新型便攜式鉆孔剪切儀研發(fā)與測試分析

張建經(jīng) ，馬東華，曾鵬毅，孫延軍，何 夢

(1. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031； 2. 鄭州中核巖土工程有限公司,河南 鄭州 450008)

0 引 言

土體的黏聚力與內摩擦角是進行工程設計與科學研究的重要參數(shù)，且獲得正確的巖土體參數(shù)是保證工程安全的重要基礎[1]。直剪試驗和三軸試驗是目前獲得土體抗剪強度參數(shù)常用的室內試驗手段，但室內試驗在取樣的過程中對土體造成擾動，且使土樣脫離了原有的地質環(huán)境，這會使試驗結果產(chǎn)生誤差；原位試驗雖然避免了室內試驗的缺點，但也有許多限制條件，例如現(xiàn)場的大型直剪試驗耗時久、費用高、占地大、過程繁瑣；十字板剪切試驗不適用于硬塑性黏土等土層；通過經(jīng)驗根據(jù)標準貫入試驗、靜力觸探實驗結果得到的土體強度參數(shù)的可靠性難以保證。

為了改進現(xiàn)場原位試驗的缺陷，R.L.HANDY等[2]提出了原位鉆孔剪切試驗方法并制造了相關設備(Iowa鉆孔剪切儀)；R. A. LOHNES等[3-5]用上述設備對黏土等不同類型土進行了相關實驗，得到了相應黏聚力與內摩擦角。在國內，于永堂等[6]闡述了Iowa鉆孔剪切儀原位鉆孔剪切的原理，并用已有設備得到了黃土的抗剪強度參數(shù)；婁奕紅等[7]在某公路邊坡中用國外設備測定了坡積土的抗剪強度參數(shù)；王剛等[8]對西南地區(qū)黃土進行了鉆孔剪切試驗，分析了剪應力與正應力的相關性;馮文凱等[9-10]介紹了Phicometre鉆孔剪切試驗儀的基本原理、試驗過程和數(shù)據(jù)處理方法。因原位鉆孔剪切設備攜帶便捷、操作簡單，且在微擾動條件下就能得到土體抗剪強度參數(shù)，美國已有相關試驗標準[11]，然而因國外現(xiàn)有設備剪切刀頭的尺寸與我國多數(shù)工程的鉆孔孔徑不相符，加之無法進行深孔測量或需要配備較重的連接桿等缺陷，原位鉆孔剪切設備在我國工程領域鮮有應用。

針對國外設備的缺陷，改進研發(fā)了一套新型便攜式鉆孔剪切儀并進行測試分析，評價了其可行性與適用性。基于實際測試分析了抗剪強度測試方法、測試過程中的應力控制、破壞判別、數(shù)據(jù)處理等，為該方法測試規(guī)范的編寫提供參考。

1 鉆孔剪切試驗原理與試驗設備

1.1 鉆孔剪切試驗原理

鉆孔剪切試驗與室內直剪試驗均是通過在施加豎向壓力的條件下對土體進行剪切破壞，不同的是直剪試驗的剪切面較為固定，為上、下盒的接觸面，而鉆孔剪切的剪切面為刀頭攜帶土體與其周圍土體所形成的面。試驗時，將帶有橫向齒的剪切刀頭放置于待測深度，通過豎向壓力將剪切刀頭擠入土體并完成固結過程，然后對刀頭施加上拔力，帶動刀頭橫向齒內土體，使其與周為土體發(fā)生剪切破壞。

圖1 鉆孔剪切試驗原理Fig. 1 Principle of borehole shear test

鉆孔剪切試驗原理示意圖見圖1，剪切刀頭長度為L，寬度為B，有效剪切高度為L0，有效作用面積為A，在剪切過程中上拔力為P，法向壓力為N，則有：

(1)

(2)

通過最小二乘法對不同法向應力條件下的剪切應力進行線性擬合，規(guī)定擬合的相關性系數(shù)R2≥0.98，擬合直線的截距為黏聚力c，斜率為內摩擦角φ。

1.2 鉆孔剪切試驗設備

目前鉆孔剪切設備均為國外生產(chǎn)，樣式以圖2設備為代表，國內除少數(shù)科研單位引入此類設備，介紹了其基本原理、試驗過程和數(shù)據(jù)處理方法等，其在工程領域罕有應用。

圖2 已有鉆孔剪切設備Fig. 2 Existing borehole shear equipment

根據(jù)JGJ/T87—2012《建筑工程地質勘探與取樣技術規(guī)程》規(guī)定，我國工程勘察鉆孔孔徑有如下要求，見表1：

表1 鉆孔孔徑Table 1 Drilling aperture

國外儀器的工作孔徑為75 mm，但國內勘察領域存在較多大于75 mm的鉆孔；此外，現(xiàn)有設備地面部分與剪切刀頭之間為鐵桿連接，無法進行深孔測量或需要配備較重的連接桿，且通過壓力表進行人工數(shù)據(jù)采集，缺乏精確性與便捷性。

為了彌補現(xiàn)有設備的缺陷并降低設備成本，作者研發(fā)了一套新型便攜式鉆孔剪切儀，如圖3：

圖3 鉆孔剪切儀Fig. 3 Borehole shear equipment

儀器主要包括4部分：下部剪切刀頭、上部操作平臺、法向力提供系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集裝置，部分配件見圖4。本套儀器的主要創(chuàng)新點為：

1)制作了適用于不同孔徑的剪切刀頭，滿足了不同孔徑測量的需求；

2)在地面儀器與剪切刀頭之間用鋼絲索連接，由于刀頭部分的自重，鋼絲索在孔內可保持豎直，實現(xiàn)了深孔測量；

3)采用稱重傳感器并與電腦連接，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集存儲；

4)儀器制作成本低于國外現(xiàn)有產(chǎn)品。

圖4 儀器部件Fig. 4 Equipment components

2 儀器測試分析

2.1 室內試驗

2.1.1 試驗概況

試驗用模型箱如圖5，尺寸為1 m×1 m×0.9 m，試驗用土為河砂與黏土(質量比3∶1)配制而成，含水率為20%，確保穩(wěn)定成孔。在模型箱一條對角線的1/3和2/3處，固定兩直徑100 mm的PVC管，從模型箱底部分層填土并用塑膠錘夯實，每層20 cm，填筑高度80 cm，填土完成后拔出PVC管形成孔1和孔2。試驗初始法向壓力取為50 kPa，分級增量見表2。

圖5 模型箱Fig. 5 Model box

增量等級一級二級三級四級增量應力值/kPa50100200300

2.1.2 剪切應力與剪切應變關系

定義鉆孔剪切試驗的剪切應變γ=δV/L0，其中δV為剪切位移，L0為剪切刀頭的有效剪切高度?？?和孔2的鉆孔剪切應力-應變關系曲線如圖6，室內直剪試驗的剪切位移-剪切應力曲線如圖7：

圖6 鉆孔剪切試驗應力-應變關系Fig. 6 Stress-strain relationship of borehole shear test

圖7 室內直剪試驗剪切位移-剪切應力關系Fig. 7 Shear displacement-shear stress relationship of indoor direct shear test

由圖6可知，曲線有較為顯著的峰值點，其應力-應變關系可視為軟化型，曲線大致可以分為4個階段：

1)密實階段：此階段過程較短，剪切刀頭附近土體被壓密，應力-應變曲線呈下凸形。

2)線性階段：此階段應力與應變大致呈線性關系，直到達到土體的屈服應力，這反映出周圍土體與刀頭表面土體沒有顯著錯動。

3)塑性屈服階段：此階段應力應變關系為曲線，土體出現(xiàn)塑性變形，隨著剪應力的增加，剪切面周圍出現(xiàn)微小裂縫。

4)殘余強度階段：此階段應力會有略微下降，隨著應變的增加，應力最終趨于平穩(wěn)。

由圖7可知，直剪試驗也有著類似的規(guī)律，但與鉆孔剪切試驗不同的是在破壞階段之前直剪試驗的剪切應力增速較快，曲線呈明顯上凸，這可能是剪切盒對土樣約束的影響，具體原因有待進一步分析。

2.1.3 鉆孔剪切與直剪試驗結果對比

圖8為孔1和孔2的鉆孔剪切試驗與室內直剪試驗抗剪強度。

圖8 鉆孔剪切與直剪試驗所得抗剪強度線Fig. 8 Shear strength line obtained by borehole shear test and direct shear test

根據(jù)室內直接剪切試驗和鉆孔剪切試驗所得的抗剪強度線即可得到土體的抗剪強度參數(shù)，見表3及4：

表3 室內鉆孔剪切及直接剪切試驗結果Table 3 Results of indoor bore shear test and direct shear test

表4 室內鉆孔剪切及直接剪切試驗結果平均值Table 4 Average value of indoor borehole shear test and direct shear test

由表3～表4可知，鉆孔剪切的相關系數(shù)均高于室內直剪的相關系數(shù)。4組試驗中，孔1室內直剪試驗得到的黏聚力明顯小于其余試驗結果，其原因可能是取樣過程對土體造成了較強擾動，破壞了原有的結構。鉆孔剪切試驗測得的土體內摩擦角平均值比室內直剪試驗的小10.6%，測得的的黏聚力是孔2直剪試驗所得黏聚力的40%。筆者認為，造成鉆孔剪切測得的黏聚力過小的原因可能有以下幾點：

1)模型箱中土體經(jīng)過夯實后具有明顯的各向異性，鉆孔剪切試驗是沿著豎向對土體進行剪切而室內直剪試驗則是水平向剪切土體，因此試驗結果會產(chǎn)生差異。

2)在剪切刀頭上作用剪切力之后，其應力會沿剪切方向進行消散。在本次室內試驗中，土層表面出現(xiàn)如圖9所示明顯裂縫，表明上部土體發(fā)生了松動，提供的土抗力會有所下降，這可能是造成鉆孔剪切試驗黏聚力低的原因。

3)室內直剪試驗是將試樣放入直剪盒中進行剪切，直剪盒相當于固定邊界，盒內土體受到了約束；而鉆孔剪切試驗可視為無限邊界，對剪切面附近土體不產(chǎn)生附加約束，這可能直接導致鉆孔剪切試驗結果小于室內直剪試驗。

圖9 剪切過程中的土層表面裂縫Fig. 9 Cracks on the surface of the soil during shearing

2.2 現(xiàn)場試驗

2.2.1 試驗概況

現(xiàn)場試驗主要在河南省鞏義市、平頂山市展開。鞏義與平頂山場地的試驗土層均為粉質黏土，測試深度分別為2、4、6 m和2、3、4 m，通過回旋鉆進法成孔，鉆孔豎直，實驗過程中均未見地下水，平頂山試驗場地地層鉆孔柱狀圖如圖10?？變燃羟械额^的初始法向壓力為50 kPa，加壓固結時間持續(xù)15 min，其余每級法向壓力固結時間為5 min，法向壓力分級增量見表5。固結完成后，以每秒一轉勻速轉動手柄，確保手柄轉動10圈相應的剪切刀頭向上提拉0.1 mm，直至土樣破壞，各深度處土體應力應變關系如圖11。表6為相同測點深度處土體的基本性質及室內直剪和三軸試驗結果。表7～表11為通過最小二乘法繪制摩爾庫倫破壞包線求出的黏聚力與內摩擦角結果。

圖10 鉆孔柱狀圖和靜力觸探曲線柱狀圖(平頂山)Fig. 10 Drilling histogram and static penetration curve histogram (Pingdingshan)

圖11 剪切應力-剪切應變關系Fig. 11 Shear stress-shear strain relationship

2.2.2 鉆孔剪切與直剪、三軸試驗結果對比

由表7～表11得，鉆孔剪切試驗數(shù)據(jù)的線性相關性均滿足R2大于0.98的要求，其離散性小于室內直剪快剪試驗。鉆孔剪切試驗測得的黏聚力比室內直剪試驗小30%-50%、內摩擦角小10%～25%，測得的黏聚力比室內三軸試驗小9%、內摩擦角小2%。

鉆孔剪切與直剪試驗結果的差異和前述在模型箱中進行的試驗結果類似，這進一步印證了直剪盒的固定邊界與原場地的無限邊界可能是造成此現(xiàn)象的原因。三軸試驗并未強行產(chǎn)生剪切面，相比于直剪試驗更加接近原位試驗，因此鉆孔剪切結果與三軸試驗結果差異小于與直剪試驗的差異。

表7 鉆孔剪切測試結果(鞏義)Table 7 Borehole shear test results (Gongyi)

表8 鉆孔剪切及直剪、三軸試驗結果平均值(鞏義)Table 8 Average results of borehole shear test, direct shear test and tri-axial test (Gongyi)

表9 室內直剪試驗結果(平頂山)Table 9 Indoor direct shear test results (Pingdingshan)

表10 鉆孔剪切測試結果(平頂山)Table 10 Borehole shear test results (Pingdingshan)

表11 鉆孔剪切及室內直剪試驗結果平均值(平頂山)Table 11 Average results of borehole shear test and indoor direct shear test (Pingdingshan)

3 討 論

已有的研究結果表明[12-13]：國外鉆孔剪切試驗設備測得的黏聚力較室內直剪試驗的結果低50%～100%左右，筆者自行研制的鉆孔剪切儀測得的結果比室內直剪試驗低30%～50%，這可能是因為本文儀器主要針對國內100 mm以上孔徑，因此剪切刀頭面積比國外設備大，在向上提拉的過程中，剪切刀頭表面土體與附近土體之間的剪切更為充分，因此相對來說更接近室內直剪試驗的狀態(tài)?？傮w上造成鉆孔剪切結果小于室內直剪結果的原因在前面已進行了初步探討，具體影響因素需要在后續(xù)的研究中針對不同類型的土開展試驗進行詳細分析。

雖然鉆孔剪切儀有著諸多優(yōu)點，但對難以成孔或易垮孔的土層無法進行有效測量，這也體現(xiàn)出了本套儀器的應用范圍。對于適用此儀器的土層，在進行試驗時也應注意以下幾點：

1)鉆孔時，盡量一次成孔，避免過多擾動土體。對于較深的鉆孔，若采用泥漿護壁，則需靜置一天后再進行測量。

2)不同類型土體的應力增量和使土體達到固結所需的時間應根據(jù)土質及工程經(jīng)驗進行試判。

3)判斷土樣剪切破壞的標準為：連續(xù)轉動兩次手柄時拉力值均出現(xiàn)下降或剪切刀頭向上移動超過4 mm。當出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時，應將剪切刀頭水平轉動一定角度后重新進行試驗。

4)考慮到剪切刀頭的打孔安裝空隙，以及土樣中小直徑礫石的干擾，剪切面積應乘以系數(shù)0.8。試驗要求相關系數(shù)R2大于0.98，否則旋轉探頭90°重新試驗。

4 結 論

研發(fā)了一種新型便攜式鉆孔剪切儀并制定了相關使用指南，通過現(xiàn)場試驗與室內直剪、三軸試驗對比分析，主要取得以下結論：

1)鉆孔剪切試驗測得數(shù)據(jù)的離散性比室內直剪試驗的小，證明鉆孔剪切是一種穩(wěn)定的原位試驗方法。

2)鉆孔剪切試驗儀器簡潔、操作簡單、對土體僅存在微擾動，所得黏聚力與內摩擦角分別較室內直剪試驗小30%～50%和10%～25%，比室內三軸試驗小9%和2%。

3)通過室內試驗與大量原位試驗，總結出測試過程中的應力控制、破壞判別、數(shù)據(jù)處理等方法，同時給出了相關參數(shù)的建議取值，為該方法測試規(guī)范的編寫提供參考。