黄土钻孔剪切特性影响因素分析_于永堂.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：陕西省秦创原“科学家工程师”队伍建设项目（）；陕西省重点研发计划项目（）；国机集团重点研发项目（科）；陕西省青年科技新星计划项目（）作者简介：于永堂（），男，辽宁鞍山人，正高级工程师，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工作。：，（）：黄土钻孔剪切特性影响因素分析于永堂，朱建民，郑建国，徐文涛，张 龙，黄晓维（中联西北工程设计研究院有限公司，西安；西安建筑科技大学 土木工程学院，西安；机械工业勘察设计研究院有限公司，西安）摘 要：为指导钻孔剪切试验在黄土地区的应用，利用改进的 钻孔剪切仪研究了典型西安 黄土的钻孔剪切特性，探讨法向应力范围、加载剪切方式、剪切速率等因素对试验结果的影响规律。试验结果显示：当法向应力控制在初始应力和临塑应力范围内，抗剪强度与法向应力之间能较好地符合摩尔库伦破坏准则；当法向应力小于初始应力时，试验求得的黏聚力偏小甚至为负值，内摩擦角偏大；当法向应力超过临塑应力后，试验得到的黏聚力偏大，内摩擦角偏小；分别加载剪切法与分级加载剪切法测得的抗剪强度参数相差不大；当首级法向应力固结、分级法向应力固结 时，法向位移速率均 ，该值可作为固结变形稳定的判定依据；当剪切速率为 时，抗剪强度指标的测试结果相差较小。上述钻孔剪切特性影响因素的试验结果可作为试验操控和数据处理的参考依据。关键词：黄土；钻孔剪切试验；剪切特性；抗剪强度参数；法向应力中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，）：，：；第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 研究背景在基础设施大力建设的今天，工程数量越来越多、规模越来越大，所涉及的岩土工程问题也越来越复杂，为了保证工程安全，需要准确掌握岩土体的工程性质。土的抗剪强度参数是岩土工程设计的重要依据，是确定地基承载力、挡土墙土压力以及进行边坡稳定性分析等工作的基础，其取值直接关系到工程的经济与安全。土的抗剪强度参数测试方法可分为室内试验和原位试验两类：室内试验虽然具有试验条件的可控性和建立在此基础上的计算理论比较清晰的优点，但试样体积小、代表性差，采样、运输和制样过程中均容易导致应力释放和土体结构受损，试验过程中的应力环境与土样赋存的地质环境差异较大，所以室内试验所测结果难以准确反映土体真实的抗剪强度；原位试验可以在难于取得原状样的岩土层中直接测定其力学参数，能够避免取样、运输和制样过程中应力释放的影响，具有测试范围大、代表性强等优点。沈珠江曾指出“要取得可靠的土质参数，只有通过原位测试”。目前工程上用于测定土体抗剪强度参数的代表性原位试验方法有大型直剪试验、十字板剪切试验等直接方法，还有通过扁铲侧胀试验、标准贯入试验和静力触探试验等间接方法。大型直剪试验的费用高、周期长、受场地限制大，且在深部土层中试验较困难；十字板剪切试验仅适合于测定饱和软黏土的不排水抗剪强度，难以用于较硬土层，适用范围有限；扁铲侧胀试验、标准贯入试验、静力触探试验是参考借鉴以往积累的经验关系来确定土的抗剪强度参数，不是对土体抗剪强度参数的直接测试，准确性难以保证。鉴于现有室内和现场试验方法的局限性以及经验方法的人为性等问题，岩土工程领域亟待寻找和研究一种能快速、简易和较可靠地确定土体抗剪强度参数的原位测试方法，以弥补现有原位试验的局限性和室内试样易受扰动、代表性差等问题。世纪 年代晚期，美国学者 等提出了一种利用地质勘探孔测定岩土体抗剪强度参数的钻孔剪切试验方法，该方法可用于深部地层，硬度较大土体，弥补了已有方法的不足，在国外已被用于各类细颗粒土的抗剪强度参数测试，所测参数被用于边坡稳定性分析、土混凝土界面特性的影响规律研究和摩擦桩荷载传递分析，并已形成了操作技术标准。近年，钻孔剪切试验被介绍至国内，逐渐受到岩土工程界的广泛关注。工程地质手册（第五版）指出“其最大的优点是操作简单、可重复性高钻孔剪切试验在软岩体中有少量的实用报道，另外在黄土地区进行过一些现场测试”。笔者曾采用重塑黄土揭示了钻孔剪切变形与强度特性。由于国内对钻孔剪切试验的研究工作才刚刚起步，对如何进行试验才能获取准确可靠的抗剪强度参数仍缺乏认识，工程应用时经常出现测试结果明显不合理等问题，导致该技术虽然被大家认为应用前景好，但却迟迟未能在我国大范围推广。本次采用改进的 钻孔剪切仪，在西安典型黄土中进行了现场试验，探讨了法向应力范围、加载剪切方式、分级法向应力增量和剪切速率等因素对试验结果的影响规律。以期为钻孔剪切试验操作方法、数据处理和成果应用提供参考。剪切板试验孔拉杆剪切应力表法向压力表液压传力装置气管环形齿轮拉杆夹钳曲柄扭力臂数据采集器法向位移传感器储气瓶压力控制台剪切位移传感器笔记本电脑(a)试验原理(b)图 钻孔剪切试验原理及仪器 试验概况 试验原理及试验设备钻孔剪切试验测试原理及试验仪器如图 所示。试验时，剪切头通过拉杆放入钻孔内的预定试验深度处，采用拉杆夹钳固定好拉杆，使剪切头自由地悬挂在钻孔中心，而后施加膨胀压力使活塞推动剪切板扩张，对孔壁施加法向力，使土体固结稳定；然后转动曲柄向上提升拉杆，从而对剪切板下部的土体施加剪切力，当剪切位移达到一定值后，剪切板下部土体与孔壁土体发生直接剪切破坏。第 期于永堂 等 黄土钻孔剪切特性影响因素分析剪切过程中观察剪切应力仪表的数值变化，读取每级法向应力下的抗剪强度值，根据摩尔库伦强度准则有 。（）式中：为第 级法向应力（）；为 对应的抗剪强度（）；为黏聚力（）；为 内 摩 擦角（）。采用最小二乘法对多组（一般 组）抗剪强度值和法向应力值进行线性回归，求得黏聚力 和内摩擦角 值。钻孔剪切仪的剪切板为圆弧形，外侧面带圆弧形板齿，剪切板尺寸为弧长（）板高（）；法向应力、剪切应力的可控范围分别在 、之间。本次对传统的 钻孔剪切仪进行改进，增加了法向位移和剪切位移传感器，其中法向位移传感器的量程为 ，线性精度为，剪切位移传感器的量程为 ，线性精度为。02 04 06 08 01 0 00.0 0 10.0 1 00.1 0 01.0 0 0/%/m m图 颗粒分析曲线 试验方案及方法试验场地位于西安市西北部的黄土塬，场地地势平坦，经现场钻探揭露，土层自上而下分别为 黄土、黄土和古土壤、黄土和古土壤。为排除地层中土质差异对试验结果的干扰，所有的试验均在土质较为均匀的 黄土中进行，试验深度范 围 为 ，通过室内试验得到 黄土的颗粒分析曲线如图 所示，不均匀系数 ，曲率系数，平 均 粒 径。本次钻孔剪切试验采用分别加载剪切法（，简称 法）和分级加载剪切法（，简称 法）两种试验方式。试验钻孔采用外径 的薄壁取土器静压成孔。每级法向应力施加后，法向位移稳定标准为法向位移速率 。本次剪切试验采用位移控制模式，试验剪切速率为 （转速为 ），剪切位移在 以内且剪切应力表读数出现峰值或稳定值时停止剪切，若无明显峰值（不出现剪切应力表读数断崖式减小）或稳定值时，则继续剪切，直至剪切位移超过 后停机，取剪切位移为（，为试样剪向高度，即剪切板高度）时的剪切应力作为抗剪强度。试验结果与分析 黄土钻孔剪切的变形曲线特征 法向位移曲线特征为分析不同法向应力作用下的法向应力与法向位移关系曲线特征，本次在试验深度 处分级连续施加法向应力，观测每级法向应力施加后的法向位移，绘制法向应力与法向位移关系曲线如图 所示。由图 可知，当法向应力 时，曲线呈下凹形，变形速率随法向应力增大而减小，该阶段变形主要为剪切板侧面弧形板齿刺入孔壁导致的变形和部分齿尖下部土体在法向应力作用下的压缩变形；当法向应力在 之间变化时，法向位移随法向应力增加而呈近似线性增大，主要表现为弹性（准弹性或似弹性）变形特征；当法向应力超过 时，变形速率开始剧烈增加，曲线形态呈上凹形，主要表现为塑性变形特征。012345675 01 0 01 5 02 0 02 5 0法向位移sh /m m图 法向应力与法向位移关系曲线 当采用 法试验时，典型试验 的法向位移与位移速率的历时曲线如图 所示。由图（）可知，由于每级法向应力施加后，首先发生齿尖的刺入变形，而后发生齿尖下部土体的压缩变形，因此法向位移曲线具有明显的瞬时变形和主固结变形，法向位移曲线随时间增加逐渐趋于平缓。由图（）可知，不同法向应力作用下的法向位移速率历时曲线几乎重合，表明固结过程具有较高的相似性。法向位移速率随时间增加而降低的变化过程包括 陡降段，快降段，缓降段，趋稳段。当采用 法试验时，固结时间 后，法向位移速率 ；当固结时间 后，法向位移速率 。当采用 法试验时，典型试验 的法向位移与位移速率历时曲线如图 所示。由图（）可知，首级法向应力作用下的法向位移量明显高于后续各级法向应力，这主要是齿尖下部土体经过前一级法向应力的压密作用，后续分级法向应力作用下的法 长江科学院院报 年 0.81.62.43.20/k P a0.81.62.43.24.0051 01 53 55 57 59 51 1 5t/m i n(b)51 01 5t/m i nsh/m m(a)vh /(m m m i n-1)4.0图 法的法向位移与法向位移速率历时曲线 向位移较 法明显降低。由图（）可知，法的法向位移速率随时间的变化过程与 法类似，但不同法向应力作用下的法向位移速率降低的快慢程度有所不同，法向应力越大，变化过程越平缓。当采用 法试验时，分级法向应力固结 后，法向位移速率 ，表明法向位移的变化过程具有一定时间累积效应。按照美国标准建议的固结时间控制标准，在钻孔试验中单级法向应力固结时间一般为 、分级法向应力固结时间一般为 时，本次通过观测得到对应的法向位移速率均 ，该值可作为固结变形稳定判别的重要参考。0.20.40.60.81.01.203691 20.20.40.60.81.01.203691 22 0/k P a5 08 01 1 01 4 0t/m i n(a)sh /m mt/m i n(b)vh /(m m m i n-1)图 法的法向位移与法向位移速率历时曲线 剪切位移曲线特征当法向应力在似弹性变形段（）内，剪切应力与剪切位移关系曲线如图 所示。在 法的各级法向应力或 法的首级法向应力作用下，剪切应力曲线呈缓变型增大，曲线常没有明显的峰值，呈现应变硬化，但是当剪切位移增大至一定程度后，会达到一个相对稳定值。在 法的分级法向应力作用下，关系曲线在剪切力施加初期出现短暂的上凹形态，该变形主要是仪器构件的拉紧变形，而后转为近似线性变化，该变形主要是黄土中孔隙减少引起，随剪切位移量的增加，剪切应力逐步增大，土体逐渐密实，此时受剪土层中任意点产生的剪切应力小于黄土的抗剪强度。随着剪切/k P a02 04 06 08 01 0 01 2 024684 05 57 08 51 0 002 04 06 08 01 0 01 2 03691 23 04 08 0sv /m m(a)S T sv /m m(b)MT 1 2 01 4 0/k P a图 剪切应力与剪切位移关系曲线 力增大，关系曲线的斜率 逐渐减小，进入平缓发展阶段，该阶段在剪切板的边缘已有小范围、局部的剪切应力达到或超过了黄土的抗剪强度，并逐渐向试样中间区域发生剪切破坏（产生塑性变形区），变形由黄土中孔隙的压缩和土颗粒剪切错动、翻转引起，且剪切应力值伴随着剪切位移的增大发生轻微波动，此时发生局部剪切破坏，此阶段土体表现出剪切变形增长较快，但剪切强度增长缓慢的特征，土体变形主要表现为塑性流动，应力展示出弱强化的趋势。随着剪切位移继续增大，关系曲线达到峰值或剪切位移达到 后，随着剪切位移的持续快速增大，剪切应力出现轻微下降的趋势，可推断出此时土体中已形成上下连续的剪切破坏面，剪切破坏面内每点的剪切应力均达到甚至超过土体的抗剪强度，此时所测的抗剪强度主要源自剪切齿尖下部剪切破坏面上的摩擦力，土体剪切变形主要源于土颗粒的磋磨、滑移、翻滚。法向应力范围对试验结果的影响在深度范围为 的 黄土中，不同法向应力作用下，采用 法和 法两种试验方式，得到抗剪强度与法向应力关系曲线如图 所示，根据摩尔库伦强度破坏准则，对钻孔剪切试验数据采用最小二乘法线性回归处理的结果如表 所示。由图 及表 可知，当法向应力 时，处于刺入变形段范围内，测得的抗剪强度明显偏小，此时计算求得的黏聚力很小甚至为负值（见表 中带数据）；当法向应力在 之间变化时，处于似弹性变形段范围内，抗剪强度与法向应力之间呈近似线性关系，能较好地满足摩尔库伦强度破坏准则；当法向应力超过 后，进入塑性变形段，与似弹性变形段相比，相同法向应力增量引起的抗剪强度增量明显降低，计算求得的黏聚力偏大，内摩擦角偏小。由以上分析可知，不同法向应力段内的钻孔剪切试验数据，虽然采用最小二乘法线性回归后的决 第 期于永堂 等 黄土钻孔剪切特性影响因素分析4 08 01 2 01 6 005 01 0 01 5 02 0 0/k P a04 08 01 2 01 6 05 01 0 01 5 02 0 0/k P a(a)S T /k P a/k P a(b)MT 注：为首级法向应力，为分级法向应力增量。图 不同法向应力时的钻孔剪切试验曲线 表 不同法向应力时的钻孔剪切数据处理结果 试验方法试验编号含水率 干密度（）塑性指数 液性指数深度 首级法向应力 分级法向应力增量 终级法向应力 黏聚力 内摩擦角 （）决定系数 法 法定系数 均高于，但若法向应力区间选择不对，也不能真实反映土的抗剪强度参数，因此不应将决定系数 作为判断测试结果好坏的唯一依据。钻孔剪切特征与土与结构物接触面剪切特征类似，当施加的法向应力过小时，剪切齿与孔壁土体的咬合力有限，剪切时会在齿尖处发生嵌入齿槽内土体的剪断，而后在齿尖处发生滑动摩擦，此时因缺少了黏聚力，抗剪强度偏小；若法向应力过大，超过临塑应力后，会在齿尖下部形成塑性区，剪切时会在塑性区发生破坏，也会导致抗剪强度偏小，采用该阶段数据计算抗剪强度参数会导致黏聚力偏大，内摩擦角偏小；只有当法向应力控制在似弹性变形段范围内时，才能保证齿尖咬合带动下部土层在土体内部产生剪切破坏。加载剪切方式对试验结果的影响由于试验深度接近，试验土层的土质相同，为此将法向应力范围为 之间的钻孔剪切试验结果，采用总体破坏包线法进行处理，绘制抗剪强度与法向应力关系曲线如图 所示，分别得到采用 法和 法测得的黏聚力为、，内摩擦角为、，由此可知，两种试验方式测得的抗剪强度参数差异较小。03 06 09 01 2 01 5 05 01 0 01 5 0S TMT图 钻孔剪切试验的总体破坏包线 在深度 范围内取 原状土样，通过室内直剪快剪、固结快剪试验测得的黏聚力分别为、，内摩擦角分别为、；三轴固结不排水剪的黏聚力为，内摩擦角为。通过对比可知，在钻孔剪切试验所测的抗剪强度参数中，黏聚力高于直剪快剪，但小于直剪固结快剪和三轴不排水剪，内摩擦角均高于室内试验结果。上述两种试验方法中，法的剪切过程与室内直剪试验过程最为类似，每级法向应力的剪切破坏后，均需要从钻孔中取出剪切头，清理干净齿槽内的土体后，重新放入孔中新试验位置，无需考虑分级法向应力 长江科学院院报 年 增量是否能形成新的剪切破坏面。但是由于 法每级法向应力的测试位置不同，可能存在土质和结构的变化，且每级法向应力试验结束后，均需从试验孔中取出剪切头，清理齿槽中土体后，再次放入试验孔中，重新加载剪切，会导致一组试验所需的时间较长。法每级法向应力的剪切破坏后，不需要从钻孔中取出剪切头，卸除剪切应力后，因此与 法相比，效率明显提高。法向应力增量对试验结果的影响为分析在 法试验中，法向应力增量对试验结果的影响规律，在深度 处，进行了首级法向应力为 ，分级法向应力增量为 的钻孔剪切试验，得到抗剪强度与法向应力关系曲线如图 所示，对试验数据采用最小二乘法线性回归处理结果如表 所示。04 08 01 2 01 6 03 06 09 01 2 01 5 0图 不同法向应力增量时的钻孔剪切试验曲线 表 不同法向应力增量时的钻孔剪切数据处理结果 试验编号（）（）由图 和表 可知，当法向应力增量在 之间变化时，抗剪强度参数变化相差不大，但是当法向应力增量在 之间变化时，计算求得的黏聚力明显增高，内摩擦角明显降低，表明法向应力增量不能过小，否则会导致新增加的法向应力难以形成新的剪切破坏面。此时所测抗剪强度主要来源于剪切破坏面的摩擦力，导致后续分级法向应力下的抗剪强度值偏低，进而计算求得的抗剪强度参数会出现黏聚力偏高、内摩擦角偏低。法向应力增量也不能过大，过大的法向应力增量会导致过早的进入塑性区，数据点难以达到抗剪强度参数求解的数据量。剪切速率对试验结果的影响根据文献，钻孔剪切速率控制在 （对应 ），但由于采用人工操作，不同人操作的剪切速率可能存在差别。本次在深度 的黄土中，位试验员、分别完成了一组（个数据点）试验，剪切速率分别为、，不同剪切速率时的钻孔剪切试验曲线如图 所示。由图 可知，当剪切速率由 增大至 时，会引起抗剪强度略有增大，求得的黏聚力 分别为、，内摩擦角 分别为、，由此可知，当剪切速率在 变化时，由钻孔剪切试验数据线性回归分析求得的黏聚力 和内摩擦角 均相差较小。02 04 06 08 01 0 01 2 03 06 09 01 2 01.72.02.3/(r s-1)图 不同剪切速率时的钻孔剪切试验曲线 结 论（）当法向应力在初始应力至临塑应力范围内（似弹性变形段）进行剪切试验时，试验数据能较好的符合摩尔库伦强度破坏准则，可获得土体内部准确的抗剪强度参数；当法向应力超过临塑压力后，测得的黏聚力偏大、内摩擦角偏小；当法向应力小于初始应力时，测得的黏聚力偏小甚至为负值、内摩擦角偏大。（）分别加载剪切法的剪切应力与剪切位移关系曲线常无明显的峰值点，曲线主要表现为应变硬化型；分级加载剪切法在分级法向应力作用下有明显的峰值（或稳定值），在峰值点出现前曲线较陡且呈线性关系，峰值点出现后曲线较平缓，当法向应力均控制在似弹性变形段时，两种试验测得的抗剪强度参数差异不大。（）当法向应力在似弹性变形段内时，法向位移历时曲线的变化过程包括 的陡降段，的快降段，的缓降段，的趋稳 第 期于永堂 等 黄土钻孔剪切特性影响因素分析段。按照美国标准，单级法向应力固结时间为、分级法向应力固结时间为 ，对应的法向位移速率均 。（）当剪切速率由 增大至 时，会引起抗剪强度略有增大，但求得的黏聚力 和内摩擦角 均相差较小。参考文献：吴益平，卢里尔，薛阳 基于临界状态的边坡渐进破坏力学模型分析及应用 地质科技通报，（）：侯超群，石恭泽，孙志彬，等 基于滑移线理论的非饱和土条形地基承载力计算 长江科学院院报，（）：，曹海莹，刘杰锋，武崇福，等 非极限状态主动土压力与填土张拉裂缝研究 中国公路学报，（）：，陈志辉 土体原位测试技术新进展 中国水运（下半月），（）：相兴华 基坑开挖与降水对支护结构受力及地面变形影响的研究 太原：太原理工大学，沈珠江 原状取土还是原位测试：土质参数测试技术发展方向刍议 岩土工程学报，（）：，：，（）：，（）：，：，：，：，：，：，（）：，（）：，（）：化建新，郑建国 工程地质手册 版 北京：中国建筑工业出版社，：于永堂，张 龙，郑建国，等 重塑黄土的钻孔剪切变形与强度特性研究 岩石力学与工程学报，（增刊）：石 熊，张家生，刘 蓓，等 土混凝土接触面剪切破坏模式分析 铁道科学与工程学报，（）：于永堂，郑建国，刘争宏，等 钻孔剪切试验及其在黄土中的应用 岩土力学，（）：，（编辑：黄 玲）（上接第 页）毛海涛，张保平，何运祥，等 无限深透水地基土石坝坝基防渗体效果研究 人民黄河，（）：岑威钧，沈长松，童建文 深厚覆盖层上复合土工膜防渗堆石坝筑坝特性研究 岩土力学，（）：沈振中，岑威钧，徐力群 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