西安临潼黄土原位钻孔剪切试验研究

王刚++严明

摘 要：在工程建设中，非饱和土体的抗剪强度值以及内摩擦角的求取具有重要意义。为了精确求得该值，现在常用的方法有室内土工试验及原位试验。相对室内试验，原位试验能够最大限度的保持土的原位状态，并且受剪面非人为选取，试验所得数据更具有代表性。文章介绍一种原位钻孔剪切试验，利用美国生产的BST原位钻孔剪切仪来实地测定土的抗剪强度。主要介绍试验装置、工作原理、操作步骤及结论和建议，为原位求得内聚力及内摩擦角提供了新的思路和方法。

关键词：钻孔剪切试验；剪切强度；原位测试

1 概述

非饱和黄土内聚力的选取及确定在工程应用上的重要性不言而喻，目前求得该值的方法一般分为室内土工试验以及原位测试。相比于室内试验，原位测试由于在现场进行，不存在运输过程中轻微扰动的影响，不存在含水率及容重的变化，能够保持土体天然结构及状态，因而更能反映其真实抗剪强度。

20世纪八九十年代，R.L.Handy[1]在多年的岩土体工程力学特性求取经验的基础上，研发出了一种钻孔剪切仪，在现场钻孔就能进行岩体直剪试验，不仅能进行土体试验，还能适用于软～中硬且较为完整的岩土体中。由于其快速并且不同角度获得剪切参数的特性，该项技术迅速扩展开来。法国、美国等国家已成功的将钻孔剪切试验应用于沙土、淤泥、海相软黏土、粘土、硬粘土的抗剪强度参数选取中，同时也应用于分析高边坡稳定性及桩基承载力等。

2009年，中国水利水电科学研究院成功引进了爱荷华大学研制的岩石钻孔剪切仪，在实验室里对混凝土模型进行了钻孔剪切试验，并利用数值模拟仿真工具对钻孔剪切仪试验机制进行了细致的分析，进而成功地应用于向家坝水电站坝基岩体中[2]。文章着重介绍原位钻孔剪切仪的使用、试验原理以及数据处理等，并在临潼非饱和黄土场地进行应用尝试。

2 试验原理及方法

2.1 基本原理

（1）库伦公式。库伦将土的抗剪强度指标概括为滑动面上的法向总应力的函数，公式如下所示：

库伦理论中土体的抗剪强度影响因素主要为土的内聚力及内摩擦角。上述公式可知无粘性土的抗剪强度主要取决于土粒表面的粗糙程度以及土粒交错排列的情况。对粘性土则相对复杂，抗剪强度由凝聚分量以及摩擦分量两部分组成[3]。

2.2 试验原理

钻孔剪切仪示意图见图1，加压装置用液压千斤顶或手动加压来施加正应力，其中主要装置为剪切头（见图2），由两块弧形半圆剪切板构成，大小2.5cm×2.0cm，剪切板外侧有一排水平齿状突起，剪切板内部有带动其扩张和回缩的活塞。使用时加压，使活塞带动剪切板向外扩张，嵌入钻孔两侧岩土体中，嵌入面积约4cm2，然后施加垂直法向力使其向上滑动，从而形成剪切作用。

原位钻孔剪切试验其实就是沿着两侧薄层岩片的强制直剪破坏试验。试验中，剪切板嵌于岩土体中的面积为A，法向力和连杆的提拉力分别为P和T，则其正应力和剪应力分别为

钻孔剪切过程中，每一剪切完成，卸除剪应力，对孔壁施加更大的固结应力，重复上述剪切工作，每次施加一个法向应力就对应一个抗剪强度。根据以往的数据处理方法，采用最小二乘法来绘制关系曲线图来求取抗剪参数。

式中n 为所做直剪试验组数；f内摩擦因数；c黏聚力；？滓i、？子i分别为各直剪试验正应力与剪应力[4]。

3 成果分析

3.1 土的基本物理性质

此处为黄土高原南部边缘地带。该处位于渭河河流阶地，古土壤界限清晰，发育完整，较完成的保存了全新世以来的环境信息，因而具有代表性[5]。本次试验场地表层浮土约厚5cm，呈疏松状，有砖块或混凝土杂质，人类活动明显。第2层为棕红色土壤，异常坚硬，亚砂土质，大空隙少，土体呈棱柱状，偶含铁质粘土胶膜，厚约0.4m。第3层为灰黄色黄土，松散状，硬度减小，发育有不规则团粒，偶见菌丝状CaCO3，厚度约为1.3m，本次试验集中在此层。钻孔实拍图见图3。

3.2 试验结论

利用BST原位钻孔剪切仪对西安临潼地区黄土进行原位钻孔剪切，试验结果分析整理见图4。

试验过程中，各级压力下剪切耗时约2min，当位移为2mm左右时，剪切应力达到峰值，继续剪切则应力变小，形成一个较稳定的残余强度。根据相关系数可以看出法向压力与剪切应力的相关性较好，位于同一土层且含水率接近的试验点，数据离散性较小。由于本次试验试验深度相对较小，研究范围内无锁孔现象。钻孔剪切试验结果显示，该处黄土内聚力均在10KPa左右，内摩擦角在24°左右。在成孔质量较高的黄土地层，同一深度不同方向，不同深度之间均可以快速取得大量可靠数据，绘制图形后即可分析得出强度参数，从而在实际中运用中为原位测试提供了新的途径。

4 结论及建议

4.1 结论

（1）根据本次临潼黄土试验结果可知，钻孔剪切的法向压力与剪切应力之间相关性好，通过拟合方法可快速确定非饱和黄土体的抗剪强度参数，可在较小范围内得到大量试验数据。

（2）BST原位钻孔剪切仪适用于各种黄土类型的黄土原位钻孔剪切试验，钻孔和剪切面可以按照实验方案来设计，可以容易的测得原位黄土的抗剪强度参数。

（3）剪切强度与钻孔深度基本呈正相关，内聚力离散性比内摩擦角大。

（4）黄土原位钻孔剪切仪可以在打钻完毕后立即开始试验，因而效果好，并且可以测得不同深度数据点，也就是较短时间可以测得较多数据点，可以用统计方法来确定最终强度。

4.2 建议

（1）钻孔钻进过程中一定要保持钻孔的垂直度，不然剪切时容易造成剪切面过小等原因导致数据不够准确。

（2）剪切试验操作时应该准确，迅速，因为剪切板上齿嵌入土体中会影响土壁完整性，进而影响试验结果。

（3）现有钻孔剪切试验尚无法量化排水条件（如排水、不排水、部分排水）以及剪切过程的孔压变化对求取黄土体抗剪强度参数的影响。因此若能在这些方面改进该试验仪器，那么试验结果定能更加实用有效。

参考文献

[1]HANDY R L，PITT H H，ENGLE L E，et al. Rock borehole shear test[C]//Proceedings of the 17th Symposium on Rock Mechanics. Snowbird，Utah：[s. n.].1986：1-11.

[2]中国水电顾问集团中南勘测设计研究院.向家坝水电站二期工程坝基工程地质条件复核评价专题报告[R].长沙：中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，2009.

[3]常士骠，张苏民.工程地质手册[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2006：252.

[4]贾志欣，汪小刚，赵宇飞.岩石钻孔原位测试技术的应用与改进[J].岩石力学与工程学报，2013，32（6）：1264-1269.

[5]刘琳.临潼区地质灾害危险性分区与评价[D].西安：西安科技大学，2008.

作者简介：王刚，男，河南郑州人，成都理工大学在读硕士，地质工程专业，主要从事地质灾害评价与预测工作。