剪切板粗糙特性对钻孔剪切试验的影响研究

张 龙，于永堂，师莹莹，赵威威，黄晓维，何 丹，魏真红

(1.机械工业勘察设计研究院有限公司， 陕西 西安 710043；2.陕西省特殊岩土性质与处理重点试验室， 陕西 西安 710043；3.陕西建筑产业投资集团有限公司， 陕西 西安 710043)

钻孔剪切试验(Borehole Shear Test，BST)，是20世纪60年代晚期，美国学者提出的一种在钻孔中获得岩土抗剪强度参数的原位测试方法，其试验原理详见文献[1]，所用设备为钻孔剪切仪，构造如图1所示。在进行土体抗剪强度测试时，首先在试验地层进行预钻孔，并将剪切头放入孔内试验深度处，通过施加一定的气压力使剪切头处的剪切板发生伸缩，剪切齿压入土体进行固结，而后在蜗杆提供的上拉剪力下土体产生剪切破坏，通过在同一地层同一位置或不同位置进行不同法向应力的剪切试验可获得该层土的强度破坏包线[2]。近年来，该设备被引入国内，已有在黄土[3-5]、填土[6]、残积土[7]等土层中应用的报道。

图1 钻孔剪切试验仪示意图

钻孔剪切试验可直接测试不同深度土体的抗剪强度参数，克服了大型直剪试验费用高，对深部土层测试困难，标准贯入试验、静力触探试验等对土体抗剪强度指标间接测试的缺点，且所用设备小巧，便于携带，对于易于成孔的黄土被认为是一种很有前途的原位测试方法[8]，于永堂等[4-5]最先在我国黄土地区进行钻孔剪切试验的应用研究，但得到的测试结果显示c值偏小，φ值偏大。在进行钻孔剪切试验时，首级法向应力的选择至关重要，剪切板齿需在首级法向应力下完全压入土体，这样才会在齿尖端附近形成固结的“土饼”，得出相应固结应力下的抗剪切度值[9-11]。现有钻孔剪切仪剪切板的构造如图2所示。剪切板的剪切齿高2.2 mm，齿间距2.5 mm，齿尖角度为60°，剪切头在不膨胀情况下，剪切板外缘间距75 mm，剪切齿的排列较为密集，而黄土的力学性质受含水率影响敏感[12-13]，含水率较小时土体较硬，加之钻孔剪切仪法向应力加载能力有限(<440 kPa)，该方法在黄土地区的适应范围还有待进一步研究。

图2 钻孔剪切仪剪切板示意图(单位：mm)

本文加工了不同构造的剪切板，并进行了不同含水率重塑黄土的剪切齿入土深度模型试验及钻孔剪切模型试验，评估了钻孔剪切试验在黄土地区的应用范围并分析了通过改变剪切板构造对扩大钻孔剪切试验应用范围的可行性。

1 研究方法

1.1 模型试验装置

试验装置如图3所示。包括钻孔剪切仪、试样筒、试验平台、微型位移测量系统、气源等组成。

图3 室内模型试验装置

(1) 钻孔剪切仪：剪切头上的剪切板可自由更换，不膨胀情况下，剪切头直径75 mm，施加的法向应力范围为0～440 kPa。

(2) 试样筒：为3节外径500 mm，壁厚10 mm，长500 mm的有机玻璃筒，每节筒两端设有法兰，桶外贴有刻度标，方便制样时对干密度进行控制。

(3) 试验平台：为厚度20 mm的有机玻璃圆板，中心开有76 mm孔洞，可使剪切头自由穿过，试验平台主要作用是为剪切过程提供反力。

(4) 微型位移测量系统：量测部分采用微型位移计，有效量程15 mm，线性精度±0.08%FS，安装于剪切头底部，顶推杆顶在剪切板下部边缘(见图4)，可量测剪切板伸缩量并判定固结是否稳定；数据采集部分采用位移采集器，该采集器与位移传感器配套使用，通过线缆连接，可直接显示位移读数。

图4 微型位移计

(5) 气源：为压力12.5 MPa的氮气瓶，安装有高压气体减压阀，能控制输出气压，与钻孔剪切仪控制面板上的调压控制系统相连。

1.2 试验方案

为了减小剪切齿压入土体时产生的阻力，本次在原装剪切板的基础上重新设计了5套不同型号的剪切板，其中，剪切板的剪切齿高度保持不变，如图5所示，剪切板具体参数见表1。这样与原装剪切板一共6套，齿尖角度为60°和45°各包含3套，齿间距分别为原装剪切板的1倍、2倍和3倍。

图5 重新设计的剪切板

表1 剪切板构造参数

为了评价各个型号剪切板的剪切齿压入土中的难易程度及对土体抗剪强度的测试效果，本次共设置了4种含水率重塑黄土的两类模型试验，一种为剪切齿入土深度模型试验，另一种为钻孔剪切模型试验，含水率分别为10%、13%、16%和19%，干密度控制在1.4 g/cm3。

(1) 剪切齿入土深度模型试验。该试验通过对剪切板在不同法向应力下的入土深度进行测试以评价该剪切板构造对不同含水率的适宜性，具体试验方法为：仪器及剪切头安装就位后，施加1 kPa的法向应力使剪切板与孔壁贴紧，读取显示仪读数作为剪切板齿开始压入孔壁的起始值。将起始值加上齿槽深度的两倍作为试验终止值，然后逐级增大法向应力并读取稳定时显示仪读数，直至最终稳定后显示仪读数略超过终止值，试验期间记录剪切齿随法向应力增大进入土体深度的变化。

(2) 钻孔剪切模型试验。该试验通过进行不同含水率下的钻孔剪切试验以对比评价不同型号剪切板测试参数的可靠性，具体试验方法为：将剪切板剪切齿完全进入土体时对应的法向应力作为首级法向应力(即剪切齿入土深度模型试验终止值对应的法向应力)，进行钻孔剪切试验，得出不同型号剪切板获得的抗剪强度参数，并与室内直剪试验进行对比。

1.3 制样及成孔

试验用土为Q3黄土，取自西安东南郊区的某建筑工地，土的物理参数指标见表2。使用前先将土过2 mm筛去除杂物，通过晾晒或喷水将含水率调整到目标值，然后进行制样。

表2 土的基本物理参数指标

所制土样直径480 mm，高600 mm，由于尺寸较大，专门加工了与之相适应的制样工具，如图6(a)所示。在制备土样时，分层击实，每层高度5 cm，击实时随时查看桶壁刻度标以进行控制，击实到位后在分层处进行打毛，以保证土样的连续性。

成孔时，为尽量减小对孔壁的扰动，用橡皮锤将外径76.20 mm，壁厚1.80 mm的薄壁取土管在制好的土样中心位置分阶段打入，每阶段打入深度不超过5 cm，直至贯通。为避免薄壁取土管打入土体时由于刃脚外倾斜导致对孔壁土体产生挤压，使孔壁土体加密，特地将原来的薄壁取土管刃角外倾斜加工为刃角内倾斜，如图6(b)所示。

图6 制样工具

2 试验结果与分析

2.1 剪切齿入土深度模型试验结果与分析

考虑到钻孔剪切仪的量程限制，本次最大法向应力施加至300 kPa。不同含水率下不同型号剪切板的剪切齿入土深度随法向应力的变化见图7。由图7可知，剪切齿入土深度随法向应力变化曲线可近似由一段曲线和一段直线组成，开始段入土深度的增长速率较快，随着法向应力的增加，增长速率逐渐变缓，直至数值相对稳定。该变化趋势也反映了剪切齿进入土体过程中土体对剪切齿的阻碍效应的变化，当剪切齿与土体刚接触时，土与剪切板接触面近似点状，土体对剪切齿阻碍较小，随着剪切齿入土深度的加深，接触面逐渐过渡为面状，土体对剪切齿的阻碍逐渐增大，反映在入土增长速率上即逐渐减小，当达到一定深度阻碍作用趋于稳定。

图7 不同含水率下不同型号剪切板的剪切齿入土深度随法向应力的变化

各型号剪切板完全压入土中对应的法向应力见表3。由表3可知，当法向应力相对较小时，对于同一含水率的土体，随着剪切板齿间距的增加或齿尖角度的减小，其完全进入土体对应的法向应力逐渐减小；对于不同含水率的土体，同一剪切板随着含水率的增大，其完全进入土体对应的法向应力逐渐减小。当含水率为10%时，除剪切板编号为45-3和60-3剪切板能完全压入土中外其余均无法实现，且压入土中的法向应力较大，若以该法向应力为首级法向应力按照建议的法向应力增量[2]进行钻孔剪切试验，则后续法向应力将超过仪器量程，因此试验无法进行。同理，当含水率为13%，只有剪切板编号为45-3和60-3剪切板可满足试验的需求。当含水率不小于16%时，6种剪切板均可满足钻孔剪切试验的要求。可见，黄土的软硬受含水率影响敏感，对于特定的剪切板，含水率越小需要的首级法向应力越大， 当含水率不大于13%时，现有的钻孔剪切仪很难完成试验，通过改变剪切齿间距和齿尖角度可降低剪切板齿完全压入土中对应的法向应力。

表3 各型号剪切板完全压入土中对应的法向应力

2.2 钻孔剪切模型试验结果与分析

由于含水率为10%及13%时部分剪切板无法完全压入土中，因此在进行钻孔剪切模型试验时首级法向应力和法向应力增量的设置见表4。不同含水率下不同型号剪切板的钻孔剪切试验结果如图8所示。

表4 首级法向应力和法向应力增量

图8 不同含水率下不同型号剪切板获得的强度包线

不同型号剪切板得到的抗剪强度包线很接近，为了对试验结果进行详细的对比，对不同含水率下不同剪切板型号得到的内摩擦角和黏聚力进行统计见表4。当含水率为10%时，首级法向应力下剪切板均未完全压入土中，不同型号剪切板得到的内摩擦角偏大，平均值为40.6°，黏聚力偏小，平均值为9.2 kPa。当含水率为13%时，只有两种型号剪切板45-3和60-3在首级法向应力下完全压入土中，两种型号剪切板得到的内摩擦角均值为33.7°，略小于其他4种型号，黏聚力均值为38.9 kPa，大于其他四种型号。当含水率为16%和19%时，首级法向应力下剪切齿均完全压入土中，不同型号剪切板得到的内摩擦角和黏聚力均较接近。可见，剪切板齿未完全进入土体时得到的内摩擦角偏大，黏聚力偏小，当剪切板齿完全进入土中后，不同型号剪切板得到的抗剪强度参数接近，通过增大剪切齿间距或减小齿尖角度可以增大钻孔剪切试验在黄土地区的应用范围。将含水率为16%和19%不同型号剪切板获得的抗剪强度参数进行平均并与室内直剪试验结果进行对比见表5。由表5可知，黏聚力与慢剪或固结快剪相当，内摩擦角均高于室内直剪试验。

表5 土的基本物理参数指标

为了进一步揭示剪切齿未完全进入土中测试结果偏差较大的原因，使用原装剪切板进行了一组含水率16%，法向应力范围较大的试验。试验法向应力范围30 kPa～300 kPa，试验结果见图9。在大的法向应力范围下，法向应力与抗剪强度的关系并非是一条直线。图中虚线与横坐标的交点对应剪切齿完全进入土中对应的首级法向应力，虚线之前弯曲较明显，虚线之后几乎成直线，这与剪切齿进入土体深度不断增加有关。需要指出的是，由于仪器加载能力的限制，本次加载的法向应力未达到使孔壁失稳阶段。若首级法向应力选择在虚线之前(见图中实线b)，则得到破坏包线必然斜率较大，反映在抗剪强度指标上黏聚力较小，内摩擦角较大。首级法向应力越小，这种特征越明显，当首级法向应力小到一定程度，甚至出现黏聚力为负的情况(见图中实线a)。若首级法向应力选择在虚线之后的线性段(见图中实线c)，抗剪强度包线基本稳定，且抗剪强度参数相较虚线之前更符合实际。可见，进行钻孔剪切试验时法向应力的选择至关重要，试验压力分布在线性测试段才能保证试验的可靠性。

图9 大法向应力范围钻孔剪切试验

3 结 论

(1) 黄土的软硬受含水率影响敏感，含水率越小，钻孔剪切试验需要的首级法向应力越大，当含水率不大于13%时，现有的钻孔剪切仪很难完成试验。

(2) 在剪切齿完全压入土体的情况下，不同齿间距或齿尖角度的剪切板得到抗剪强度参数接近，通过增大剪切齿间距或减小齿尖角度可以减小钻孔剪切试验所需的首级法向应力大小，进而增大钻孔剪切试验对不同含水率黄土的适用性。

(3) 钻孔剪切试验得到的抗剪强度随法向应力的变化包含非线性和线性两个特征段，试验时的法向应力应选择在线性段，若首级法向应力选择在非线性段将导致c值偏小，φ值偏大。