力大小，進(jìn)而增大鉆孔剪切試驗對不同含水率黃土的適用性。

(3) 鉆孔剪切試驗得到的抗剪強度隨法向應(yīng)力的變化包含非線性和線性兩個特征段，試驗時的法向應(yīng)力應(yīng)選擇在線性段，若首級法向應(yīng)力選擇在非線性段將導(dǎo)致c值偏小，φ值偏大。