黃土的鉆孔剪切試驗(yàn)特性研究

張龍　于永堂　鄭建國(guó)　梁誼　王祖耀　劉愿愿

摘要： 為研究鉆孔剪切試驗(yàn)在黃土中的應(yīng)用效果，在西安東郊典型的Q3黃土中進(jìn)行不同首級(jí)法向應(yīng)力和不同法向應(yīng)力增量條件下鉆孔剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增大呈曲線形式增大，存在某一臨界法向應(yīng)力值，超過(guò)該值后抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間呈良好的線性關(guān)系，能較好地符合摩爾－庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，所測(cè)得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)相差較小;在分級(jí)加載試驗(yàn)中，法向應(yīng)力增量越小，達(dá)到同一法向應(yīng)力時(shí)的抗剪強(qiáng)度越大;分別加載試驗(yàn)與分級(jí)加載剪切試驗(yàn)相比，在相同法向應(yīng)力下測(cè)得的抗剪強(qiáng)度值偏小，隨法向應(yīng)力增大，偏離程度增大;當(dāng)法向應(yīng)力較小時(shí)，剪切齒難以壓入硬土中，導(dǎo)致所測(cè)得的黏聚力偏小、內(nèi)摩擦角偏大，為此建議開(kāi)發(fā)適合不同軟硬土質(zhì)的剪切板，并增加法向位移觀測(cè)系統(tǒng)，用于判斷法向應(yīng)力施加過(guò)程的齒尖壓入孔壁情況。

關(guān)鍵詞： 鉆孔剪切試驗(yàn); 黃土; 法向應(yīng)力增量; 首級(jí)法向應(yīng)力; 抗剪強(qiáng)度

中圖分類號(hào)： TU197;TU413.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)： 1000－0844（2023）04-0871-06

DOI：10.20000/j.1000－0844.20211007003

Characteristics of borehole shear test of loess

ZHANG LongYU YongtangZHENG JianguoLIANG Yi WANG ZuyaoLIU Yuanyuan1

Abstract：? To study the application effect of the borehole shear test on loess， a series of tests under different primary normal stress and different normal stress increments were carried out on the typical Q3 loess in the eastern suburbs of Xi'an. The test results show that shear strength increases in a curvilinear trend with the increase in normal stress， and there is a critical normal stress value. Beyond this value， there is a good linear relationship between the shear strength and normal stress. It is in good agreement with the Mohr－Coulomb strength criterion， and the measured shear strength parameters have little difference. In a multi－stage loading test， the smaller the increment in normal stress， the greater the shear strength associated with the same normal stress. Compared with the multi－stage loading test， the shear strength measured by the single－stage loading test under the same normal stress is smaller， and the deviation degree increases with the increase in normal stress. At low normal stress， it is difficult for the shear teeth to be pressed into hard soil， resulting in low cohesion and a large internal friction angle. Therefore， it is suggested that shear plates should be developed to suit different soft and hard soils and a normal displacement observation system should be added to judge the press of the tooth tip into the borehole wall during the application of normal stress.

Keywords： borehole shear test; loess; normal stress increment; initial normal stress; shear strength

0 引言

黃土在我國(guó)中西部地區(qū)廣泛分布，具有特殊成分、狀態(tài)與結(jié)構(gòu)特征，其突出特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的水敏性和結(jié)構(gòu)性，準(zhǔn)確獲取其抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)保證工程安全至關(guān)重要。目前在黃土地區(qū)的工程勘察中，抗剪強(qiáng)度參數(shù)測(cè)試方法包括室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)主要有三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，存在應(yīng)力解除、鉆探擾動(dòng)、取樣擾動(dòng)、運(yùn)輸擾動(dòng)、土樣制備擾動(dòng)等不足。在原位測(cè)試方法中，大型直剪試驗(yàn)主要用于淺部地層，難以在深部土層進(jìn)行，隨深度增加試驗(yàn)難度加大，并且費(fèi)用昂貴;十字板剪切試驗(yàn)只適用于測(cè)定飽和軟黏土的不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)，無(wú)法用于非飽和黃土。

鉆孔剪切試驗(yàn)（Borehole Shear Test，BST），是20世紀(jì)60年代晚期美國(guó)學(xué)者提出的一種在鉆孔中獲得巖土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的原位測(cè)試方法，其試驗(yàn)原理詳見(jiàn)文獻(xiàn)［1］，所用設(shè)備為鉆孔剪切儀，儀器的主要構(gòu)造如圖1所示。鉆孔剪切試驗(yàn)在國(guó)外已應(yīng)用于黏土［2］、冰磧土［3］、海相軟黏土［4－5］等細(xì)顆粒沉積土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)原位測(cè)試，美國(guó)已制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［6］。鉆孔剪切試驗(yàn)的突出優(yōu)點(diǎn)是可以在預(yù)鉆孔內(nèi)不同深度進(jìn)行原位測(cè)試，因此，在易于成孔的黃土地區(qū)是一種很有前途的抗剪強(qiáng)度參數(shù)原位測(cè)試方法［7］。

國(guó)外對(duì)鉆孔剪切試驗(yàn)已有50余年的研究和應(yīng)用歷史，然而國(guó)內(nèi)對(duì)該試驗(yàn)的研究起步較晚，在工程中的應(yīng)用還處于探索階段。于永堂等［8－9］曾采用美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)［6］推薦的試驗(yàn)方法，在黃土地區(qū)的非飽和黃土和飽和軟黃土中進(jìn)行過(guò)應(yīng)用嘗試。筆者在工程中應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)，一些試驗(yàn)結(jié)果的黏聚力很小甚至為負(fù)值，與土力學(xué)基本原理不符，迫切需要找出原因。為此，本次在西安黃土地層中進(jìn)行了不同首級(jí)法向應(yīng)力和不同法向應(yīng)力增量下的鉆孔剪切試驗(yàn)，分析了加載剪切試驗(yàn)方式對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)測(cè)試結(jié)果的影響規(guī)律，并探討了鉆孔剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)取值對(duì)所測(cè)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)場(chǎng)地位于西安市東南郊某建筑工地，鉆探揭露深度范圍內(nèi)土層為Qpd4耕植土、Qeol+el3黃土與古土壤等組成，地貌單元屬黃土梁洼。Qpd4耕植土厚度為0.4～0.6 m，其下18 m為Q3黃土層。為了保證試驗(yàn)土層的均勻一致性，試驗(yàn)深度均為3.0 m，試驗(yàn)土層為Q3黃土層。在試驗(yàn)深度處取樣測(cè)得土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所列。由表可知，該處的黃土含水量較小，液性指數(shù)小于0，呈堅(jiān)硬狀態(tài)。

1.2 試驗(yàn)方案

考慮到鉆孔剪切儀法向應(yīng)力施加范圍的限制（法向應(yīng)力極限為440 kPa），本次最大法向應(yīng)力控制在310 kPa。具體試驗(yàn)方案如表2所列。

表2中含A、B兩組試驗(yàn)，均采取分級(jí)加載剪切試驗(yàn)方式（即在同一測(cè)試點(diǎn)分級(jí)施加不同的法向應(yīng)力進(jìn)行剪切試驗(yàn)）。A組共包含13個(gè)試驗(yàn)，法向應(yīng)力范圍為10～310 kPa，首級(jí)法向應(yīng)力范圍為10～250 kPa，法向應(yīng)力增量均為20 kPa，用于分析首級(jí)法向應(yīng)力對(duì)抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的影響。B組共包含2個(gè)試驗(yàn)，法向應(yīng)力增量分別為40 kPa、60 kPa，與A組中A1號(hào)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，用于分析法向應(yīng)力增量對(duì)抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的影響。此外，利用A組中A1～A13的首級(jí)法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可得到分別加載剪切試驗(yàn)方式（即在不同測(cè)試點(diǎn)分別施加不同法向應(yīng)力進(jìn)行剪切試驗(yàn)）的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

1.3 測(cè)試方法

試驗(yàn)所用鉆孔直徑為76～78 mm，為了減小對(duì)孔壁的擾動(dòng)，同時(shí)又能夠滿足試驗(yàn)要求，成孔時(shí)利用直徑為115 mm的鉆具鉆至試驗(yàn)點(diǎn)上方1.0 m處，再利用外徑為76.2 mm、厚度為1.8 mm的薄壁取土器分段壓至試驗(yàn)深度，每段壓入深度不大于30 cm。成孔過(guò)程如圖2所示。為了避免試驗(yàn)深度處的孔壁受擠壓，將薄壁取土器由原來(lái)刃角外傾斜改造為內(nèi)傾斜。成孔后，在孔口處進(jìn)行臨時(shí)封堵，避免因水分散失影響試驗(yàn)結(jié)果。為了減小土性差異給試驗(yàn)帶來(lái)的誤差，本試驗(yàn)所用鉆孔的縱橫間距均為1.0 m，呈矩形分布，鉆孔共計(jì)20個(gè)，其中5個(gè)備用孔、鉆孔分布及編號(hào)如圖3所示。本次試驗(yàn)中首級(jí)法向應(yīng)力固結(jié)15 min，分級(jí)法向應(yīng)力固結(jié)5 min，剪切速率為0.05 mm/s（曲柄轉(zhuǎn)速為2 r/s）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同首級(jí)法向應(yīng)力的分級(jí)加載剪切試驗(yàn)

在A組試驗(yàn)中，典型試驗(yàn)點(diǎn)的法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖4所示。

由圖4可知，不同首級(jí)法向應(yīng)力下分級(jí)加載剪切試驗(yàn)的法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線在整個(gè)法向應(yīng)力加載區(qū)間內(nèi)呈曲線形式增大，當(dāng)法向應(yīng)力超過(guò)一定數(shù)值后斜率變小。為進(jìn)一步分析該臨界值前后所測(cè)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化，分別依次選取相鄰5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，對(duì)不同法向應(yīng)力選取段的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。為了減少篇幅，這里只列舉首級(jí)法向應(yīng)力為10 kPa的試驗(yàn)結(jié)果（圖5和表3）。

由圖5可知，隨著首級(jí)法向應(yīng)力的增大，所測(cè)得的黏聚力增大，而內(nèi)摩擦角減小，存在一個(gè)“臨界法向應(yīng)力值”（該值出現(xiàn)在90 kPa），當(dāng)超過(guò)該臨界值時(shí)（孔壁土體在法向應(yīng)力作用下未達(dá)到塑性破壞），抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間呈良好的線性關(guān)系，較好地符合摩爾－庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，且所測(cè)的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化較小。此時(shí)A7與A9與表1中的室內(nèi)直剪試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)直剪試驗(yàn)的黏聚力略高于鉆孔剪切試驗(yàn)，但內(nèi)摩擦角低于鉆孔剪切試驗(yàn)。

2.2 不同法向應(yīng)力增量的分級(jí)加載剪切試驗(yàn)

不同法向應(yīng)力增量下的分級(jí)加載剪切試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。如圖所示，隨著法向應(yīng)力增加，曲線斜率逐漸減小，不同法向應(yīng)力增量下的法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線發(fā)展趨勢(shì)總體相似，但法向應(yīng)力增量越小，曲線斜率變化越大。法向應(yīng)力增量較小的試驗(yàn)組與增量較大的試驗(yàn)組相比，當(dāng)法向應(yīng)力相同時(shí)，測(cè)得的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出前者總體大于后者的特征。這主要是因?yàn)楫?dāng)法向應(yīng)力增量較小時(shí)，達(dá)到相同法向應(yīng)力值所需的加載次數(shù)增多，試驗(yàn)點(diǎn)處土體在多級(jí)法向應(yīng)力作用下固結(jié)的時(shí)間更長(zhǎng)，孔隙比更小，密實(shí)度更大，因此抗剪強(qiáng)度也越大。

2.3 不同首級(jí)法向應(yīng)力的分別加載剪切試驗(yàn)

將A1～A13不同首級(jí)法向應(yīng)力作用下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制分級(jí)加載剪切試驗(yàn)的法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖7所示。利用A組中A1～A13的首級(jí)法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，可得到分別加載剪切試驗(yàn)方式（即在不同測(cè)試點(diǎn)分別施加不同法向應(yīng)力進(jìn)行剪切試驗(yàn)）的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。首級(jí)法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度值基本位于其他分級(jí)加載剪切試驗(yàn)達(dá)到相同法向應(yīng)力時(shí)所測(cè)抗剪強(qiáng)度值的下方，并且隨法向應(yīng)力的增大，其偏離程度有增大的趨勢(shì)。在分級(jí)加載剪切試驗(yàn)中，隨首級(jí)法向應(yīng)力的增大，土體逐漸被壓入齒槽內(nèi)，若剪切齒槽內(nèi)充滿土體后，繼續(xù)增大法向應(yīng)力，剪切齒難以更加深入地嵌入土體內(nèi)部，新增加的法向應(yīng)力若無(wú)法使土體產(chǎn)生同增量的咬合作用，也就難以帶動(dòng)齒尖下部土體形成新的剪切破壞面，此時(shí)部分剪切破壞會(huì)沿著上一級(jí)法向應(yīng)力下形成的剪切面發(fā)生，此時(shí)的強(qiáng)度則主要為土體內(nèi)部產(chǎn)生的摩擦效應(yīng)。分別加載剪切試驗(yàn)不需要考慮分級(jí)加載過(guò)程的法向壓力增量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，且每次試驗(yàn)的剪切面均在新位置進(jìn)行，因此能夠準(zhǔn)確反映土層的黏聚效應(yīng)和摩擦效應(yīng)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布特征可知，分級(jí)加載剪切試驗(yàn)與分別加載剪切試驗(yàn)相比，黏聚力偏小，內(nèi)摩擦角偏大。

3 討論

為了保證能夠準(zhǔn)確獲得土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，而非齒尖與土體之間的摩擦破壞，鉆孔剪切試驗(yàn)的法向應(yīng)力施加后，應(yīng)保證齒尖有足夠的嵌入深度，并保證孔壁剪切面處的土體固結(jié)穩(wěn)定。由前文可知，試驗(yàn)點(diǎn)處的黃土含水量較小，液性指數(shù)小于0，呈堅(jiān)硬狀態(tài)，當(dāng)法向應(yīng)力較小時(shí)，剪切齒難以壓入土中，此時(shí)所測(cè)的抗剪強(qiáng)度值主要是摩擦效應(yīng)，黏聚效應(yīng)偏低，進(jìn)而導(dǎo)致所測(cè)得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)中黏聚力明顯偏低，內(nèi)摩擦角明顯偏大。因此，針對(duì)較硬狀態(tài)黃土需要對(duì)鉆孔剪切儀的剪切板構(gòu)造進(jìn)行改進(jìn)，以使剪切齒能夠在法向應(yīng)力范圍內(nèi)被壓入土體。Yang等［10］發(fā)現(xiàn)剪切齒的角度和間距對(duì)測(cè)試效果具有重要影響。因此，在未來(lái)對(duì)鉆孔剪切儀的改進(jìn)時(shí)，可考慮針對(duì)不同軟硬程度的土層配套不同規(guī)格的剪切板。例如，當(dāng)土層硬度較大時(shí)可減小齒角度、增大齒間距;當(dāng)土層較軟時(shí)則反之。為分析法向應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線的變化過(guò)程，繪制分級(jí)加載剪切試驗(yàn)過(guò)程剪切齒壓入孔壁土體的過(guò)程示意如圖8所示，圖中剪切齒之間的黑色圓粒的密度代表了進(jìn)入齒槽內(nèi)土顆粒的數(shù)量。

在達(dá)到臨界法向應(yīng)力之前，隨著加載次數(shù)的積累，剪切齒之間的土體逐漸由少變多，由疏變密，剪切齒壓入土的深度由淺變深，如圖8中（a）～（c）的變化過(guò)程。在此過(guò)程中，法向應(yīng)力主要由齒尖與土體的接觸面位置承擔(dān)，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，剪切板下應(yīng)力分布極不均勻，剪切板對(duì)土體的剪切類似于土體表面的刮擦，不能形成連續(xù)的破壞面，與鉆孔剪切試驗(yàn)的要求不符［1］。當(dāng)法向應(yīng)力積累到一定程度，齒槽內(nèi)的土體很難繼續(xù)增多，剪切齒壓入土的深度也很難繼續(xù)增加，這時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，如圖8中（c）～（e）的變化過(guò)程。此過(guò)程中，齒槽內(nèi)土體逐漸密實(shí)，法向應(yīng)力可通過(guò)該部分土體傳遞給孔壁原狀土體，剪切板下應(yīng)力分布逐漸均勻，能夠帶動(dòng)齒尖下部土體形成連續(xù)的破壞面，逐漸符合鉆孔剪切試驗(yàn)的剪切破壞條件?？梢?jiàn)，整個(gè)剪切過(guò)程反映在測(cè)試結(jié)果中，即在臨界法向應(yīng)力之前，隨著法向應(yīng)力的增大土的抗剪強(qiáng)度提高較快，當(dāng)超過(guò)臨界法向應(yīng)力，但小于臨塑應(yīng)力時(shí)曲線斜率基本穩(wěn)定。傳統(tǒng)鉆孔剪切試驗(yàn)儀不具備觀測(cè)法向位移和剪切位移功能，這主要帶來(lái)以下兩個(gè)問(wèn)題，一是無(wú)法繪制法向應(yīng)力與法向位移曲線、剪切應(yīng)力與剪切位移曲線;二是無(wú)法評(píng)估試驗(yàn)過(guò)程中土體固結(jié)及齒尖嵌入深度情況。因此，可建議在鉆孔剪切儀上增加法向位移觀測(cè)系統(tǒng)。

4 結(jié)論

（1） 鉆孔剪切試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增大呈曲線形式增大，存在某一臨界法向應(yīng)力值，超過(guò)該值后抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間呈良好的線性關(guān)系，較好地符合摩爾－庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。

（2） 法向應(yīng)力增量較小的試驗(yàn)組與法向應(yīng)力增量較大的試驗(yàn)組相比，逐級(jí)加載達(dá)到相同的法向應(yīng)力時(shí)，前者的固結(jié)時(shí)間更長(zhǎng)，試驗(yàn)測(cè)得的抗剪強(qiáng)度前者總體大于后者。

（3） 分別加載試驗(yàn)各級(jí)法向應(yīng)力的抗剪強(qiáng)度值基本位于分級(jí)加載剪切試驗(yàn)達(dá)到相同法向應(yīng)力時(shí)所測(cè)抗剪強(qiáng)度值的下方，并且隨法向應(yīng)力的增大，其偏離程度有增大的趨勢(shì)。

（4） 現(xiàn)有鉆孔剪切儀用于較硬土體的抗剪強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，在較小的法向應(yīng)力下剪切板齒尖難以壓入土中，導(dǎo)致測(cè)得的黏聚力偏小、內(nèi)摩擦角偏大。為此，建議未來(lái)開(kāi)發(fā)適合不同軟硬程度土質(zhì)的剪切板，并增加法向位移觀測(cè)系統(tǒng)，用于判斷法向應(yīng)力施加過(guò)程中齒尖壓入孔壁情況。

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（本文編輯：張向紅）

收稿日期：2021-10-07

基金項(xiàng)目：國(guó)機(jī)集團(tuán)重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（SINOMACH 2017科249號(hào)）；陜西省創(chuàng)新能力支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2018KJXX－001）

第一作者簡(jiǎn)介：張 龍（1988-），男，碩士，主要從事非飽和土與特殊土力學(xué)及工程、巖土工程測(cè)試技術(shù)的研究工作。E－mail：709194126@qq.com。

通信作者：于永堂（1983-），男，博士，主要從事巖土工程測(cè)試與裝備、特殊土工程性質(zhì)評(píng)價(jià)與地基處理技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究。

E－mail：yuyongtang@126.com。