黄土的钻孔剪切试验特性研究

张龙　于永堂　郑建国　梁谊　王祖耀　刘愿愿

摘要： 为研究钻孔剪切试验在黄土中的应用效果，在西安东郊典型的Q3黄土中进行不同首级法向应力和不同法向应力增量条件下钻孔剪切试验。试验结果表明，抗剪强度随法向应力增大呈曲线形式增大，存在某一临界法向应力值，超过该值后抗剪强度与法向应力之间呈良好的线性关系，能较好地符合摩尔－库仑强度准则，所测得的抗剪强度参数相差较小;在分级加载试验中，法向应力增量越小，达到同一法向应力时的抗剪强度越大;分别加载试验与分级加载剪切试验相比，在相同法向应力下测得的抗剪强度值偏小，随法向应力增大，偏离程度增大;当法向应力较小时，剪切齿难以压入硬土中，导致所测得的黏聚力偏小、内摩擦角偏大，为此建议开发适合不同软硬土质的剪切板，并增加法向位移观测系统，用于判断法向应力施加过程的齿尖压入孔壁情况。

关键词： 钻孔剪切试验; 黄土; 法向应力增量; 首级法向应力; 抗剪强度

中图分类号： TU197;TU413.1文献标志码：A 文章编号： 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

黃土在我国中西部地区广泛分布，具有特殊成分、状态与结构特征，其突出特点是具有较强的水敏性和结构性，准确获取其抗剪强度参数对保证工程安全至关重要。目前在黄土地区的工程勘察中，抗剪强度参数测试方法包括室内试验和原位试验。室内试验主要有三轴试验和直剪试验，存在应力解除、钻探扰动、取样扰动、运输扰动、土样制备扰动等不足。在原位测试方法中，大型直剪试验主要用于浅部地层，难以在深部土层进行，随深度增加试验难度加大，并且费用昂贵;十字板剪切试验只适用于测定饱和软黏土的不排水抗剪强度参数，无法用于非饱和黄土。

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，仪器的主要构造如图1所示。钻孔剪切试验在国外已应用于黏土［2］、冰碛土［3］、海相软黏土［4－5］等细颗粒沉积土的抗剪强度参数原位测试，美国已制定相关标准［6］。钻孔剪切试验的突出优点是可以在预钻孔内不同深度进行原位测试，因此，在易于成孔的黄土地区是一种很有前途的抗剪强度参数原位测试方法［7］。

国外对钻孔剪切试验已有50余年的研究和应用历史，然而国内对该试验的研究起步较晚，在工程中的应用还处于探索阶段。于永堂等［8－9］曾采用美国ASTM标准［6］推荐的试验方法，在黄土地区的非饱和黄土和饱和软黄土中进行过应用尝试。笔者在工程中应用时发现，一些试验结果的黏聚力很小甚至为负值，与土力学基本原理不符，迫切需要找出原因。为此，本次在西安黄土地层中进行了不同首级法向应力和不同法向应力增量下的钻孔剪切试验，分析了加载剪切试验方式对抗剪强度参数测试结果的影响规律，并探讨了钻孔剪切试验数据取值对所测抗剪强度参数的影响规律。

1 研究方法

1.1 试验场地

试验场地位于西安市东南郊某建筑工地，钻探揭露深度范围内土层为Qpd4耕植土、Qeol+el3黄土与古土壤等组成，地貌单元属黄土梁洼。Qpd4耕植土厚度为0.4～0.6 m，其下18 m为Q3黄土层。为了保证试验土层的均匀一致性，试验深度均为3.0 m，试验土层为Q3黄土层。在试验深度处取样测得土的基本物理力学性质指标如表1所列。由表可知，该处的黄土含水量较小，液性指数小于0，呈坚硬状态。

1.2 试验方案

考虑到钻孔剪切仪法向应力施加范围的限制（法向应力极限为440 kPa），本次最大法向应力控制在310 kPa。具体试验方案如表2所列。

表2中含A、B两组试验，均采取分级加载剪切试验方式（即在同一测试点分级施加不同的法向应力进行剪切试验）。A组共包含13个试验，法向应力范围为10～310 kPa，首级法向应力范围为10～250 kPa，法向应力增量均为20 kPa，用于分析首级法向应力对抗剪强度测试结果的影响。B组共包含2个试验，法向应力增量分别为40 kPa、60 kPa，与A组中A1号试验结果进行对比，用于分析法向应力增量对抗剪强度测试结果的影响。此外，利用A组中A1～A13的首级法向应力下的抗剪强度试验结果可得到分别加载剪切试验方式（即在不同测试点分别施加不同法向应力进行剪切试验）的抗剪强度试验结果。

1.3 测试方法

试验所用钻孔直径为76～78 mm，为了减小对孔壁的扰动，同时又能够满足试验要求，成孔时利用直径为115 mm的钻具钻至试验点上方1.0 m处，再利用外径为76.2 mm、厚度为1.8 mm的薄壁取土器分段压至试验深度，每段压入深度不大于30 cm。成孔过程如图2所示。为了避免试验深度处的孔壁受挤压，将薄壁取土器由原来刃角外倾斜改造为内倾斜。成孔后，在孔口处进行临时封堵，避免因水分散失影响试验结果。为了减小土性差异给试验带来的误差，本试验所用钻孔的纵横间距均为1.0 m，呈矩形分布，钻孔共计20个，其中5个备用孔、钻孔分布及编号如图3所示。本次试验中首级法向应力固结15 min，分级法向应力固结5 min，剪切速率为0.05 mm/s（曲柄转速为2 r/s）。

2 试验结果与分析

2.1 不同首级法向应力的分级加载剪切试验

在A组试验中，典型试验点的法向应力与抗剪强度关系曲线如图4所示。

由图4可知，不同首级法向应力下分级加载剪切试验的法向应力与抗剪强度关系曲线在整个法向应力加载区间内呈曲线形式增大，当法向应力超过一定数值后斜率变小。为进一步分析该临界值前后所测抗剪强度参数的变化，分别依次选取相邻5个试验点，对不同法向应力选取段的抗剪强度参数进行统计。为了减少篇幅，这里只列举首级法向应力为10 kPa的试验结果（图5和表3）。

由图5可知，随着首级法向应力的增大，所测得的黏聚力增大，而内摩擦角减小，存在一个“临界法向应力值”（该值出现在90 kPa），当超过该临界值时（孔壁土体在法向应力作用下未达到塑性破坏），抗剪强度与法向应力之间呈良好的线性关系，较好地符合摩尔－库仑强度准则，且所测的黏聚力和内摩擦角变化较小。此时A7与A9与表1中的室内直剪试验对比发现，室内直剪试验的黏聚力略高于钻孔剪切试验，但内摩擦角低于钻孔剪切试验。

2.2 不同法向应力增量的分级加载剪切试验

不同法向应力增量下的分级加载剪切试验结果如图6所示。如图所示，随着法向应力增加，曲线斜率逐渐减小，不同法向应力增量下的法向应力与抗剪强度关系曲线发展趋势总体相似，但法向应力增量越小，曲线斜率变化越大。法向应力增量较小的试验组与增量较大的试验组相比，当法向应力相同时，测得的抗剪强度呈现出前者总体大于后者的特征。这主要是因为当法向应力增量较小时，达到相同法向应力值所需的加载次数增多，试验点处土体在多级法向应力作用下固结的时間更长，孔隙比更小，密实度更大，因此抗剪强度也越大。

2.3 不同首级法向应力的分别加载剪切试验

将A1～A13不同首级法向应力作用下的试验数据绘制分级加载剪切试验的法向应力与抗剪强度关系曲线如图7所示。利用A组中A1～A13的首级法向应力下的抗剪强度试验结果，可得到分别加载剪切试验方式（即在不同测试点分别施加不同法向应力进行剪切试验）的抗剪强度试验结果。首级法向应力下的抗剪强度值基本位于其他分级加载剪切试验达到相同法向应力时所测抗剪强度值的下方，并且随法向应力的增大，其偏离程度有增大的趋势。在分级加载剪切试验中，随首级法向应力的增大，土体逐渐被压入齿槽内，若剪切齿槽内充满土体后，继续增大法向应力，剪切齿难以更加深入地嵌入土体内部，新增加的法向应力若无法使土体产生同增量的咬合作用，也就难以带动齿尖下部土体形成新的剪切破坏面，此时部分剪切破坏会沿着上一级法向应力下形成的剪切面发生，此时的强度则主要为土体内部产生的摩擦效应。分别加载剪切试验不需要考虑分级加载过程的法向压力增量对试验结果的影响，且每次试验的剪切面均在新位置进行，因此能够准确反映土层的黏聚效应和摩擦效应。从试验数据的分布特征可知，分级加载剪切试验与分别加载剪切试验相比，黏聚力偏小，内摩擦角偏大。

3 讨论

为了保证能够准确获得土体的抗剪强度参数，而非齿尖与土体之间的摩擦破坏，钻孔剪切试验的法向应力施加后，应保证齿尖有足够的嵌入深度，并保证孔壁剪切面处的土体固结稳定。由前文可知，试验点处的黄土含水量较小，液性指数小于0，呈坚硬状态，当法向应力较小时，剪切齿难以压入土中，此时所测的抗剪强度值主要是摩擦效应，黏聚效应偏低，进而导致所测得的抗剪强度参数中黏聚力明显偏低，内摩擦角明显偏大。因此，针对较硬状态黄土需要对钻孔剪切仪的剪切板构造进行改进，以使剪切齿能够在法向应力范围内被压入土体。Yang等［10］发现剪切齿的角度和间距对测试效果具有重要影响。因此，在未来对钻孔剪切仪的改进时，可考虑针对不同软硬程度的土层配套不同规格的剪切板。例如，当土层硬度较大时可减小齿角度、增大齿间距;当土层较软时则反之。为分析法向应力与抗剪强度关系曲线的变化过程，绘制分级加载剪切试验过程剪切齿压入孔壁土体的过程示意如图8所示，图中剪切齿之间的黑色圆粒的密度代表了进入齿槽内土颗粒的数量。

在达到临界法向应力之前，随着加载次数的积累，剪切齿之间的土体逐渐由少变多，由疏变密，剪切齿压入土的深度由浅变深，如图8中（a）～（c）的变化过程。在此过程中，法向应力主要由齿尖与土体的接触面位置承担，存在应力集中现象，剪切板下应力分布极不均匀，剪切板对土体的剪切类似于土体表面的刮擦，不能形成连续的破坏面，与钻孔剪切试验的要求不符［1］。当法向应力积累到一定程度，齿槽内的土体很难继续增多，剪切齿压入土的深度也很难继续增加，这时基本达到稳定状态，如图8中（c）～（e）的变化过程。此过程中，齿槽内土体逐渐密实，法向应力可通过该部分土体传递给孔壁原状土体，剪切板下应力分布逐渐均匀，能够带动齿尖下部土体形成连续的破坏面，逐渐符合钻孔剪切试验的剪切破坏条件。可见，整个剪切过程反映在测试结果中，即在临界法向应力之前，随着法向应力的增大土的抗剪强度提高较快，当超过临界法向应力，但小于临塑应力时曲线斜率基本稳定。传统钻孔剪切试验仪不具备观测法向位移和剪切位移功能，这主要带来以下两个问题，一是无法绘制法向应力与法向位移曲线、剪切应力与剪切位移曲线;二是无法评估试验过程中土体固结及齿尖嵌入深度情况。因此，可建议在钻孔剪切仪上增加法向位移观测系统。

4 结论

（1） 钻孔剪切试验的抗剪强度随法向应力增大呈曲线形式增大，存在某一临界法向应力值，超过该值后抗剪强度与法向应力之间呈良好的线性关系，较好地符合摩尔－库仑强度准则。

（2） 法向应力增量较小的试验组与法向应力增量较大的试验组相比，逐级加载达到相同的法向应力时，前者的固结时间更长，试验测得的抗剪强度前者总体大于后者。

（3） 分别加载试验各级法向应力的抗剪强度值基本位于分级加载剪切试验达到相同法向应力时所测抗剪强度值的下方，并且随法向应力的增大，其偏离程度有增大的趋势。

（4） 现有钻孔剪切仪用于较硬土体的抗剪强度测试时，在较小的法向应力下剪切板齿尖难以压入土中，导致测得的黏聚力偏小、内摩擦角偏大。为此，建议未来开发适合不同软硬程度土质的剪切板，并增加法向位移观测系统，用于判断法向应力施加过程中齿尖压入孔壁情况。

参考文献（References）

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YU Yongtang，ZHENG Jianguo，LIU Zhenghong，et al.Borehole shear test and its application to loess［J］.Rock and Soil Mechanics，2016，37（12）：3635－3641.

［9］于永堂，高远.土体抗剪强度参数的钻孔剪切试验方法初探［J］.岩土工程技术，2015，29（4）：169－172，208.

YU Yongtang，GAO Yuan.Study on borehole shear test for soil shear strength parameter testing［J］.Geotechnical Engineering Technique，2015，29（4）：169－172，208.

［10］YANG K H.Shear strength of chemically modified soils［D］.Iowa：Iowa State University，1975.

（本文编辑：张向红）

收稿日期：2021-10-07

基金项目：国机集团重点研发项目（SINOMACH 2017科249号）；陕西省创新能力支撑计划项目（2018KJXX－001）

第一作者简介：张 龙（1988-），男，硕士，主要从事非饱和土与特殊土力学及工程、岩土工程测试技术的研究工作。E－mail：709194126@qq.com。

通信作者：于永堂（1983-），男，博士，主要从事岩土工程测试与装备、特殊土工程性质评价与地基处理技术的开发与应用研究。

E－mail：yuyongtang@126.com。