新型便携式钻孔剪切仪研发与测试分析

张建经 ，马东华，曾鹏毅，孙延军，何 梦

(1. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031； 2. 郑州中核岩土工程有限公司,河南 郑州 450008)

0 引 言

土体的黏聚力与内摩擦角是进行工程设计与科学研究的重要参数，且获得正确的岩土体参数是保证工程安全的重要基础[1]。直剪试验和三轴试验是目前获得土体抗剪强度参数常用的室内试验手段，但室内试验在取样的过程中对土体造成扰动，且使土样脱离了原有的地质环境，这会使试验结果产生误差；原位试验虽然避免了室内试验的缺点，但也有许多限制条件，例如现场的大型直剪试验耗时久、费用高、占地大、过程繁琐；十字板剪切试验不适用于硬塑性黏土等土层；通过经验根据标准贯入试验、静力触探实验结果得到的土体强度参数的可靠性难以保证。

为了改进现场原位试验的缺陷，R.L.HANDY等[2]提出了原位钻孔剪切试验方法并制造了相关设备(Iowa钻孔剪切仪)；R. A. LOHNES等[3-5]用上述设备对黏土等不同类型土进行了相关实验，得到了相应黏聚力与内摩擦角。在国内，于永堂等[6]阐述了Iowa钻孔剪切仪原位钻孔剪切的原理，并用已有设备得到了黄土的抗剪强度参数；娄奕红等[7]在某公路边坡中用国外设备测定了坡积土的抗剪强度参数；王刚等[8]对西南地区黄土进行了钻孔剪切试验，分析了剪应力与正应力的相关性;冯文凯等[9-10]介绍了Phicometre钻孔剪切试验仪的基本原理、试验过程和数据处理方法。因原位钻孔剪切设备携带便捷、操作简单，且在微扰动条件下就能得到土体抗剪强度参数，美国已有相关试验标准[11]，然而因国外现有设备剪切刀头的尺寸与我国多数工程的钻孔孔径不相符，加之无法进行深孔测量或需要配备较重的连接杆等缺陷，原位钻孔剪切设备在我国工程领域鲜有应用。

针对国外设备的缺陷，改进研发了一套新型便携式钻孔剪切仪并进行测试分析，评价了其可行性与适用性。基于实际测试分析了抗剪强度测试方法、测试过程中的应力控制、破坏判别、数据处理等，为该方法测试规范的编写提供参考。

1 钻孔剪切试验原理与试验设备

1.1 钻孔剪切试验原理

钻孔剪切试验与室内直剪试验均是通过在施加竖向压力的条件下对土体进行剪切破坏，不同的是直剪试验的剪切面较为固定，为上、下盒的接触面，而钻孔剪切的剪切面为刀头携带土体与其周围土体所形成的面。试验时，将带有横向齿的剪切刀头放置于待测深度，通过竖向压力将剪切刀头挤入土体并完成固结过程，然后对刀头施加上拔力，带动刀头横向齿内土体，使其与周为土体发生剪切破坏。

图1 钻孔剪切试验原理Fig. 1 Principle of borehole shear test

钻孔剪切试验原理示意图见图1，剪切刀头长度为L，宽度为B，有效剪切高度为L0，有效作用面积为A，在剪切过程中上拔力为P，法向压力为N，则有：

(1)

(2)

通过最小二乘法对不同法向应力条件下的剪切应力进行线性拟合，规定拟合的相关性系数R2≥0.98，拟合直线的截距为黏聚力c，斜率为内摩擦角φ。

1.2 钻孔剪切试验设备

目前钻孔剪切设备均为国外生产，样式以图2设备为代表，国内除少数科研单位引入此类设备，介绍了其基本原理、试验过程和数据处理方法等，其在工程领域罕有应用。

图2 已有钻孔剪切设备Fig. 2 Existing borehole shear equipment

根据JGJ/T87—2012《建筑工程地质勘探与取样技术规程》规定，我国工程勘察钻孔孔径有如下要求，见表1：

表1 钻孔孔径Table 1 Drilling aperture

国外仪器的工作孔径为75 mm，但国内勘察领域存在较多大于75 mm的钻孔；此外，现有设备地面部分与剪切刀头之间为铁杆连接，无法进行深孔测量或需要配备较重的连接杆，且通过压力表进行人工数据采集，缺乏精确性与便捷性。

为了弥补现有设备的缺陷并降低设备成本，作者研发了一套新型便携式钻孔剪切仪，如图3：

图3 钻孔剪切仪Fig. 3 Borehole shear equipment

仪器主要包括4部分：下部剪切刀头、上部操作平台、法向力提供系统、数据采集装置，部分配件见图4。本套仪器的主要创新点为：

1)制作了适用于不同孔径的剪切刀头，满足了不同孔径测量的需求；

2)在地面仪器与剪切刀头之间用钢丝索连接，由于刀头部分的自重，钢丝索在孔内可保持竖直，实现了深孔测量；

3)采用称重传感器并与电脑连接，实现了数据的实时采集存储；

4)仪器制作成本低于国外现有产品。

图4 仪器部件Fig. 4 Equipment components

2 仪器测试分析

2.1 室内试验

2.1.1 试验概况

试验用模型箱如图5，尺寸为1 m×1 m×0.9 m，试验用土为河砂与黏土(质量比3∶1)配制而成，含水率为20%，确保稳定成孔。在模型箱一条对角线的1/3和2/3处，固定两直径100 mm的PVC管，从模型箱底部分层填土并用塑胶锤夯实，每层20 cm，填筑高度80 cm，填土完成后拔出PVC管形成孔1和孔2。试验初始法向压力取为50 kPa，分级增量见表2。

图5 模型箱Fig. 5 Model box

增量等级一级二级三级四级增量应力值/kPa50100200300

2.1.2 剪切应力与剪切应变关系

定义钻孔剪切试验的剪切应变γ=δV/L0，其中δV为剪切位移，L0为剪切刀头的有效剪切高度。孔1和孔2的钻孔剪切应力-应变关系曲线如图6，室内直剪试验的剪切位移-剪切应力曲线如图7：

图6 钻孔剪切试验应力-应变关系Fig. 6 Stress-strain relationship of borehole shear test

图7 室内直剪试验剪切位移-剪切应力关系Fig. 7 Shear displacement-shear stress relationship of indoor direct shear test

由图6可知，曲线有较为显著的峰值点，其应力-应变关系可视为软化型，曲线大致可以分为4个阶段：

1)密实阶段：此阶段过程较短，剪切刀头附近土体被压密，应力-应变曲线呈下凸形。

2)线性阶段：此阶段应力与应变大致呈线性关系，直到达到土体的屈服应力，这反映出周围土体与刀头表面土体没有显著错动。

3)塑性屈服阶段：此阶段应力应变关系为曲线，土体出现塑性变形，随着剪应力的增加，剪切面周围出现微小裂缝。

4)残余强度阶段：此阶段应力会有略微下降，随着应变的增加，应力最终趋于平稳。

由图7可知，直剪试验也有着类似的规律，但与钻孔剪切试验不同的是在破坏阶段之前直剪试验的剪切应力增速较快，曲线呈明显上凸，这可能是剪切盒对土样约束的影响，具体原因有待进一步分析。

2.1.3 钻孔剪切与直剪试验结果对比

图8为孔1和孔2的钻孔剪切试验与室内直剪试验抗剪强度。

图8 钻孔剪切与直剪试验所得抗剪强度线Fig. 8 Shear strength line obtained by borehole shear test and direct shear test

根据室内直接剪切试验和钻孔剪切试验所得的抗剪强度线即可得到土体的抗剪强度参数，见表3及4：

表3 室内钻孔剪切及直接剪切试验结果Table 3 Results of indoor bore shear test and direct shear test

表4 室内钻孔剪切及直接剪切试验结果平均值Table 4 Average value of indoor borehole shear test and direct shear test

由表3～表4可知，钻孔剪切的相关系数均高于室内直剪的相关系数。4组试验中，孔1室内直剪试验得到的黏聚力明显小于其余试验结果，其原因可能是取样过程对土体造成了较强扰动，破坏了原有的结构。钻孔剪切试验测得的土体内摩擦角平均值比室内直剪试验的小10.6%，测得的的黏聚力是孔2直剪试验所得黏聚力的40%。笔者认为，造成钻孔剪切测得的黏聚力过小的原因可能有以下几点：

1)模型箱中土体经过夯实后具有明显的各向异性，钻孔剪切试验是沿着竖向对土体进行剪切而室内直剪试验则是水平向剪切土体，因此试验结果会产生差异。

2)在剪切刀头上作用剪切力之后，其应力会沿剪切方向进行消散。在本次室内试验中，土层表面出现如图9所示明显裂缝，表明上部土体发生了松动，提供的土抗力会有所下降，这可能是造成钻孔剪切试验黏聚力低的原因。

3)室内直剪试验是将试样放入直剪盒中进行剪切，直剪盒相当于固定边界，盒内土体受到了约束；而钻孔剪切试验可视为无限边界，对剪切面附近土体不产生附加约束，这可能直接导致钻孔剪切试验结果小于室内直剪试验。

图9 剪切过程中的土层表面裂缝Fig. 9 Cracks on the surface of the soil during shearing

2.2 现场试验

2.2.1 试验概况

现场试验主要在河南省巩义市、平顶山市展开。巩义与平顶山场地的试验土层均为粉质黏土，测试深度分别为2、4、6 m和2、3、4 m，通过回旋钻进法成孔，钻孔竖直，实验过程中均未见地下水，平顶山试验场地地层钻孔柱状图如图10。孔内剪切刀头的初始法向压力为50 kPa，加压固结时间持续15 min，其余每级法向压力固结时间为5 min，法向压力分级增量见表5。固结完成后，以每秒一转匀速转动手柄，确保手柄转动10圈相应的剪切刀头向上提拉0.1 mm，直至土样破坏，各深度处土体应力应变关系如图11。表6为相同测点深度处土体的基本性质及室内直剪和三轴试验结果。表7～表11为通过最小二乘法绘制摩尔库伦破坏包线求出的黏聚力与内摩擦角结果。

图10 钻孔柱状图和静力触探曲线柱状图(平顶山)Fig. 10 Drilling histogram and static penetration curve histogram (Pingdingshan)

图11 剪切应力-剪切应变关系Fig. 11 Shear stress-shear strain relationship

2.2.2 钻孔剪切与直剪、三轴试验结果对比

由表7～表11得，钻孔剪切试验数据的线性相关性均满足R2大于0.98的要求，其离散性小于室内直剪快剪试验。钻孔剪切试验测得的黏聚力比室内直剪试验小30%-50%、内摩擦角小10%～25%，测得的黏聚力比室内三轴试验小9%、内摩擦角小2%。

钻孔剪切与直剪试验结果的差异和前述在模型箱中进行的试验结果类似，这进一步印证了直剪盒的固定边界与原场地的无限边界可能是造成此现象的原因。三轴试验并未强行产生剪切面，相比于直剪试验更加接近原位试验，因此钻孔剪切结果与三轴试验结果差异小于与直剪试验的差异。

表7 钻孔剪切测试结果(巩义)Table 7 Borehole shear test results (Gongyi)

表8 钻孔剪切及直剪、三轴试验结果平均值(巩义)Table 8 Average results of borehole shear test, direct shear test and tri-axial test (Gongyi)

表9 室内直剪试验结果(平顶山)Table 9 Indoor direct shear test results (Pingdingshan)

表10 钻孔剪切测试结果(平顶山)Table 10 Borehole shear test results (Pingdingshan)

表11 钻孔剪切及室内直剪试验结果平均值(平顶山)Table 11 Average results of borehole shear test and indoor direct shear test (Pingdingshan)

3 讨 论

已有的研究结果表明[12-13]：国外钻孔剪切试验设备测得的黏聚力较室内直剪试验的结果低50%～100%左右，笔者自行研制的钻孔剪切仪测得的结果比室内直剪试验低30%～50%，这可能是因为本文仪器主要针对国内100 mm以上孔径，因此剪切刀头面积比国外设备大，在向上提拉的过程中，剪切刀头表面土体与附近土体之间的剪切更为充分，因此相对来说更接近室内直剪试验的状态。总体上造成钻孔剪切结果小于室内直剪结果的原因在前面已进行了初步探讨，具体影响因素需要在后续的研究中针对不同类型的土开展试验进行详细分析。

虽然钻孔剪切仪有着诸多优点，但对难以成孔或易垮孔的土层无法进行有效测量，这也体现出了本套仪器的应用范围。对于适用此仪器的土层，在进行试验时也应注意以下几点：

1)钻孔时，尽量一次成孔，避免过多扰动土体。对于较深的钻孔，若采用泥浆护壁，则需静置一天后再进行测量。

2)不同类型土体的应力增量和使土体达到固结所需的时间应根据土质及工程经验进行试判。

3)判断土样剪切破坏的标准为：连续转动两次手柄时拉力值均出现下降或剪切刀头向上移动超过4 mm。当出现异常现象时，应将剪切刀头水平转动一定角度后重新进行试验。

4)考虑到剪切刀头的打孔安装空隙，以及土样中小直径砾石的干扰，剪切面积应乘以系数0.8。试验要求相关系数R2大于0.98，否则旋转探头90°重新试验。

4 结 论

研发了一种新型便携式钻孔剪切仪并制定了相关使用指南，通过现场试验与室内直剪、三轴试验对比分析，主要取得以下结论：

1)钻孔剪切试验测得数据的离散性比室内直剪试验的小，证明钻孔剪切是一种稳定的原位试验方法。

2)钻孔剪切试验仪器简洁、操作简单、对土体仅存在微扰动，所得黏聚力与内摩擦角分别较室内直剪试验小30%～50%和10%～25%，比室内三轴试验小9%和2%。

3)通过室内试验与大量原位试验，总结出测试过程中的应力控制、破坏判别、数据处理等方法，同时给出了相关参数的建议取值，为该方法测试规范的编写提供参考。