【原位测试技能get 2】原位钻孔剪切试验图文详解

在大型岩土工程中，需要进行大量的地质钻孔进行工程地质勘探。但是花费巨大的经费而取得的钻孔，仅仅是用于编录，导致这些钻孔利用率不高。因此，在国内外岩土工程师的努力下，研发了一系列利用这些钻孔进行岩土力学特征研究的试验设备。工程上经常用到的有钻孔声波测试仪、钻孔弹模仪等，相对技术发展比较成熟。但是目前关于利用岩土钻孔进行剪切试验的设备几乎没有，在期刊杂志上鲜见报道。

1986年，法国APAGEO公司研制出了利用现场地质钻孔，进行孔内原位直接剪切试验的设备——钻孔剪切仪（PHICOMETER）。钻孔剪切仪研制成功后，由于其能够在工程现场利用已有的岩石钻孔，快速得到岩土的抗剪强度参数，在法国、墨西哥、卢森堡、刚果、美国、日本等很多国家工程勘察中都有应用，取得了重要的工程应用经验，

从那时起，已经在全世界范围了开展了好几千个试验，各种类型的自然状态或者人工填土以及其它材料都被测试过。这些土和材料包括：粗土、难以取样的细砂、石灰和水泥处理过的土、压缩的城市固体废弃物、城市固体废弃物燃烧产生的灰渣。

我国在2006年修订的《工程地质手册中》也明确提到了钻孔剪切仪，并指出：“其最大的优点是操作简单，可重复性较高。……钻孔剪切试验目前在我国还尚未见有实用报道”。最近，国内的一些科研人员开始接触到钻孔剪切仪，包括一些高校、研究院所，将其应用于工程实际。

钻孔剪切试验是将一个带有水平环形钢齿的探头，放置在一个直径63mm的钻孔中。通过膨胀探头，施加径向的压力，水平钢齿就会插入到孔壁的岩土体中。钻孔剪切试验的基本原理如图2所示。

径向压力作用的表面积为S: S=πdl

其中，d=钢齿的直径，l=钢齿范围的长度。

保持径向压力不变，向上拉起探头，对孔壁岩土体进行剪切，拉力为T，从而可以计算出土体的抗剪强度:

如此这样，每一步加载都能计算出一对(σ i , τ i )值。通过将这些有意义的成对的值描绘到坐标轴中可以得到一条直线，可以通过这条直线得到剪切参数c和ϕ值，这个与库仑包络的粘聚力和摩擦角相符。这些原位剪切参数称为粘聚力ci和摩擦角ϕi，它们只是过渡值，可以通过这两个值导出常用的抗剪强度参数值(Philipponnat andZerhouni, 1993)。

钻孔剪切仪包含以下四个部分：探头、钻具、地面设备、辅助工具（如图3所示）。

图3 试验装置

图4钻孔剪切试验测试原理示意图

a:钻孔及安放套管；

b.将探头放到测试的深度

c.径向扩张探头进行测量

d.在持续的径向压力下向上拉探头

数据处理

• 数据校准

• 修正的正应力pc、剪应力T的计算

• 蠕变和膨胀计算

绘图

• 辅助绘图。可以绘出下面的曲线：

• 特征曲线

1、 城市固体废弃物测试结果

随着经济的发展，城市化进程不断推进，居住于城市中的人越来越多。近些年来关于“垃圾围城”的新闻屡见不鲜，对垃圾填埋场的城市固体废弃物的岩土力学特征研究越来越紧迫了。在垃圾填埋场稳定性设计和管理的研究中，剪切强度的研究是必须的。城市固体废弃物的材料非常复杂，它们的成份随时间以及在不同的地方差异是很大的。它们的粒度不仅包含很大块的物体，还包含非常小的以及纤细的物体，这些会影响它们的剪切强度。

图5是用钻孔剪切仪对一个垃圾填埋场的固体废弃物测得的结果，场地位于比利时某地，18m深处。这个试样已经按照垃圾处理的规定进行了压缩。

在这幅图中，除了最开始的两个点，其它试验测得的点在同一条直线上，由此可以得到原位测试粘聚力为14kPa，摩擦角为33°。这些值与高剪切强度的材料相符，很像颗粒土的特征。

采用同一种方法，进行另外一个测试，在14m深度进行（图6），得到了完全不一样的值，显示了测试区域固体废弃物的另外一种特征。原位粘聚力和摩擦角分别为26kPa和18°。在这个案例中，这种土的行为可以看作是与粘性土相同。

这两个试验对同一种材料表现出了两种不同的行为，而且显示出了它们剪切特征较大的差异。因此，选择相应的特性和剪切强度的设计值时必须非常慎重，特别是在一些开展了很多个试验的案例中。

图7中显示了这样的一个分布类型，图中所有原位剪切测试的测量值取自于同一个固体废弃物填埋场，具有代表性。

从图中可以看出，这个压缩的城市固体垃圾的摩擦角为17 到 34°，粘聚力为30到50 kPa，这个为设计值。

2、固体废弃灰渣的研究

工业中燃煤的燃烧产生大量的灰渣，根据相关的条例，一些灰渣可以用于建筑业，另外，也可以用于填埋场地。对于燃煤灰渣的岩土工程特性的研究越来越受到人们的关注。

图8显示的是一个典型的钻孔剪切试验结果，这个试验是在一个燃烧灰堆的1.4m深度测试的。这些燃煤灰渣大约是一年前产生的，达到了某种固结的程度。

从这幅图中可以看到，大多数的试验点在同一条直线上，由此可以得到摩擦角为42°，没有粘聚力，表现出了一种与粗颗粒材料相似的特征。