作者：鄭江
（廣州歐美大地儀器設(shè)備有限公司 510030）
摘要：土的抗剪強度指標(biāo)是研究土體力學(xué)性能、進(jìn)行工程設(shè)計的重要參數(shù)。對于傳統(tǒng)測得土體抗剪強度的試驗方法的不足，工程科技人員原位鉆孔剪切試驗方法。原位鉆孔剪切試驗自1986年發(fā)明以來，隨著近30年的發(fā)展，已經(jīng)開展了好幾千個試驗。多種類型的自然狀態(tài)或者人工填土以及其它材料都被測試過。本文先總結(jié)了鉆孔剪切試驗的發(fā)展現(xiàn)狀，然后介紹了鉆孔剪切試驗的試驗原理、試驗裝置、試驗方法及步驟、數(shù)據(jù)處理以及相關(guān)特征曲線的繪制等，最后通過兩個工程實例說明了鉆孔剪切試驗的可靠性。試驗表明進(jìn)行原位直剪強度測試是可行的，剪切強度指標(biāo)（c和?）可以通過先研究建立可信的土體相關(guān)關(guān)系然后得到。本文詳細(xì)介紹了鉆孔剪切試驗方法，通過分析比較，得出了有用的結(jié)論，為這種方法的推廣和研究提供思路。
關(guān)鍵詞：原位鉆孔剪切抗剪強度
1 前言
土的抗剪強度是指土在外力的作用下抵抗剪切破壞的極限能力，它是由顆粒之間的內(nèi)摩擦角及由膠結(jié)物和束縛水膜的分子引力所產(chǎn)生的粘聚力兩個參數(shù)組成。
在法向應(yīng)力變化范圍不大時，抗剪強度與法向應(yīng)力的關(guān)系近似成為一條直線。其表達(dá)式稱為庫侖定律：
τ=c+N tan?φ (kPa)
式中：T—抗剪強度(kPa)；c—粘聚力(kPa)；N一正應(yīng)力(kPa)；φ一內(nèi)摩擦角（°）。
土的剪切試驗得出的值在公路、鐵路、機場、港口、隧道和工業(yè)與民用建筑方面得到廣泛應(yīng)用，常用到擋土墻、樁板墻、斜坡穩(wěn)定以及地基基礎(chǔ)等各種工程設(shè)施的設(shè)計中，例如土壓力計算、斜坡穩(wěn)定性評價、滑坡推力計算、鐵路和公路軟土地基的穩(wěn)定性、地基承載力的計算等等。
傳統(tǒng)的測量土體抗剪強度的方法主要有室內(nèi)直接剪切試驗、三軸剪切試驗、十字板剪切試驗等。直接剪切試驗儀器構(gòu)造簡單，操作方便，但是剪切面不一定是試樣抗剪能力最弱的面，剪切面上的剪應(yīng)力分布不均勻，而且受剪切面的面積愈來愈小，不能嚴(yán)格控制排水條件，測不出剪切過程中孔隙水壓力的變化。三軸剪切試驗的優(yōu)點是試驗中能嚴(yán)格控制試樣排水條件及測定孔隙水壓力的變化，應(yīng)力狀態(tài)比較明確，除抗剪強度外，能測定其它指標(biāo)，缺點是操作復(fù)雜，所需試樣較多，主應(yīng)力方向固定不變，而且是在假設(shè)σ2 = σ3的軸對稱情況下進(jìn)行的，與實際情況尚不能完全符合。無側(cè)限壓縮試驗儀器構(gòu)造簡單、操作方便，但是對試樣制備要求較高，使用范圍有一定的局限性。十字板剪切試驗?zāi)茉诂F(xiàn)場快速測定飽和粘性土不排水強度，但是十字板試驗的適用范圍較小，較適合于軟粘土，對硬塑粘性土和含有礫石雜物的土不宜采用。
鑒于傳統(tǒng)試驗方法的種種不足，工程科技人員研制出了一種新型巖土體抗剪強度原位測試方法——鉆孔剪切試驗。鉆孔剪切試驗儀可以在現(xiàn)場鉆孔中或人工手扶鉆機甚至人工手鉆鉆成的孔中直接進(jìn)行試驗，經(jīng)計算即可得到孔中相應(yīng)部位土的粘聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)。該試驗方法對土的擾動小，具有原位測試的優(yōu)點。儀器輕便、便于攜帶、操作簡單。
在大型巖土工程中，需要進(jìn)行大量的地質(zhì)鉆孔，進(jìn)行工程地質(zhì)勘探，但是在巨大的經(jīng)費代價下取得的鉆孔，僅僅是對得到的巖芯進(jìn)行編錄，導(dǎo)致這些寶貴的鉆孔利用率不高。因此，在國內(nèi)外巖土工程師的努力下，研發(fā)了一系列利用這些鉆孔進(jìn)行巖土力學(xué)特征研究的試驗設(shè)備，例如工程上經(jīng)常用到的鉆孔聲波測試儀、鉆孔彈模儀等等，相對技術(shù)發(fā)展比較成熟。但是目前在利用巖土鉆孔進(jìn)行剪切試驗的設(shè)備很少，在期刊雜志上鮮見報道。
1986年，法國APAGEO公司利用現(xiàn)場地質(zhì)鉆孔，進(jìn)行孔內(nèi)原位直接剪切試驗的設(shè)備——鉆孔剪切儀（PHICOMETER）。從那時起，已經(jīng)開展了好幾千個試驗，多種類型的自然狀態(tài)或者人工填土以及其它材料都被測試過。這些土和材料包括：粗土、難以取樣的細(xì)砂、石灰和水泥處理過的土、壓縮的城市固體廢棄物、城市固體廢棄物燃燒產(chǎn)生的灰渣。在法國、墨西哥、盧森堡、剛果等很多地區(qū)都有應(yīng)用。
鉆孔剪切試驗儀研制成功后，由于其能夠在工程現(xiàn)場利用已有的巖石鉆孔得到巖石的抗剪強度參數(shù)，因此在美國、日本等一些相關(guān)的實際工程勘察設(shè)計中得到了應(yīng)用，取得了重要的工程應(yīng)用經(jīng)驗。
我國在2006年修訂的《工程地質(zhì)手冊中》也明確提到了鉆孔剪切儀，并指出：“其優(yōu)點是操作簡單，可重復(fù)性較高?！@孔剪切試驗?zāi)壳霸谖覈€尚未見有實用報道”。最近，國內(nèi)的一些科研人員開始接觸到鉆孔剪切儀，包括一些高校、研究院所。將其應(yīng)用于工程實際。
3 鉆孔剪切試驗儀器及試驗方法
3.1試驗原理
鉆孔剪切試驗是將一個帶有水平環(huán)形鋼齒的探頭，放置在一個直徑63mm的鉆孔中。通過膨脹探頭，施加徑向的壓力σ，水平鋼齒就會插入到孔壁的巖土體中。鉆孔剪切試驗的基本原理如圖1所示。
圖1 鉆孔剪切試驗基本原理
徑向壓力σ作用的表面積為S:
S=πdl
其中，d=鋼齒的直徑，l=鋼齒范圍的長度。
保持徑向壓力σ不變，向上拉起探頭，對孔壁巖土體進(jìn)行剪切，拉力為T，從而可以計算出土體的抗剪強度:
τ=T/S=T/πdl
如此這樣，每一步加載都能計算出一對(σ i , τ i )值。通過將這些有意義的成對的值描繪到坐標(biāo)軸中可以得到一條直線，可以通過這條直線得到剪切參數(shù)c和?值，這個與庫侖包絡(luò)的粘聚力和摩擦角相符。這些原位剪切參數(shù)稱為粘聚力ci和摩擦角?i，它們只是過渡值，可以通過這兩個值導(dǎo)出常用的抗剪強度參數(shù)值(Philipponnat and Zerhouni, 1993)。
3.2試驗裝置
鉆孔剪切儀包含以下四個部分：探頭、鉆具、地面設(shè)備、輔助工具（如圖2所示）。
圖2 鉆孔剪切儀試驗裝置
（1）探頭。探頭由一個單一的可膨脹的元件組成，內(nèi)部有一個特殊的開縫的管，這個特殊的開縫管由以下幾部分組成：①中心區(qū)域由幾個堅硬的殼組成，這些殼上裝有水平的齒，這個是主要的測量裝置。②兩個外部區(qū)域由幾個薄的長條組成，薄條像彈簧一樣工作。
（2）鉆具是由直徑 32mm 的風(fēng)鉆鉆機桿組成的，至少是最頂端的那根鉆孔調(diào)節(jié)桿必須整個長度布滿螺紋。一套標(biāo)準(zhǔn)的頂端鉆孔調(diào)節(jié)桿至少由以下 3 種規(guī)格組成：①1×0.4m長桿；②1×0.8m長桿；③1×1.2m 長桿。
（3）地面設(shè)備包括：①拉力系統(tǒng)。由千斤頂提供拉力，通過拉力表測得拉力值。②壓力-體積控制單元。通過壓力-體積控制單元控制探頭的壓力和膨脹量。③垂直方向變形測量系統(tǒng)。通過千分表測量垂直位移。
（4）輔助工具包含游標(biāo)卡尺、手動真空泵等。
3.3試驗方法步驟
（1）鉆孔。鉆孔的質(zhì)量是進(jìn)行測量的一個根本的控制因素，表 1 是根據(jù)土體類型給出的建議。鉆孔直徑dt 在以下范圍之內(nèi)：
62mm＜dt＜65mm
鉆孔的長度不能超過測試深度 1.5 米。在顆粒土中，需要使用濃泥漿對鉆孔進(jìn)行護壁，護到測量深度上方 1m 處。建議每次測試時，只需將鉆孔鉆到需要的深度。
（2）探頭校準(zhǔn)。將探頭豎直放置在壓力-體積控制單元旁邊，測出探頭的中部高度 Zs 和千分表的高度 Zc 。體積按照每級100cm 3 增量逐步地從 200cm 3 增加到600cm 3 。在每一步中，通過壓力表讀出相應(yīng)的壓力 pr ， 同時用游標(biāo)卡尺測出第五個或者第六個鋼齒的外直徑 ds(毫米)。繪制出修正曲線。修正的壓力 Pe 通過公式 Pe=Ph+Pr 計算得到，Ph 代表由于探頭和中央測量裝置間的升高產(chǎn)生的流體靜壓力，Ph=10*(Zc-Zs)。
（3）安裝設(shè)備，測出鉆孔中的水位高度，將探頭下放到想要的深度。
（4）儀表初始化。包括測壓元件、千分表、計時表初始化。
（5）膨脹探頭，刺入土體，進(jìn)行測量。
（6）試驗完成，卸去壓力，收回探頭。
操作示意簡圖如下圖3。
圖3鉆孔剪切試驗測試原理示意圖
a:鉆孔及安放套管；
b.將探頭放到測試的深度
c.徑向擴張?zhí)筋^進(jìn)行測量
d.在持續(xù)的徑向壓力下向上拉探頭
3.4數(shù)據(jù)處理
（1）數(shù)據(jù)校準(zhǔn)
繪制曲線： V=f(p) 和 V=f(d)。這里，p代表校準(zhǔn)壓力，d 代表探頭的外直徑。可以使用一個曲線調(diào)整程序進(jìn)行優(yōu)化， V=f(p)曲線是一個指數(shù)函數(shù)， V=f(d)曲線是一個線性函數(shù)。
（2）修正的正應(yīng)力pc、剪應(yīng)力T的計算
對于每個加載步驟，修正的正應(yīng)力、pc，施加到土體上的力按下式計算：
①如果鉆孔從孔口到測試位置是干的：
pc = pM + (zc - zs) x Γw – pe
②如果鉆孔充滿了水或者泥漿：
pc = pM + (zc - zw) x Γw - pe
在這里：
? pM代表壓力表上的讀數(shù)；
? zc、zs、zw分別代表控制單元、探頭和水位的高度；
? pe代表從與 VF 相符的標(biāo)準(zhǔn)曲線上讀出的標(biāo)準(zhǔn)壓力；
? Γw代表水的密度=10 kN/m 3
在一些加載步驟中，剪切破壞的強度，t，按照下式計算：
t = Tmax/S
這里，Tmax代表加載過程中測得的最大拉力；S 代表剪切表面的面積。
S = π .d . L
L 代表探頭的有效長度，對于標(biāo)準(zhǔn)探頭，L=23cm；直徑 d，從與體積 VF 相符的標(biāo)準(zhǔn)曲線上讀出。
（3）蠕變和膨脹計算
對于每一加載步驟，均可以獲得以下內(nèi)容：
——增壓過程中的蠕變，dVD，等于旁壓蠕變：
dVD = VD1' - VD30"
——剪切過程中，探頭的體積增大帶來的剪脹：
VF - VD = VF - VD1
3.5 繪圖
（1）輔助繪圖?？梢岳L出下面的曲線：
dVD體現(xiàn)了 pc 的作用，此曲線稱為“蠕變曲線”。VF – VD 體現(xiàn)了 pc 的作用稱為“膨脹曲線”。V 體現(xiàn)了 pc 的作用，它凸顯了每一加載步的 VD1' 和 VF。
從這些圖中，最終的異常都可以看到，通過觀察，可以將異常點從特征曲線上去掉。
（2）特征曲線
將成對的（t, pc）繪制到圖上，自然會產(chǎn)生正確的堆點圖形，可以繪出特征曲線，得到以下值：
Φi=原位內(nèi)摩擦角
ci=原位粘聚力
可以按照以下步驟進(jìn)行計算：
①剔除異常點后，通過最小二乘法對土體特征曲線進(jìn)行修正。
這里，n 是點的個數(shù)。
②對于粘聚力接近于 0 的土，讀數(shù)會導(dǎo)致獲得的粘聚力小存在較小的偏差。為了避免這種情況，可以通過取平均值的方法重新調(diào)節(jié)參數(shù)特性，方法如下：
4 工程應(yīng)用
4.1 城市固體廢棄物測試結(jié)果
隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，居住于城市中的人越來越多。近些年來關(guān)于“垃圾圍城”的新聞屢見不鮮，對垃圾填埋場的城市固體廢棄物的巖土力學(xué)特征研究越來越緊迫了。在垃圾填埋場穩(wěn)定性設(shè)計和管理的研究中，剪切強度的研究是需要的。城市固體廢棄物的材料復(fù)雜，它們的成份隨時間以及在不同的地方差異是很大的。它們的粒度不僅包含很大塊的物體，還包含小的以及纖細(xì)的物體，這些會影響它們的剪切強度。
圖4是用鉆孔剪切儀對一個垃圾填埋場的固體廢棄物測得的結(jié)果，場地位于比利時某地，18m深處。這個試樣已經(jīng)按照垃圾處理的規(guī)定進(jìn)行了壓縮。
圖4 18m深度城市壓縮固體垃圾鉆孔剪切試驗結(jié)果
在這幅圖中，除了最開始的兩個點，其它試驗測得的點在同一條直線上，由此可以得到原位測試粘聚力為14kPa，摩擦角為33°。這些值與高剪切強度的材料相符，很像顆粒土的特征。
采用同一種方法，進(jìn)行另外一個測試，在14m深度進(jìn)行（圖5），得到了完全不一樣的值，顯示了測試區(qū)域固體廢棄物的另外一種特征。原位粘聚力和摩擦角分別為26kPa和18°。在這個案例中，這種土的行為可以看作是與粘性土相同。
圖5 14m深度城市壓縮固體垃圾鉆孔剪切試驗結(jié)果
這兩個試驗對同一種材料表現(xiàn)出了兩種不同的行為，而且顯示出了它們剪切特征較大的差異。因此，選擇相應(yīng)的特性和剪切強度的設(shè)計值時必須慎重，特別是在一些開展了很多個試驗的案例中。
圖6中顯示了這樣的一個分布類型，圖中所有原位剪切測試的測量值取自于同一個固體廢棄物填埋場，具有代表性。
圖6 同一個垃圾填埋場不同深度全部抗剪強度分布圖
從圖中可以看出，這個壓縮的城市固體垃圾的摩擦角為17 到 34°，粘聚力為30到50 kPa，這個為設(shè)計值。
4.2 固體廢棄灰渣的研究
工業(yè)中燃煤的燃燒產(chǎn)生大量的灰渣，根據(jù)相關(guān)的條例，一些灰渣可以用于建筑業(yè)，另外，也可以用于填埋場地。對于燃煤灰渣的巖土工程特性的研究越來越受到人們的關(guān)注。
圖7顯示的是一個典型的鉆孔剪切試驗結(jié)果，這個試驗是在一個燃燒灰堆的1.4m深度測試的。這些燃煤灰渣大約是一年前產(chǎn)生的，達(dá)到了某種固結(jié)的程度。
圖7 燃煤灰渣填埋場一年后1.4m深度鉆孔剪切試驗結(jié)果
從這幅圖中可以看到，大多數(shù)的試驗點在同一條直線上，由此可以得到摩擦角為42°，沒有粘聚力，表現(xiàn)出了一種與粗顆粒材料相似的特征。
5 結(jié)論
鉆孔剪切試驗是一種新的原位測試方法，可以在現(xiàn)場快速側(cè)得巖土體的抗剪強度，試驗結(jié)果良好。相對于傳統(tǒng)試驗方法而言，鉆孔剪切試驗避免了傳統(tǒng)試驗的一些不足。避免了室內(nèi)試驗對試樣的擾動、取樣困難、設(shè)備操作復(fù)雜、試驗時間長、使用范圍小的缺點。
原位鉆孔剪切試驗得到的特征值是一種“短期”型的特征值，是一種典型不排水抗剪強度測試方法。通過挑選一些原位鉆孔剪切試驗的結(jié)果，可以得到土和特殊材料的剪切強度，這些通常在實驗室里難以實現(xiàn)，像粗土、成分混雜的城市固體廢棄物、城市固體廢棄物燃燒產(chǎn)生的灰渣、以及其它一些難以取得原封不動的試樣的土等。
參考文獻(xiàn)
[1] 婁奕紅，俞三溥. 土的鉆孔剪切試驗及其工程應(yīng)用[J].科技與經(jīng)濟，2002,（4）:6-8.
[2] 陳文強，趙宇飛，趙發(fā)輝等. 巖體工程特性現(xiàn)場測試方法及其成果相關(guān)性研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2012,40（6）：55-61.
[3] 王玉杰，趙宇飛，曾祥喜等. 巖體抗剪強度參數(shù)現(xiàn)場測試新方法及工程應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2011,32（增刊1）：779-786.
[4] 賈志欣，汪小剛，趙宇飛等. 巖石鉆孔原位測試技術(shù)的應(yīng)用與改進(jìn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013,32(6):1264-1269.
[5] 趙宇飛，王玉杰，曾祥喜等. 向家壩水電站壩基巖體鉆孔剪切試驗研究[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2011,9（3）：237-242.
[6] AFNOR (1995). Sols : Reconnaissance et essais –Prélèvement des sols et des roches –méthodologie et procédures, French standard NFP94-202, AFNOR Eds.
[7] AFNOR (1997). Sols : Reconnaissance et essais –Essai de cisaillement au Phicomètre, Frenchstandard XP P94-120, AFNOR Eds.
[8] Philipponnat, G. (1987). Le phicomètre - Analyse de200 essais de cisaillement in situ., AnnalesITBTP, ITBTP, 460: 65-88.
[9] Philipponnat, G. and Zerhouni, M.I. (1993).Interprétation de l’essai au Phicomètre, RevueFran?aise de Géotechnique , 65.
[10] Shahrour, I., and Gourves, R. (2005).Reconnaissance des terrains in situ, MécaniqueetIngénierie des Matériaux, HERMES Sciencepublications.
[11] Zerhouni, M.I. (2002). Résistance au cisaillementmesurée en place au Phicomètredans des sols etmatériauxparticuliers, Proceedings ofPARAM2002, Paramètres de calculgéotechnique, Magnan (Ed.) 2002, Presses del’ENPC/LCPC, Paris: 335-340.
