黄土原位钻孔剪切试验研究.pdf
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1、文章编号:1007-2993(2023)04-0465-05黄土原位钻孔剪切试验研究黄土原位钻孔剪切试验研究黄晓维1刘子君2杨振荣1郑建国1(1.机械工业勘察设计研究院有限公司,陕西西安710043;2.中联西北工程设计研究院有限公司,陕西西安710077)【摘要】准确获得黄土原位土体抗剪强度参数对黄土工程至关重要。将钻孔剪切试验应用于西安某黄土滑坡原位土体抗剪强度参数测试,提出了黄土场地中适宜的成孔方法,在原 Iowa 钻孔剪切仪基础上加装微型位移测量系统和剪切力测量系统,精确测量法向位移与剪切应力,并将钻孔剪切试验结果与室内直剪试验结果进行了对比。结果表明,改进后的设备测试更加可视化、可控
2、化;试验阶段法向压力位移分布近似在一条直线上,土体处于似弹性变形阶段;首级法向压力固结时间为 10 min,后续每级压力固结时间为 5 min,满足试验要求并能保证试验成功率;与室内直剪试验相比,钻孔剪切试验测得的内摩擦角平均大40.8%,黏聚力平均小 12.7%。钻孔剪切试验数据之间相关性较好,测试效果良好,可为今后黄土原位土体抗剪强度参数测试提供借鉴与指导。【关键词】钻孔剪切试验;法向压力;固结时间;黄土【中图分类号】TU 413 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2023.04.016Research of In-situ Borehole She
3、ar Test of LoessHuang Xiaowei1Liu Zijun2Yang Zhenrong1Zheng Jianguo1(1.China Jikan Institute of Engineering Investigation and Design Co.,Ltd.,Xian 710043,Shaanxi,China;2.China United NorthwestInstitute for Engineer Design&Research Co.,Ltd.,Xian 710077,Shaanxi,China)【Abstract】It is very important to
4、accurately obtain the in-situ shear strength parameters of loess for loess engineering.In thisstudy,borehole shear test(BST)was applied to test the shear strength parameters of loess on a loess landslide in Xian.The suitabledrilling method in loess site was proposed,and a micro displacement-shear st
5、rength measurement system was added on the basis of theoriginal Iowa borehole shear test to accurately measure the normal displacement and shear stress.The results of BST and direct sheartest were compared.The results show that the improved equipment is more visible and controllable;the normal stres
6、s is proportional todisplacement,which indicates that the soil is in the stage of quasi elastic deformation.To ensure the reliability of the results,the timefor consolidation under the first stage of normal stress needs 10 min while 5 min meet the requirement in the subsequent stages.Com-pared with
7、the direct shear test,the internal friction angle measured is larger for 40.8%on average while cohesion is 12.7%smaller.The borehole shear test shows a good performance on the test of the shear strength parameters of loess in-situ.【Key words】borehole shear test;normal pressure;consolidation time;loe
8、ss 0 引言我国黄土地区分布广泛,黄土工程问题突出1。在黄土地区岩土工程设计中,黄土土体的抗剪强度参数是最基本、最重要的力学参数,直接关系着相关工程的安全与稳定2。获取土体抗剪强度参数途径主要有室内试验和原位试验3。室内试验需进行现场取样,土样脱离原位后应力完全释放,经过包装、运输和再制样,会产生不同程度的扰动,最终的测试结果常难以反映土体的实际强度,给工程设计带来一定制约。原位试验是在不扰动或基本不扰动岩土层的情况下,通过特定的试验仪器对岩土层进行测试,能最大程度保持土体的天然结构、含水率及原始应力水平,测试结果更能反映土体的真实特性。土体现场剪切试验方法主要有现场直接剪切试验(大剪试验)
9、、十字板剪切试验和钻孔剪切试验。现场直接剪切试验成本高,费时费力,其应用常受制于地质环境条件。十字板剪切试验适用于测试饱和软黏土不排水抗剪强度和灵敏度,对黄土不具适用性。作者简介:黄晓维,男,1993 年生,汉族,甘肃平凉人,硕士研究生,工程师,主要从事岩土工程测试与监测技术研究。E-mail: 第 37 卷第 4 期岩土工程技术Vol.37 No.42023 年8 月Geotechnical Engineering TechniqueAug,2023钻孔剪切试验(Borehole Shear Test,简称 BST)是由 Handy4提出的一种测定岩土体强度参数的原位测试方法,通过在预先成好
10、的钻孔孔壁上进行一系列直剪试验,以此测定土的黏聚力 c 和内摩擦角。钻孔剪切试验测试过程简便,可在难以取样、施工环境恶劣的复杂地质环境中应用。国外现已成功应用于砂土、粉质黏土、硬质土、残积土等细颗粒土体原位强度测试57,并在边坡稳定性分析中进行了土体强度参数的测试8。黄土工程场地复杂,取样困难,土体强度参数难以获取,而黄土具有自立性好,极易成孔的特点。因此将钻孔剪切试验应用于黄土土体抗剪强度参数测试具有广泛的应用前景911。将钻孔剪切试验应用于西安某黄土滑坡的原位土体抗剪强度参数测试,并在原 Iowa 仪器设备和试验方法的基础上进行了优化和改进,增加了法向位移观测系统和剪切力测量系统,实现了试
11、验过程中力和位移的实时监测,得到了科学的固结判定标准;此外,提出了适宜的成孔工艺,分别在滑坡坡顶、坡体中部和坡脚处进行了测试,并与室内直接剪切试验结果进行了对比分析。结果表明,改进后的设备在黄土工程原位土体强度参数测试中具有广泛应用前景。1 钻孔剪切试验原理与方法 1.1 试验原理常用的钻孔剪切仪见图 1,与室内直剪试验原理类似,钻孔剪切仪通过将两片带齿的环形剪切板放入钻孔内测试深度处,后施加法向水平压力 P 使得剪切板进入孔壁土体内,待固结一定时间后,通过提拉力 T 使土体发生剪切破坏(见图 2)。此时,施加于剪切板上的法向压力为,剪切板对孔壁土体产生的剪切力为,单个剪切板的有效受力面积为
12、A,则=P/A(1)=T/(2A)(2)钻孔剪切试验原理示意见图 2。通过测得多组不同法向压力下的剪切力数据,采用最小二乘法进行线性回归,求得回归方程,即获得 Mohr-Coulomb 破坏包络线,便可得到某测试深度处土体的抗剪强度参数,一般要求线性回归系数 R2不小于 0.98。1.2 试验设备Iowa 钻孔剪切仪主要包括剪切头、试验平台、蜗杆系统、气源等。改进的仪器在原设备基础上,加装了法向位移传感器、位移采集系统、剪切力测量系统,改进后的仪器见图 3,各组构具体如下:(1)钻孔剪切仪:本次试验使用的仪器型号为A104,考虑到工程试验场地的土体较硬,齿尖难以刺入土中,为此设计并加工了高压剪
13、切板,其外形长宽尺寸为 63.5 mm47 mm,齿距为 2.54 mm,齿角度为45,齿高为 2.2 mm。设备可施加法向压力范围为0550 kPa。在不施加法向压力情况下,剪切头外围直径为 75 mm。(2)微型位移测量系统:法向位移采用直线位移传感器,有效量程 15 mm,安装于剪切头下部、两剪 拉杆夹嵌拉杆钻孔剪切头环形齿轮液压传力装置剪力表压力表扭力臂曲柄压力控制台储气瓶气管 图 1 钻孔剪切仪示意图 钻孔剪切板PF 图 2 钻孔剪切试验示意图 图 3 改进后的钻孔剪切仪现场测试466岩土工程技术2023 年第 4 期切板之间,通过线缆与位移采集系统配套使用,可直接测量剪切板嵌入土体
14、的深度,进一步得到法向位移,对判定土体是否固结稳定提供了可靠数据。(3)剪切力测量系统:在原仪器基础上增加称重传感器作为剪切力测量系统,最大量程 5000 N,并与高速采样智能仪表相连,可实时读取称重传感器测得的剪切力大小,并记录一次试验过程中的剪切力峰值。(4)薄壁成孔器:国内缺乏钻孔剪切试验钻孔成孔器,本次对外径 76.2 mm、长度 762 mm、壁厚为1.7 mm 的美标取土器进行二次加工,通过向内开刃(刃角外倾),刃口角度为 7,刃宽为 0.6 mm,面积比为 9.56%,配套钻机进行钻孔预成孔,最大程度减少了试验段成孔对孔壁土体的扰动。1.3 试验方法(1)预钻成孔:现场试验时,采
15、用钻机配套 108mm 的钻具钻进到离试验段上方 0.5 m 时,换用直径为 76.2 mm 的刃角外倾薄壁成孔器静压成孔,一次最大可成孔深度为 600 mm。(2)仪器安装:通过拉杆连接,将剪切头放置测试深度处,架设试验平台,再通过拉杆夹钳将拉杆连同剪切头整体固定到试验平台上,用螺栓锁紧。将氮气源与仪器控制面板相连,再接通位移采集系统。(3)法向加压:视土质的软硬程度,合理施加首级法向压力及后续逐级压力增量,设置适宜固结时间,并结合法向位移判断剪切板是否嵌入孔壁土体内。(4)剪切破坏:以 2 r/s 的速度旋转曲柄,即以0.05 mm/s 的剪切速率进行试验,利用蜗杆系统提供的上拔力致使土体
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