试验原理

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σ，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下图1所示。

图1 钻孔剪切试验基本原理

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。通过将这些成对的值描绘到坐标轴中可以拟合得到一条直线，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。得到的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。

2 试验装置

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2所示)。

图2 钻孔剪切仪试验装置

探头

头由一个单一的可膨胀的元件组成，内部有一个特殊的开缝的管，这个特殊的开缝管由以下几部分组成：

①中心区域由1个坚硬的壳组成，这个硬壳上装有水平的齿，这个是主要的测量装置。

②两个外部区域由几个薄的长条组成，薄条像弹簧一样工作。

钻具

钻具是由直径32mm的钻机杆组成的，最顶端的那根钻孔调节杆必须整个长度布满螺纹。一套标准的顶端钻孔调节杆至少由以下3种规格组成：

①1×0.4m长杆；

②1×0.8m长杆；

③1×1.2m长杆。

地面设备

地面设备包括：

①拉力系统。由千斤顶提供拉力，通过拉力表测得拉力值。

②压力-体积控制单元。通过压力-体积控制单元控制探头的压力和膨胀量。

③垂直方向变形测量系统。通过千分表测量垂直位移。

辅助工具

辅助工具包含游标卡尺、手动真空泵等。

图3 探头安装在钻孔中等待开始试验

3 试验过程

采用Phicometer型原位钻孔剪切仪进行试验。

钻孔

直径为63mm，钻孔深度约2米。

探头标定

连接好仪器后，在空气中对探头逐级加压，使探头膨胀，用游标卡尺记录每一级体积下，探头的直径和压力，记录标定数据。

放入孔中

将探头放入孔中，拉力测量装置、千分表、秒表等归零。

加压

加压，使钢齿与土体接触，记录数据。最大压力不超过6bar。

减小压力

减小压力。将压力减小到2bar，作为第一级压力。

开始剪切

开始剪切。操作者1负责缓慢提升千斤顶进行剪切，操作者2负责控制压力，并且读取拉力，记录数据。

4 数据处理

修正探头标定数据、绘制标定曲线，处理试验数据并绘制正应力剪应力关系曲线。

修正探头标定数据并绘制标定曲线

试验数据处理及并绘制正应力剪应力关系曲线

根据实测数据拟合的直线，可知：

Tan（φ）=0.1546，φ=8.8°；c=26.678kPa。即内摩擦角8.8°，粘聚力26.678kPa。