張龍　于永堂　鄭建國　梁誼　王祖耀　劉愿愿

摘要： 為研究鉆孔剪切試驗在黃土中的應用效果，在西安東郊典型的Q3黃土中進行不同首級法向應力和不同法向應力增量條件下鉆孔剪切試驗。試驗結(jié)果表明，抗剪強度隨法向應力增大呈曲線形式增大，存在某一臨界法向應力值，超過該值后抗剪強度與法向應力之間呈良好的線性關(guān)系，能較好地符合摩爾－庫侖強度準則，所測得的抗剪強度參數(shù)相差較小;在分級加載試驗中，法向應力增量越小，達到同一法向應力時的抗剪強度越大;分別加載試驗與分級加載剪切試驗相比，在相同法向應力下測得的抗剪強度值偏小，隨法向應力增大，偏離程度增大;當法向應力較小時，剪切齒難以壓入硬土中，導致所測得的黏聚力偏小、內(nèi)摩擦角偏大，為此建議開發(fā)適合不同軟硬土質(zhì)的剪切板，并增加法向位移觀測系統(tǒng)，用于判斷法向應力施加過程的齒尖壓入孔壁情況。

關(guān)鍵詞： 鉆孔剪切試驗; 黃土; 法向應力增量; 首級法向應力; 抗剪強度

中圖分類號： TU197;TU413.1文獻標志碼：A 文章編號： 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

黃土在我國中西部地區(qū)廣泛分布，具有特殊成分、狀態(tài)與結(jié)構(gòu)特征，其突出特點是具有較強的水敏性和結(jié)構(gòu)性，準確獲取其抗剪強度參數(shù)對保證工程安全至關(guān)重要。目前在黃土地區(qū)的工程勘察中，抗剪強度參數(shù)測試方法包括室內(nèi)試驗和原位試驗。室內(nèi)試驗主要有三軸試驗和直剪試驗，存在應力解除、鉆探擾動、取樣擾動、運輸擾動、土樣制備擾動等不足。在原位測試方法中，大型直剪試驗主要用于淺部地層，難以在深部土層進行，隨深度增加試驗難度加大，并且費用昂貴;十字板剪切試驗只適用于測定飽和軟黏土的不排水抗剪強度參數(shù)，無法用于非飽和黃土。

鉆孔剪切試驗（Borehole Shear Test，BST），是20世紀60年代晚期美國學者提出的一種在鉆孔中獲得巖土抗剪強度參數(shù)的原位測試方法，其試驗原理詳見文獻［1］，所用設備為鉆孔剪切儀，儀器的主要構(gòu)造如圖1所示。鉆孔剪切試驗在國外已應用于黏土［2］、冰磧土［3］、海相軟黏土［4－5］等細顆粒沉積土的抗剪強度參數(shù)原位測試，美國已制定相關(guān)標準［6］。鉆孔剪切試驗的突出優(yōu)點是可以在預鉆孔內(nèi)不同深度進行原位測試，因此，在易于成孔的黃土地區(qū)是一種很有前途的抗剪強度參數(shù)原位測試方法［7］。

國外對鉆孔剪切試驗已有50余年的研究和應用歷史，然而國內(nèi)對該試驗的研究起步較晚，在工程中的應用還處于探索階段。于永堂等［8－9］曾采用美國ASTM標準［6］推薦的試驗方法，在黃土地區(qū)的非飽和黃土和飽和軟黃土中進行過應用嘗試。筆者在工程中應用時發(fā)現(xiàn)，一些試驗結(jié)果的黏聚力很小甚至為負值，與土力學基本原理不符，迫切需要找出原因。為此，本次在西安黃土地層中進行了不同首級法向應力和不同法向應力增量下的鉆孔剪切試驗，分析了加載剪切試驗方式對抗剪強度參數(shù)測試結(jié)果的影響規(guī)律，并探討了鉆孔剪切試驗數(shù)據(jù)取值對所測抗剪強度參數(shù)的影響規(guī)律。

1 研究方法

1.1 試驗場地

試驗場地位于西安市東南郊某建筑工地，鉆探揭露深度范圍內(nèi)土層為Qpd4耕植土、Qeol+el3黃土與古土壤等組成，地貌單元屬黃土梁洼。Qpd4耕植土厚度為0.4～0.6 m，其下18 m為Q3黃土層。為了保證試驗土層的均勻一致性，試驗深度均為3.0 m，試驗土層為Q3黃土層。在試驗深度處取樣測得土的基本物理力學性質(zhì)指標如表1所列。由表可知，該處的黃土含水量較小，液性指數(shù)小于0，呈堅硬狀態(tài)。

1.2 試驗方案

考慮到鉆孔剪切儀法向應力施加范圍的限制（法向應力極限為440 kPa），本次最大法向應力控制在310 kPa。具體試驗方案如表2所列。

表2中含A、B兩組試驗，均采取分級加載剪切試驗方式（即在同一測試點分級施加不同的法向應力進行剪切試驗）。A組共包含13個試驗，法向應力范圍為10～310 kPa，首級法向應力范圍為10～250 kPa，法向應力增量均為20 kPa，用于分析首級法向應力對抗剪強度測試結(jié)果的影響。B組共包含2個試驗，法向應力增量分別為40 kPa、60 kPa，與A組中A1號試驗結(jié)果進行對比，用于分析法向應力增量對抗剪強度測試結(jié)果的影響。此外，利用A組中A1～A13的首級法向應力下的抗剪強度試驗結(jié)果可得到分別加載剪切試驗方式（即在不同測試點分別施加不同法向應力進行剪切試驗）的抗剪強度試驗結(jié)果。

1.3 測試方法

試驗所用鉆孔直徑為76～78 mm，為了減小對孔壁的擾動，同時又能夠滿足試驗要求，成孔時利用直徑為115 mm的鉆具鉆至試驗點上方1.0 m處，再利用外徑為76.2 mm、厚度為1.8 mm的薄壁取土器分段壓至試驗深度，每段壓入深度不大于30 cm。成孔過程如圖2所示。為了避免試驗深度處的孔壁受擠壓，將薄壁取土器由原來刃角外傾斜改造為內(nèi)傾斜。成孔后，在孔口處進行臨時封堵，避免因水分散失影響試驗結(jié)果。為了減小土性差異給試驗帶來的誤差，本試驗所用鉆孔的縱橫間距均為1.0 m，呈矩形分布，鉆孔共計20個，其中5個備用孔、鉆孔分布及編號如圖3所示。本次試驗中首級法向應力固結(jié)15 min，分級法向應力固結(jié)5 min，剪切速率為0.05 mm/s（曲柄轉(zhuǎn)速為2 r/s）。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同首級法向應力的分級加載剪切試驗

在A組試驗中，典型試驗點的法向應力與抗剪強度關(guān)系曲線如圖4所示。

由圖4可知，不同首級法向應力下分級加載剪切試驗的法向應力與抗剪強度關(guān)系曲線在整個法向應力加載區(qū)間內(nèi)呈曲線形式增大，當法向應力超過一定數(shù)值后斜率變小。為進一步分析該臨界值前后所測抗剪強度參數(shù)的變化，分別依次選取相鄰5個試驗點，對不同法向應力選取段的抗剪強度參數(shù)進行統(tǒng)計。為了減少篇幅，這里只列舉首級法向應力為10 kPa的試驗結(jié)果（圖5和表3）。

由圖5可知，隨著首級法向應力的增大，所測得的黏聚力增大，而內(nèi)摩擦角減小，存在一個“臨界法向應力值”（該值出現(xiàn)在90 kPa），當超過該臨界值時（孔壁土體在法向應力作用下未達到塑性破壞），抗剪強度與法向應力之間呈良好的線性關(guān)系，較好地符合摩爾－庫侖強度準則，且所測的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化較小。此時A7與A9與表1中的室內(nèi)直剪試驗對比發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)直剪試驗的黏聚力略高于鉆孔剪切試驗，但內(nèi)摩擦角低于鉆孔剪切試驗。

2.2 不同法向應力增量的分級加載剪切試驗

不同法向應力增量下的分級加載剪切試驗結(jié)果如圖6所示。如圖所示，隨著法向應力增加，曲線斜率逐漸減小，不同法向應力增量下的法向應力與抗剪強度關(guān)系曲線發(fā)展趨勢總體相似，但法向應力增量越小，曲線斜率變化越大。法向應力增量較小的試驗組與增量較大的試驗組相比，當法向應力相同時，測得的抗剪強度呈現(xiàn)出前者總體大于后者的特征。這主要是因為當法向應力增量較小時，達到相同法向應力值所需的加載次數(shù)增多，試驗點處土體在多級法向應力作用下固結(jié)的時間更長，孔隙比更小，密實度更大，因此抗剪強度也越大。

2.3 不同首級法向應力的分別加載剪切試驗

將A1～A13不同首級法向應力作用下的試驗數(shù)據(jù)繪制分級加載剪切試驗的法向應力與抗剪強度關(guān)系曲線如圖7所示。利用A組中A1～A13的首級法向應力下的抗剪強度試驗結(jié)果，可得到分別加載剪切試驗方式（即在不同測試點分別施加不同法向應力進行剪切試驗）的抗剪強度試驗結(jié)果。首級法向應力下的抗剪強度值基本位于其他分級加載剪切試驗達到相同法向應力時所測抗剪強度值的下方，并且隨法向應力的增大，其偏離程度有增大的趨勢。在分級加載剪切試驗中，隨首級法向應力的增大，土體逐漸被壓入齒槽內(nèi)，若剪切齒槽內(nèi)充滿土體后，繼續(xù)增大法向應力，剪切齒難以更加深入地嵌入土體內(nèi)部，新增加的法向應力若無法使土體產(chǎn)生同增量的咬合作用，也就難以帶動齒尖下部土體形成新的剪切破壞面，此時部分剪切破壞會沿著上一級法向應力下形成的剪切面發(fā)生，此時的強度則主要為土體內(nèi)部產(chǎn)生的摩擦效應。分別加載剪切試驗不需要考慮分級加載過程的法向壓力增量對試驗結(jié)果的影響，且每次試驗的剪切面均在新位置進行，因此能夠準確反映土層的黏聚效應和摩擦效應。從試驗數(shù)據(jù)的分布特征可知，分級加載剪切試驗與分別加載剪切試驗相比，黏聚力偏小，內(nèi)摩擦角偏大。

3 討論

為了保證能夠準確獲得土體的抗剪強度參數(shù)，而非齒尖與土體之間的摩擦破壞，鉆孔剪切試驗的法向應力施加后，應保證齒尖有足夠的嵌入深度，并保證孔壁剪切面處的土體固結(jié)穩(wěn)定。由前文可知，試驗點處的黃土含水量較小，液性指數(shù)小于0，呈堅硬狀態(tài)，當法向應力較小時，剪切齒難以壓入土中，此時所測的抗剪強度值主要是摩擦效應，黏聚效應偏低，進而導致所測得的抗剪強度參數(shù)中黏聚力明顯偏低，內(nèi)摩擦角明顯偏大。因此，針對較硬狀態(tài)黃土需要對鉆孔剪切儀的剪切板構(gòu)造進行改進，以使剪切齒能夠在法向應力范圍內(nèi)被壓入土體。Yang等［10］發(fā)現(xiàn)剪切齒的角度和間距對測試效果具有重要影響。因此，在未來對鉆孔剪切儀的改進時，可考慮針對不同軟硬程度的土層配套不同規(guī)格的剪切板。例如，當土層硬度較大時可減小齒角度、增大齒間距;當土層較軟時則反之。為分析法向應力與抗剪強度關(guān)系曲線的變化過程，繪制分級加載剪切試驗過程剪切齒壓入孔壁土體的過程示意如圖8所示，圖中剪切齒之間的黑色圓粒的密度代表了進入齒槽內(nèi)土顆粒的數(shù)量。

在達到臨界法向應力之前，隨著加載次數(shù)的積累，剪切齒之間的土體逐漸由少變多，由疏變密，剪切齒壓入土的深度由淺變深，如圖8中（a）～（c）的變化過程。在此過程中，法向應力主要由齒尖與土體的接觸面位置承擔，存在應力集中現(xiàn)象，剪切板下應力分布極不均勻，剪切板對土體的剪切類似于土體表面的刮擦，不能形成連續(xù)的破壞面，與鉆孔剪切試驗的要求不符［1］。當法向應力積累到一定程度，齒槽內(nèi)的土體很難繼續(xù)增多，剪切齒壓入土的深度也很難繼續(xù)增加，這時基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，如圖8中（c）～（e）的變化過程。此過程中，齒槽內(nèi)土體逐漸密實，法向應力可通過該部分土體傳遞給孔壁原狀土體，剪切板下應力分布逐漸均勻，能夠帶動齒尖下部土體形成連續(xù)的破壞面，逐漸符合鉆孔剪切試驗的剪切破壞條件?？梢姡麄€剪切過程反映在測試結(jié)果中，即在臨界法向應力之前，隨著法向應力的增大土的抗剪強度提高較快，當超過臨界法向應力，但小于臨塑應力時曲線斜率基本穩(wěn)定。傳統(tǒng)鉆孔剪切試驗儀不具備觀測法向位移和剪切位移功能，這主要帶來以下兩個問題，一是無法繪制法向應力與法向位移曲線、剪切應力與剪切位移曲線;二是無法評估試驗過程中土體固結(jié)及齒尖嵌入深度情況。因此，可建議在鉆孔剪切儀上增加法向位移觀測系統(tǒng)。

4 結(jié)論

（1） 鉆孔剪切試驗的抗剪強度隨法向應力增大呈曲線形式增大，存在某一臨界法向應力值，超過該值后抗剪強度與法向應力之間呈良好的線性關(guān)系，較好地符合摩爾－庫侖強度準則。

（2） 法向應力增量較小的試驗組與法向應力增量較大的試驗組相比，逐級加載達到相同的法向應力時，前者的固結(jié)時間更長，試驗測得的抗剪強度前者總體大于后者。

（3） 分別加載試驗各級法向應力的抗剪強度值基本位于分級加載剪切試驗達到相同法向應力時所測抗剪強度值的下方，并且隨法向應力的增大，其偏離程度有增大的趨勢。

（4） 現(xiàn)有鉆孔剪切儀用于較硬土體的抗剪強度測試時，在較小的法向應力下剪切板齒尖難以壓入土中，導致測得的黏聚力偏小、內(nèi)摩擦角偏大。為此，建議未來開發(fā)適合不同軟硬程度土質(zhì)的剪切板，并增加法向位移觀測系統(tǒng)，用于判斷法向應力施加過程中齒尖壓入孔壁情況。

參考文獻（References）

［1］HANDY R L，F(xiàn)OX N S.A soil bore－h(huán)ole direct shear test device［J］.Highway Research News，1967（27）：42－51.

［2］LOHNES R A，HANDY R L.Slope angles in friableloess［J］.The Journal of Geology，1968，76（3）：247－258.

［3］LUTENEGGER A J，REMMES B D，HANDY R L.Borehole shear test for stiffsoil［J］.Journal of the Geotechnical Engineering Division，1978，104（11）：1403－1407.

［4］HANDY R L，SCHMERTMANN J H，LUTENEGGER A J.Borehole shear tests in a shallow marine environment［J］.Geotechnical Engineering，1985（1）：140－153.

［5］DRNEVICH V P，LUTENEGGER A J，DA T M.Reproducibility of borehole shear test results in marine clay［J］.Geotechnical Testing Journal，1987，10（1）：13－18.

［6］DRNEVICH V P，ASTM S S D.Suggested method for performing the borehole shear test［J］.Geotechnical Testing Journal，1987，10（1）：19－25.

［7］化建新，鄭建國.工程地質(zhì)手冊［M］.第五版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018：257－259.

HUA Jianxin，ZHENG Jianguo.Geological engineering handbook［M］.5th ed.Beijing：China Archtecture and Building Press，2018：283－284.

［8］于永堂，鄭建國，劉爭宏，等.鉆孔剪切試驗及其在黃土中的應用［J］.巖土力學，2016，37（12）：3635－3641，3649.

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，高遠.土體抗剪強度參數(shù)的鉆孔剪切試驗方法初探［J］.巖土工程技術(shù)，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.

（本文編輯：張向紅）

收稿日期：2021-10-07

基金項目：國機集團重點研發(fā)項目（SINOMACH 2017科249號）；陜西省創(chuàng)新能力支撐計劃項目（2018KJXX－001）

第一作者簡介：張 龍（1988-），男，碩士，主要從事非飽和土與特殊土力學及工程、巖土工程測試技術(shù)的研究工作。E－mail：709194126@qq.com。

通信作者：于永堂（1983-），男，博士，主要從事巖土工程測試與裝備、特殊土工程性質(zhì)評價與地基處理技術(shù)的開發(fā)與應用研究。

E－mail：yuyongtang@126.com。