土的抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力。在外荷載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應(yīng)力，當(dāng)土中某點的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時，土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對滑動，該點便發(fā)生剪切破壞。隨著外荷載的增大，地基中達(dá)到強(qiáng)度被破壞的點越來越多，最后形成一個連續(xù)的滑動面，這時建筑物的地基或土坡就會失去整體穩(wěn)定而發(fā)生土體滑動，從而造成工程事故。
工程實踐和室內(nèi)試驗都證實了土是由于受剪而產(chǎn)生破壞，剪切破壞是土體強(qiáng)度破壞的重要特點，因此，土的強(qiáng)度問題實質(zhì)上就是土的抗剪強(qiáng)度問題。
在工程中與土的抗剪強(qiáng)度有關(guān)的工程問題有三類：
第一類是以土作為建造材料的土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定性問題，如土壩、路堤等填方邊坡以及天然土坡等的穩(wěn)定性問題。
第二類是土作為工程構(gòu)筑物環(huán)境的安全性問題，即土壓力問題，如擋土墻、地下結(jié)構(gòu)等的周圍土體，它的強(qiáng)度破壞將造成對墻體過大的側(cè)向土壓力，以至可能導(dǎo)致這些工程構(gòu)筑物發(fā)生滑動、傾覆等破壞事故。
第三類是土作為建筑物地基的承載力問題，地基土體產(chǎn)生整體滑動或因局部剪切破壞而導(dǎo)致過大的地基變形，將會造成上部結(jié)構(gòu)的破壞或影響其正常使用功能。
土體發(fā)生剪切破壞時，將沿著其內(nèi)部某一曲面（滑動面）產(chǎn)生相對滑動，而該滑動面上的切應(yīng)力就等于土的抗剪強(qiáng)度。1776年，法國學(xué)者庫侖通過一系列土的強(qiáng)度實驗，于1776年總結(jié)出土的抗剪強(qiáng)度定律：
測定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的試驗方法主要有室內(nèi)剪切試驗和現(xiàn)場剪切試驗二大類：
直剪儀示意圖
三軸壓縮儀
無側(cè)限壓縮儀示意圖
但是，傳統(tǒng)測量土體抗剪強(qiáng)度的方法存在諸多不足。
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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??；
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。
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操作復(fù)雜，主應(yīng)力方向固定不變，而且是在令σ2 = σ3的軸對稱情況下進(jìn)行的，與實際情況不符合。
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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(qiáng)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)場鉆孔中或者機(jī)械成孔、人工成孔中進(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。
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所示。
鉆孔剪切試驗基本原理
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(qiáng)度：
如此這樣，每一步加載都能計算出一對(σ i , τ i )值。通過將這些成對的值描繪到坐標(biāo)軸中可以擬合得到一條直線，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。得到的原位剪切參數(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(qiáng)度參數(shù)值。
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。
鉆孔剪切儀試驗裝置
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1個堅硬的殼組成，這個硬殼上裝有水平的齒，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。
鉆具是由直徑32mm的鉆機(jī)桿組成的，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。
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。
鉆孔的質(zhì)量是進(jìn)行準(zhǔn)確測量的一個最根本的控制因素，鉆孔直徑dt必須在以下范圍之內(nèi)：
62mm＜dt＜65mm
鉆孔的長度一定不能超過測試深度1.5米。在顆粒土中，需要使用濃泥漿對鉆孔進(jìn)行護(hù)壁，護(hù)到測量深度上方1m 處。每次測試時，只能將鉆孔鉆到需要的深度。
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100cm3 增量逐步地從200cm3增加到600cm3 。在每一級中，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)。
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。
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(kuò)張?zhí)筋^進(jìn)行測量；d.在持續(xù)的徑向壓力下向上拉探頭
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)。
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/m3
加載步驟中，剪切破壞的強(qiáng)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。
對于每一加載步驟，均可以獲得以下內(nèi)容：
dVD = VD1' - VD30"
VF - VD = VF - VD1
可以繪出下面的曲線：
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，任何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。
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，精確讀數(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：
隨著經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度的研究是必須的。城市固體廢棄物的材料非常復(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，還包含非常小的以及纖細(xì)的物體，這些會影響它們的剪切強(qiáng)度。
下圖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。
▲ 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(qiáng)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（下圖），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。
▲ 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(qiáng)度的設(shè)計值時必須非常慎重，特別是在一些開展了很多個試驗的案例中。
下圖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。
▲ 同一個垃圾填埋場不同深度全部抗剪強(qiáng)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50kPa，這個為設(shè)計值。
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。
下圖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。
▲ 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。
關(guān)注并聯(lián)系歐美大地，了解更多土的抗剪強(qiáng)度測試方法及鉆孔剪切儀應(yīng)用案例。
