作者：鄭江
（廣州歐美大地儀器設備有限公司 510030）
摘要：土的抗剪強度指標是研究土體力學性能、進行工程設計的重要參數。對于傳統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年發明以來，隨著近30年的發展，已經開展了好幾千個試驗。多種類型的自然狀態或者人工填土以及其它材料都被測試過。本文先總結了鉆孔剪切試驗的發展現狀，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、數據處理以及相關特征曲線的繪制等，最后通過兩個工程實例說明了鉆孔剪切試驗的可靠性。試驗表明進行原位直剪強度測試是可行的，剪切強度指標（c和?）可以通過先研究建立可信的土體相關關系然后得到。本文詳細介紹了鉆孔剪切試驗方法，通過分析比較，得出了有用的結論，為這種方法的推廣和研究提供思路。
關鍵詞：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摩擦角及由膠結物和束縛水膜的分子引力所產生的粘聚力兩個參數組成。
在法向應力變化范圍不大時，抗剪強度與法向應力的關系近似成為一條直線。其表達式稱為庫侖定律：
τ=c+N tan?φ (kPa)
式中：T—抗剪強度(kPa)；c—粘聚力(kPa)；N一正應力(kPa)；φ一內摩擦角（°）。
土的剪切試驗得出的值在公路、鐵路、機場、港口、隧道和工業與民用建筑方面得到廣泛應用，常用到擋土墻、樁板墻、斜坡穩定以及地基基礎等各種工程設施的設計中，例如土壓力計算、斜坡穩定性評價、滑坡推力計算、鐵路和公路軟土地基的穩定性、地基承載力的計算等等。
傳統的測量土體抗剪強度的方法主要有室內直接剪切試驗、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，剪切面上的剪應力分布不均勻，而且受剪切面的面積愈來愈小，不能嚴格控制排水條件，測不出剪切過程中孔隙水壓力的變化。三軸剪切試驗的優點是試驗中能嚴格控制試樣排水條件及測定孔隙水壓力的變化，應力狀態比較明確，除抗剪強度外，能測定其它指標，缺點是操作復雜，所需試樣較多，主應力方向固定不變，而且是在假設σ2 = σ3的軸對稱情況下進行的，與實際情況尚不能完全符合。無側限壓縮試驗儀器構造簡單、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。十字板剪切試驗能在現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行試驗，經計算即可得到孔中相應部位土的粘聚力(c)和內摩擦角(φ)。該試驗方法對土的擾動小，具有原位測試的優點。儀器輕便、便于攜帶、操作簡單。
在大型巖土工程中，需要進行大量的地質鉆孔，進行工程地質勘探，但是在巨大的經費代價下取得的鉆孔，僅僅是對得到的巖芯進行編錄，導致這些寶貴的鉆孔利用率不高。因此，在國內外巖土工程師的努力下，研發了一系列利用這些鉆孔進行巖土力學特征研究的試驗設備，例如工程上經常用到的鉆孔聲波測試儀、鉆孔彈模儀等等，相對技術發展比較成熟。但是目前在利用巖土鉆孔進行剪切試驗的設備很少，在期刊雜志上鮮見報道。
1986年，法國APAGEO公司利用現場地質鉆孔，進行孔內原位直接剪切試驗的設備——鉆孔剪切儀（PHICOMETER）。從那時起，已經開展了好幾千個試驗，多種類型的自然狀態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生的灰渣。在法國、墨西哥、盧森堡、剛果等很多地區都有應用。
鉆孔剪切試驗儀研制成功后，由于其能夠在工程現場利用已有的巖石鉆孔得到巖石的抗剪強度參數，因此在美國、日本等一些相關的實際工程勘察設計中得到了應用，取得了重要的工程應用經驗。
我國在2006年修訂的《工程地質手冊中》也明確提到了鉆孔剪切儀，并指出：“其優點是操作簡單，可重復性較高。……鉆孔剪切試驗目前在我國還尚未見有實用報道”。最近，國內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軸中可以得到一條直線，可以通過這條直線得到剪切參數c和?值，這個與庫侖包絡的粘聚力和摩擦角相符。這些原位剪切參數稱為粘聚力ci和摩擦角?i，它們只是過渡值，可以通過這兩個值導出常用的抗剪強度參數值(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 的風鉆鉆機桿組成的，至少是最頂端的那根鉆孔調節桿必須整個長度布滿螺紋。一套標準的頂端鉆孔調節桿至少由以下 3 種規格組成：①1×0.4m長桿；②1×0.8m長桿；③1×1.2m 長桿。
（3）地面設備包括：①拉力系統。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。通過千分表測量垂直位移。
（4）輔助工具包含游標卡尺、手動真空泵等。
3.3試驗方法步驟
（1）鉆孔。鉆孔的質量是進行測量的一個根本的控制因素，表 1 是根據土體類型給出的建議。鉆孔直徑dt 在以下范圍之內：
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。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的壓力 pr ， 同時用游標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生的流體靜壓力，Ph=10*(Zc-Zs)。
（3）安裝設備，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.徑向擴張探頭進行測量
d.在持續的徑向壓力下向上拉探頭
3.4數據處理
（1）數據校準
繪制曲線： V=f(p) 和 V=f(d)。這里，p代表校準壓力，d 代表探頭的外直徑。可以使用一個曲線調整程序進行優化， V=f(p)曲線是一個指數函數， V=f(d)曲線是一個線性函數。
（2）修正的正應力pc、剪應力T的計算
對于每個加載步驟，修正的正應力、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；
? 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 相符的標準曲線上讀出的標準壓力；
? 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，對于標準探頭，L=23cm；直徑 d，從與體積 VF 相符的標準曲線上讀出。
（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。可以繪出下面的曲線：
dVD體現了 pc 的作用，此曲線稱為“蠕變曲線”。VF – VD 體現了 pc 的作用稱為“膨脹曲線”。V 體現了 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=原位內摩擦角
ci=原位粘聚力
可以按照以下步驟進行計算：
①剔除異常點后，通過最小二乘法對土體特征曲線進行修正。
這里，n 是點的個數。
②對于粘聚力接近于 0 的土，讀數會導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節參數特性，方法如下：
4 工程應用
4.1 城市固體廢棄物測試結果
隨著經濟的發展，城市化進程不斷推進，居住于城市中的人越來越多。近些年來關于“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特征研究越來越緊迫了。在垃圾填埋場穩定性設計和管理的研究中，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果，場地位于比利時某地，18m深處。這個試樣已經按照垃圾處理的規定進行了壓縮。
圖4 18m深度城市壓縮固體垃圾鉆孔剪切試驗結果
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，進行另外一個測試，在14m深度進行（圖5），得到了完全不一樣的值，顯示了測試區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果
這兩個試驗對同一種材料表現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，選擇相應的特性和剪切強度的設計值時必須慎重，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，這個為設計值。
4.2 固體廢棄灰渣的研究
工業中燃煤的燃燒產生大量的灰渣，根據相關的條例，一些灰渣可以用于建筑業，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注。
圖7顯示的是一個典型的鉆孔剪切試驗結果，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生的，達到了某種固結的程度。
圖7 燃煤灰渣填埋場一年后1.4m深度鉆孔剪切試驗結果
從這幅圖中可以看到，大多數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，表現出了一種與粗顆粒材料相似的特征。
5 結論
鉆孔剪切試驗是一種新的原位測試方法，可以在現場快速側得巖土體的抗剪強度，試驗結果良好。相對于傳統試驗方法而言，鉆孔剪切試驗避免了傳統試驗的一些不足。避免了室內試驗對試樣的擾動、取樣困難、設備操作復雜、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，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生的灰渣、以及其它一些難以取得原封不動的試樣的土等。
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