本文结合国家自然科学基金项目“易扰动土的变形与强度测试机理研究”而开展的研究工作，研制开发了自钻式原位剪切旁压仪，探讨了多级加载方式下，一次试验同时获取土的变形与强度参数的可行性，并从现场试验、室内试验及微观结构分析、有限元数值模拟技术等方面对SBISP测试结果进行了验证，对其多级加载方式下同时获取土的变形与强度参数的机理进行了较深入的研究，最后对SBISP在地基承载力中的应用做一初步探讨。 本文的主要研究内容及相关的结论主要包括以下方面： 1.SBISP独特的结构与加载方式，能够一次试验同时获取土的变形与强度参数。 (1)SBISP可以看作是测定变形模量的旁压试验和测定抗剪强度的直剪试验的一种组合试验方法由自钻式掘进系统、测定器系统、加载系统、量测系统和数据采集系统等组成。 (2)SBISP独特的多级加载方式，能够同时测定在径向压力和竖向剪切应力作用下的径向压力、径向位移、竖向剪应力、竖向剪位移，根据对应关系，能够一次试验同时获取土的变形与强度参数。 2.SBISP多级加载方式获得的变形与强度参数，在允许的误差范围内可以直接作为土的变形与强度参数。 分别对不同深度、不同强度土质的SBISP结果进行了分析，认为SBISP多级加载方式获得的变形与强度参数，与常规试验方法获得的参数比较接近，在允许的误差范围内可以直接作为土的变形与强度参数。 (1)根据现场试验结果及统计结果，SBISP获取土的变形模量试验中，后四级荷载作用下的变形模量平均值E2为第一级荷载作用下变形模量E1的2倍。由于第一级荷载作用下的土体仍可能受钻进过程的扰动，且后四级荷载作用下的变形模量值变化较小，所以推荐后四级荷载作用下的变形模量平均值E2作为SBISP的变形模量值更合理。 另外，根据统计结果，SBISP推荐的变形模量与室内土工试验获得的压缩模量Es存在如下经验关系：E2=0.6497 Es(2)SBISP能较精确地解释土的抗剪强度参数c、(ψ)值。但是也发现，对于本身抗剪强度很大(c值大于50kPa，E大于20Mpa)的粘性土，SBISP得到的强度参数明显比它本身的强度值偏小。可能的原因是，在SBISP现场试验中，实际剪切面随着径向荷载的增大而增大(室内试验可忽略这种影响)，但计算各试件的平均剪应力时，则没有考虑这一影响，均按统一的试件底面积来计算。这样，在较大的垂直荷载作用下，试件计算出的剪应力值就会偏大，而导致τ～σ曲线的斜率偏大，致使现场试验结果c值比室内试验偏小而(ψ)值偏大(本试验结果表现为接近)。 3.相同加载方式下的室内多级三轴试验和多级直剪试验结果证明，SBISP多级加载方式能够同时获得土的变形与强度参数。 (1)由多级三轴试验获得的土的抗剪强度与常规直剪试验、三轴试验结果误差非常小；在多级三轴试验过程曲线中可看到，在同一级围压和轴向力作用下，主应力差随着应变增大而逐渐增加；在前一级剪切荷载作用下土样剪应力达到峰值后，施加新一级围压并进行新一级的剪切，新一级的主应力差变化规律与剪切峰值达到之前的变化趋势一致，说明剪切峰值达到后施加更大的围压，剪切(潜在)破坏面上会产生新一级围压下的抗剪强度。这一结论验证了前文中多级三轴试验原理，也为SBISP多级加载方式提供了理论依据。 (2)多级直剪试验结果要分为两个方面：对硬质粘土，多级直剪试验结果与常规直剪试验、三轴试验结果相比，明显偏小；单从多级直剪试验结果看，主要原因是土本身的强度、固结时间、加载速率和埋深、地下水位等因素有关。对软质粘土而言，多级直剪试验结果与常规直剪试验、三轴试验结果相比，误差较小，也即多级直剪试验测试软质粘土抗剪强度的精度很高；主要原因是软质粘土相对硬质粘土而言，软质粘土本身强度较低，克服土的前一级抗剪强度后，在更大的法向荷载作用下，土颗粒能够在较短的时间里从垂直于剪切面的方向定向排列，与下一层的土颗粒相互接触、嵌合，从而产生新的抗剪强度。多级直剪试验对硬质粘土和软质粘土的试验结果规律与SBISP现场试验规律一致。 (3)从多级直剪试验后试样的环境电镜扫描结果来看，土在受到不同方向不同等级的荷载时，土中的颗粒定向排列会发生变化：原状土中的伊利石等片状矿物具有一定的定向排列趋势，形成一层一层的叠片状结构，层与层之间的结构相对较疏松，且可见大孔隙。在50kPa法向荷载作用下剪切后再施加100kPa法向荷载，发现层状结构排列在水平与垂直两个方向分布，一部分水平排列的土颗粒在新一级法向荷载作用下，排列由原来的水平定向排列转为沿法向排列，说明施加新一级的法向荷载后，剪切面上部的一部分土颗粒将逐渐发生流变，缓慢下沉，并向垂直于剪切面方向排列，最终使剪切面上下土颗粒相互靠拢，相互接触、渗透并相嵌合，从而产生新的抗剪强度。 另外，从直接施加200kPa法向荷载剪切后与分别施加50kPa、100kPa、150kPa、200kPa法向荷载并剪切后的土颗粒排列情况来看，多级加载并多级剪切后的土颗粒定向排列更明显，且层状结构接触得更紧密。 4.有限元方法可以刻画SBISP多级加载过程中的应力、应变和塑性区的变化趋势，并可检验SBISP测试结果。 采用国际上通用的大型有限元软件ABAOUS，对SBISP多级加载过程进行了数值模拟。在模拟过程中，采用SBISP现场测试结果。为了简化模型并不影响计算精度，假定SBISP过程满足轴对称平面应变问题；土体为理想弹塑性材料，服从Mohr-Coulonb强度理论；接触面采用罚函数形式，常用的摩擦模型为库仑摩擦。 从数值模拟结果看，可以得出如下结论： (1)随着径向荷载和剪切荷载的不断增大，从与测定器接触至沿径向扩展一定范围的土体中，Mises应力沿着径向和竖向向上方向逐渐扩张；径向荷载影响Mises应力沿径向扩展的速度和区域，剪切荷载影响Mises应力竖向向上扩展的速度和区域；两者共同作用的结果使Mises应力沿径向偏上一定角度的土体范围内不断增大； (2)随着径向荷载的不断增加，与测定器接触的土体受力范围呈锥形逐渐沿径向不断扩展，同时对上下土体S11应力均有一定程度的影响。 对于指定的路径上，随着径向荷载的增加，对应的每一级荷载下的S11应力也逐渐增加，其增加趋势一致。在SBISP径向荷载和剪切荷载作用下，S11方向应力随着距接触面的距离(径方)越远而逐渐减小，到一定距离(10～15倍孔径)应力趋于水平地应力值。 另外，当每一级径向荷载施加后，向上提升过程中，各点的S11应力稍微有些减小，但是不影响其数值，说明SBISP在外载荷板膨胀后至向上提升的过程中，不必考虑其载荷板膨胀部分上部的土柱的影响。 (3)剪切荷载的施加，对$22应力稍微有些影响，影响范围不大，但影响趋势是使路径b下半部分的S22应力值相对初始值减小，且剪切荷载越大，相对初始值减小越多。 (4)随着径向荷载的不断增加，接触面上的法向荷载也逐渐增加，致使接触面上的剪应力峰值不断提高。根据SBISP现场试验获得的土体的变形与强度参数，模拟得到的接触面上的法向应力与剪应力峰值与实测的径向应力和剪应力峰值的结果吻合较好。 (5)当径向荷载较小时，径向荷载引起土体接触面沿着径向方向微小单元体内产生塑性应变区；对应的较小的剪切荷载引起土体竖向塑性应变的范围不太明显。当径向荷载达到一定值时，径向塑性区明显增大，此时对应的剪切荷载引起竖向塑性应变也开始明显发挥且接触面上方土体比下方土体的塑性应变大。随着径向荷载与剪切荷载的进一步增大，径向和竖向的塑性区逐渐沿两个方向扩展。但是当SBISP第五级荷载施加完成后，其塑性区远小于径向荷载影响区。因此，SBISP能利用其弹性区域应力～应变关系解释土体的变形与强度参数。 5.基于滑移线场理论，假设土体为无重土，对SBISP复合加载条件应用于地基承载力的受力情况进行了初步探讨，认为地基土失稳机理随着复合荷载的倾斜角δ变化而发生变化。失稳机理从单独的法向荷载作用下的地基承载力问题到滑移面平行于孔壁的直接剪切问题。在径向应力qv和水平应力qH的作用下，最大主应力轴与垂直面之间的夹角θB，其变化范围为π/2～3π/4+(ψ)/2.当θB等于3π/4+(ψ)/2时，就变成了直接剪切憾给出了倾斜荷载作用下地基土承载力问题概念模型图。 SBISP推求的地基承载力系数Nc、Nq的解析表达式分别与Hansen61年公式中的Nc·ic和Nq·iq的解析表达式相同，且为γ=0时的精确解。 本文的创新点如下： 1.研制了具有独特结构和加载方式的自钻式原位剪切旁压仪(SBISP)：运用SBISP进行了现场试验，并将其结果与常规原位测试、室内试验和经验值结果进行对比；认为SBISP多级加载方式能够同时获取土的变形与强度参数； 2.采用SBISP多级加载方式，进行了多级三轴试验和多级直剪试验，并与常规三轴试验和直剪试验结果对比：基于强度再生理论，认为室内多级三轴试验和多级直剪试验能够获得软质粘土的抗剪强度参数； 3.运用国际上通用的有限元软件ABAQUS，对SBISP连续多级加载过程土体中的应力应变关系进行了数值分析； 4.基于滑移线场理论描述了倾斜荷载作用下地基承载力问题的概念模型，推导了SBISP应用于地基承载力中的地基承载力系数的解析解表达式，讨论了承载力问题与直接剪切问题的界限判定。