直剪试验（共5篇）
直剪试验 篇1
随着现代试验方法和试验手段的快速变革, 土的性质的测定涌现出各种各样的新方法和新技术[1,2,3]。由于土的力学性质复杂多变, 不同土工试验方法并不能完全测定土的所有物理力学性质, 因此也就无法反应土的性质的全貌。土力学是以分散土为研究对象的学科, 主要研究土体的应力、变形、强度、渗流及长期稳定性。其中强度是影响土的性质的一个极其重要的方面, 强度可归结为土的力学性质。库伦根据砂土和粘性土的剪切试验提出土抗剪强度的表达式, 包含两个抗剪强度指标。该试验即直剪试验, 通常将直剪试验与室内三轴试验相比较, 得到其优缺点。本文以直剪试验为研究对象, 介绍了教学与实践过程中常见的问题, 浅谈一下教学内容和方法的拓展与创新。
一、理论教学应注意原理阐述和演示方法
1.明确直剪试验中研究对象———土的特殊性。土是地壳表层的岩石经受风化作用后形成的松散堆积体, 不同的风化作用形成不同的矿物成分, 不同的搬运、沉积以及硬化成岩过程导致土体产生不同的结构和构造。因此土体是大自然中长期地质历史的产物, 土的性质与成因有关。土是人类生存的主要环境, 包括建筑物的地基、城市地铁隧道、公路隧道、公路的路基等等, 而土的性质复杂多变造成了土的研究仍然处于初步阶段, 很难有一套完整的理论适用于各种土体。因此, 土的研究和教学具有一定的复杂性和特殊性。
2.明确土工试验的重要性和直剪试验的特点。土工试验常见的有室内试验和原位试验等, 为了节省成本和重复性试验还有模型试验, 为了对土的性质的宏观响应进行分析, 进行原位监测等。土是松散堆积体, 粒径有较大的分布范围, 因此应根据需要从宏观或微观尺度进行试验或测试, 微观分析往往是认识土的力学性质和相关机理的一个重要方法[4]。土工试验是深入认识土的形状和完善相关理论的切实途径, 为各种理论提供参数, 对理论的合理性进行验证。直剪试验的优点是:仪器构造简单, 操作方便, 适合本科土力学教学;直剪仪也是实际工程中常用的便携式的仪器;直剪仪制样方法简便, 试验条件允许下采用原状土或重塑土进行试验。直剪试验的缺点是:土样尺寸较小, 土样盒刚性大, 导致剪应力分布不均匀, 上下盒接头处产生应力集中, 剪切破坏先从此处开始, 而非沿着土样最薄弱面剪切破坏, 也并非完全沿着上下盒之间的平面, 在试样内部应力非常复杂, 这可以从离散元细观分析来演示说明。同时, 抗剪强度的计算通常按土样的原始截面面积进行计算, 与实际剪切面不断缩小相矛盾。试验过程中不能有效地控制排水条件, 也无法测定孔隙水压力变化情况。
3.多角度演示直剪试验过程。理论教学中, 为了增强学生的学习兴趣, 可通过多种手段多角度展示直剪试验过程和试验原理。常用的教学方法有PPT展示, PPT动画或flash动画演示仪器结构和操作流程, 也可以采用视频教学或指导教师直接在仪器上进行演示。目前本人已展开用颗粒流离散元法分析演示直剪试验, 对直剪试验的土体颗粒流动有了更好的展示, 可以更好地解释直剪试验的优缺点, 如仪器上下盒刚度的影响、应力集中现、剪切面不完全是一个平面等现象。学生对这种方法的展示表现出极大的兴趣, 试验实践也更为积极。
二、实践教学注意知识点的交融和研究素质的培养
直剪试验需要确定土的密度、含水率、土的分类, 所以要注意知识点的交融, 温故知新。直剪试验又是对强度指标, 不同土、含水率、密度和压力, 其应力应变关系各异, 试验现象也不同, 数据筛选和整理都体现出研究素质的重要性, 因此开展直剪试验也是培养学生研究素质的重要手段。
1.试验的前期准备和试验进行。开展直剪试验前需制定试验方案和工作计划, 确定试验步骤。直剪试验之前需掌握密度试验、含水率试验等。一般一组数据是否存在较大的误差无法直接判别, 需开展3~4组平行试验, 平行试验应由同一组人在同一台仪器上进行, 尽量保证人为造成的误差降至最低。试验最少由两个人同时进行, 一个负责摇手轮, 另一个人负责记录数据量力环读数, 可以采取先对百分表拍照后对数据进行整理的办法。平行试验得到的数据如有较大的误差, 指导老师和试验的同学应参与讨论, 对数据误差较大的应剔除或者补充试验再次进行比较分析。
2.试验现象的细致分析和总结。直剪试验由于仪器简单, 无法控制排水条件, 无法测定孔隙水压力。但是指导老师应培养学生观察和记录现象的能力, 并对试验现象进行分析。观察分试样准备, 试样装入、试验过程和拆样比较。试验前观察土样的表面是否平整, 各处是否干湿均匀, 辅助测定试样上各个位置点的含水率。装样时观察试样是否有溢出和压平。试验过程观察是否接触良好, 剪切过程中读数是否平稳变化。拆样后观察剪切面是否平整光滑, 裂纹发展情况, 试验与剪切盒间的接触关系、试样前端和后端的高差等等。对平行试验和不同压力下的现象进行比较分析, 找到数据变化可能的原因。
3.试验数据的整理和结果分析。直剪试验三种类型得到不同的强度指标, 需要根据规范要求处理数据, 以快剪试验为例, 应将剪切速度、圈数、量力环百分表读数、测力环系数记录在excel中, 绘制出不同压力下剪应力与剪切位移关系曲线。一个数据点由剪切速度乘以圈数再减去量力环读数得到, 避免直接以剪切速度乘以圈数来确定剪切位移。实践操作中指导老师应给予指导和解释。一般一组数据是否存在较大的误差无法判别, 需开展3~4组平行试验, 不能盲目取其中一条或者取多条的平均值来确定, 而应对其合理性进行分析, 对值的大小和试样制备和试验过程发生的情况进行比较分析, 锻炼学生的分析思考能力。这部分实践教学对学生查阅规范、处理数据、excel绘图和公式计算等都有较大的帮助。
直剪试验是土力学中一个重要的试验课程, 是对前面开展的密度试验、含水率试验等的继续深入, 从理论教学到实践教学均体现出原理的探讨和研究素质的培养。在教学中开展多角度教学演示, 特别是采用颗粒流模拟试验中土样的变形和剪切破坏能够激起学生的学习兴趣, 认真对待试验中的每个步骤, 记录实现过程中出现的现象, 学会处理数据, 达到良好的教学效果。
参考文献
[1]李广信.高等土力学[M].北京:清华大学出版社, 2004.
[2]胡黎明, 濮家骝.土与结构物接触面损伤本构模型[J].岩土力学, 2002, (1) :6-11.
[3]杨林德, 刘齐建.土-结构物接触面统计损伤本构模型[J].地下空间与工程学报, 2006, 2 (1) :79-82.
[4]贾学明, 柴贺军, 郑颖人.土石混合料大型直剪试验的颗粒离散元细观力学模拟研究[J].岩土力学, 2010, 31 (9) :2695-2703.
土的直剪试验影响因素分析 篇2
1.1 概念
所谓直剪试验,是指在某一特定面上剪切土的试件,直接测定该面上的剪应力和抗剪强度的试验。直剪试验是室内测定土体抗剪强度的一种常用方法,可方便地为土木工程治理、加固及破坏分析提供所需的土体抗剪强度参数:粘聚力c和内摩擦角φ。该方法因其快捷方便,结果处理简单,被广泛采用,也是测定土的抗剪强度最简单的和最原始的试验方法,如图1。
1.2 直剪试验原理
直剪仪分应变式直剪仪、应力式直剪仪两种。应变式直剪仪能够较准确地测定剪切变形曲线的峰值和最后值,室内较多采用应变式。试验时用环刀切出厚为20mm的圆形试样,将试样推入剪切盒内,分别在不同的垂直压力下,施加水平剪切力进行剪切,使试样在上下盒之间的水平面上发生剪切至破坏。求得破坏值的剪切应力τ,然后根据库伦定律确定土的抗剪强度参数,如图2。
1.3 直剪试验分类
按剪切前土的固结程度,剪切时排水条件以及剪切速率快慢,把直剪试验分为快剪、固结快剪、慢剪。
快剪(不排水剪):试样在垂直压力施加后立即进行快速剪切,试验全过程都不允许有排水现象产生。这时垂直压力大部分由孔隙水来承担。适用于施工进度快,排水条件差的情况下,如厚度很大的饱和黏土地基。
固结快剪(固结不排水剪)试样在垂直压力下,给予充分时间,使土样孔隙中的水全部排出而达到完全固结,之后,每加一级水平剪力后,均留足够时间,使土样充分排水,这时垂直压力全部由土粒承担,再进行快速剪切。适用于一般建筑物的地基稳定性分析,施工期间有一定的固结作用。
慢剪(排水剪):试样在垂直压力下,排水固结后慢慢地进行剪切,剪切过程中孔隙水可自由排出。一般工程的正常施工进度都不符合这样的条件,所以,工程试验中较少直接采用。
2 试验过程的影响因素
2.1 剪切过程中应力和应变的变化
按照试验要求,试验过程中,主应力大小不变,试样在水平应力下剪动,实际情况并非如此。开始直剪后,由于水平剪切力使得上下盒发生相对位移,从而使试样上下被剪两部分也随之产生相对位移。位移的产生,使原来的轴向正压力变成偏轴压力,从而使试样发生斜剪。研究表明,实验所得摩擦角比真摩擦角偏小。同时土样的剪切面逐渐减小,但在计算强度时,仍按土样的原截面积计算,造成试验结果的偏离。当试样被剪损时,由于边缘效应(逐渐破坏作用)使得靠近剪力盒边缘处的应变为最大,而试样中间部分的应变相对要小得多。此外,剪切面附近的应变又大于试样顶部和底部的应变。所以试样总变形量,可以用量表精确测定,但算出的剪应变却是剪切面前后相差很大的应变量的混合值。所以,在剪切过程中,特别是在剪切破坏时,试样内部的应变既非均匀又难确定。
同样,试样中的剪应力也是很不均匀的。土样剪切时先从试样边缘开始,在剪切盒边缘处形成了明显的应力集中现象,靠近剪切盒的最前段作用点处剪应力最大,向两侧分布逐渐减小,在整个剪切过程中,始终存在剪应力分布不均匀的问题。
因此,剪切过程中的应力和应变的变化为不完全可控因素,不完全符合莫尔-库仑理论,它是造成剪切试验偏差的主要原因之一。
2.2 剪切速率
剪切速率是影响土的抗剪强度的一个重要因素,它从两个方面影响:一是剪切速率对孔隙水压力的产生、传递与消散的影响,即影响试样的排水固结强度;另一是对黏滞阻力的影响,当剪切速率较高时,剪切历时较短,黏滞阻力增大,表现出较高的抗剪强度;反之,黏滞阻力小,所得的强度降低。因此,应严格按照不同剪切试验要求的速率进行试验。
实践证明,剪切速率对砂土抗剪强度影响很少,但对粘性土抗剪强度的影响比较明显,粘性土的抗剪强度一般会随剪切速率提高而增加,这种趋势在硬土中更为明显。破坏历时几分钟的试样与破坏历时千分之几分钟的试样相比,强度可相差一倍以上。
剪切速率对内摩擦角影响不大,只有速率较大时,才略有影响。
2.3 土本身性质的作用
2.3.1 土的矿物成分、颗粒形状和级配
一般来说,粘性土的抗剪强度随着粘粒和粘土矿物含量的增加而增大;在土的颗粒级配中,粗颗粒越多,形状越不规则,其内摩擦角越大。
2.3.2 密度与含水量
密度、含水量是影响抗剪强度的重要因素,因而测定试验前的密度、含水量可以了解试样的均匀性,按其变化规律,来判断试验成果的正确性。
一般来说,土的原始密度越大,其抗剪强度就越高。对于粗粒土来说,密度越大则颗粒之间的咬合作用越强,因而摩阻力就越大;对于细粒土来所,密度越大则意味着颗粒间的距离越小,水膜越薄,因而原始粘聚力也就越大。
而含水量的增高却使土的抗剪强度降低,这种影响主要表现在两方面:一是水分在粗颗粒之间起着润滑作用,使摩阻力降低;二是粘土颗粒表面结合水膜的增厚使原始粘聚力减小。含水量对砂土的摩擦角影响不大,对粘性土的影响较大。
2.3.3 土的各向异性
试验一般把土样当成各向同性均质体来看待,但这并不能完全真实地模拟土的各向异性的特点,土的各向异性应当包括由微观结构变化和由应力体系引起的各向异性。前者主要决定于土的生成条件,如明显的层状土,软夹层土,硬裂缝粘土等等。后者则取决于原位应力条件。而在直接试验中,剪切面未必是土中最薄弱的面。因此,土的各向异性导致测试的土的抗剪强度比实际的偏高。
2.3.4 土的渗透性
由于直接剪切试验不能控制土的排水条件,因此土的渗透性对试验结果有着非常重要的影响,这是因为直接剪切试验过程中,由于排水是靠剪切速度的快慢来控制的,不管剪切速度多快,在剪切过程中都会不可避免地排水。土的渗透系数越大,剪切过程中排水越多,从而使其强度指标大大增加,越接近排水剪切强度。所以对于渗透系数较大的土,其直接剪切试验特别是不排水剪(快剪)的结果是非常不可靠的。对固结快剪和快剪试验,国家标准明确规定,只适用于渗透系数小于1.00E-06 cm/s的土。
2.3.5 粘性土触变性
粘性土的强度会因扰动而削弱,但经过静置又可以得到一定程度的恢复。对土的这种触变性,如果剪切中的土样经过明显的扰动,则土样就不能反映其真实的天然强度,一般而言,得到的抗剪强度指标就比实际的偏低。土的触变性越大,这种影响就愈显著。
2.3.6 土的蠕变
室内剪切试验一般均可在几分钟至几小时、十几小时内完成,然而,在极慢的加载速率下,某些土发生破坏时的应力远小于室内剪切试验所得的峰值强度,有时甚至只有后者50%,这种情况称为蠕变破坏。蠕变破坏的抗剪强度值和正常室内试验的抗剪强度值的区别,在工程利用中应加以区别。
2.4 温度
在试验中一般不考虑温度对土质的影响。实际上,温度对土的强度和变形有很大的影响。温度主要是通过饱和粘土中的孔隙比的作用而影响土的强度。由于在较高的温度下,水的粘滞性变小,渗透系数增加,使得在高温下固结的饱和粘土的孔隙比减少,因而固结温度越高,土的密度也越高,其强度也会提高。
2.5 垂直荷重
一般而言,应当根据土的软硬性质和实际的工程需要选择合适的垂直荷重。对于软土,可选择50、100、150、200Kg的荷载,对于硬塑-坚硬状土可选择100、200、300、400 Kg的荷载。对于介于两者之间的土,可根据实际工程需要和技术要求确定剪切荷载。经验表明,对于一般性土,不同荷载压力下的抗剪强度,差别不大。相对而言,在同等条件下,在大垂直荷重下比较小垂直荷重下测得的凝聚力偏高,摩擦角偏小。
3 试验结果的确定
3.1 土的破坏数值选定
土的破坏数值的选择直接决定着抗剪强度的大小。
破坏数值的选定常有两种情况,一是剪切应力-剪切位移关系曲线中具有明显的峰值或稳定值,则取其为抗剪强度值。若剪应力随着剪切位移不断增加,无峰值或稳定值,则以相应选定的某一剪切位移对应的剪切应力值作为抗剪强度值。
实际上,以剪切位移作为选值标准,在理论上是不严格的,因各种不同类型剪切破坏时的剪切位移是不完全相同的,即使是同一种土,在不同的垂直压力下,破坏剪切位移也不相同,因而只有在破坏值难以选取时,才用此方法。
因此,实际操作中,应两者相结合获取剪切应力,以此得出合理的抗剪强度指标。
3.2 成果整理和分析
对于剪切试验中的四个试样的剪应力,理论上具有线性关系,但由于天然土形成条件不同,土质的差异性,还有人为因素的影响以及试验操作的误差,试验点在直角坐标上的分布往往不具有函数关系,试验点在图上的分布往往比较分散。对于试验成果的那些明显不合理的数据,应仔细分析各种可能的原因,或者在有条件时,进行一定的补充试验,以便决定对可疑数据的取舍和修正。取舍和修正时,除考虑试验数据离散范围的大小外,还应参考同样地层土的剪切指标和同一个土的土性指标之间的相互关系。另外,对离散程度在允许范围内的点,其数据依然可以加以利用,可以通过一些数值方法修正,得到更为合理、精确的试验结果。一般方法有最小二乘分析法、回归分析法、平均分析法等。
4 结束语
影响土的强度的因素很多,包括土的内在性质和外部条件,都对试验结果起着不同的作用。根据现有的测试设备和技术条件,欲准确测定土的抗剪强度指标是较为困难的,只能作近似模拟。对于渗透性较小(渗透系数小于1.00E-06 cm/s)的土,其直接剪切试验的结果具有实际意义,然而对于渗透性较大(渗透系数大于1.00E-06 cm/s)的土,直接剪切试验的结果是不可靠的。
国家标准中对直接剪切试验做了一定的限制,即只适用于渗透系数小的土。但由于直剪试验简单、经济,目前对大部分建筑,或有经验的地区还在广泛使用。在利用直剪的抗剪强度指标时,应多注意总结,多和其他剪切试验相比较,以期获得合理的抗剪强度指标。
目前国外一般只用直剪仪做慢剪试验,求取土的室内抗剪强度指标一般用三轴仪,对比国内较多使用直剪仪的状况,应当引起反思和重视。
摘要：直剪试验是最直接的抗剪强度的测定方法,本文主要分析了直剪试验的影响因素,对其在试验过程中的作用原理进行了定性的阐述。
关键词：直剪试验,影响因素,抗剪强度
参考文献
[1]GB/T50123-1999,土工试验方法标准.
[2]《公路土工试验规程》编写组.《公路土工试验规程》.人民交通出版社2007
[3]高大钊.土力学与基础工程.中国建筑工业出版社,1998
[4]代国忠.土力学与基础工程.机械工业出版社.2008
[5]李广信.高等土力学.清华大学出版社2004
[6]马敬,戚克安,吴平,解丰田.浅谈如何提高直剪试验的质量.黑龙江水利科技2002.01
[7]邓忠信,鲁嘉,彭凯,陈青生.影响直接剪切试验的因素分析与参数修正.广西水利水电2006-03
[8]成静,徐凡凡.土工试验中的抗剪强度分析.江西水利科技2004.05
浅谈土体直剪试验的缺陷 篇3
直接剪切实验室测定土抗剪强度的一种方法。试验原理根据库伦 (Coulomb) 定律, 公式表示为:
土的内摩擦角于剪切面上的法相力成正比。将土制备成几个土样, 分别在不同的法相应力下, 沿固定的剪切面直接施加水平剪切力进行剪切, 得期间切破坏的剪应力, 即抗剪强度τ, 然后, 根据公式 (1) 确定土的抗剪强度指标c、φ值。
2 现行直剪试验的缺点
2.1 偏轴压应力对参数的影响
在直剪试验中, 一般将试样受剪作用理想化为如图1所示:
由受力平衡有:
通过 (2) 式推倒就可以求出c和φ值。
在试验开始, 施加于试样的压力为轴向正压力p。当剪切开始时, 上下盒发生相对位移, 试样上下被剪两部分随之发生相对位移。这样的位移, 使原来轴向的正压力变为偏轴压力, 从而使试样发生斜剪 (如图2) 。
由图2受力平衡得:
由式 (2) 可见, 在试验中,
测得:=tanφ'=cosαtanφ (4)
式中φ′表示试验中测得的摩擦角值;α表示理想剪切面与实际剪切面的夹角;φ表示试样实际的摩擦角值。由公式 (4) 得出:φ′<φ, 显然, 这与实际所得的结果有很大的差距。
2.2 剪切试验土体剪切面积偏小
图3, 图5是普通直剪试验和中型直剪试验2d-sigma模拟效果图, 模拟试样土的参数取值如下:
2层: (剪切带) :γ=17kN/m, E=30000kPa, μ=0.40,
从破坏接近度图:图4、图6可以看出, 普通直剪仪剪切带受剪切盒限制, 应力明显集中, 破坏严格按照两剪切盒交界处破坏;而中型直剪仪应力分布相对均匀, 破坏按土体软弱带分布。因此剪切盒面积大小对土体剪破坏有很大影响。
2.3 实际剪切面积对参数的影响
如图7在开始直剪后, 随着位移的增加, 有效剪切面积相应减小, 所对应的值也偏小。而且, 随应力的增加, 破坏时的相对位移愈大, 其有效剪切面积更加变小, 所对应的值也比真值偏小得更多。其结果如图3所示, φ值偏小, c值偏大。
2.4 不能严格控制排水条件
直剪试验不能严格控制排水条件, 以土所受到的总应力为计算标准, 故所得到的强度为总应力强度。施加某一垂直压应力σ后, 逐渐施加水平剪应力, 同时测得相应的剪切位移L, 直至图样被剪破坏为止。通常剪切力的最大值 (峰值) 或者稳定值作为抗剪强度f, 如无明显变化, 以剪切位移等于4mm的剪应力值作为土的抗剪强度。
3 试验缺陷产生的原因
1) 剪切开始后的正应力的非均匀分布以及剪切面发生斜剪均是由试样偏心受力引起的。偏心受力越大, 正应力的非均匀分布和剪切面的斜剪现象就越严重。因此, 只要能解决试样的偏心受力现象, 便能从根本上解决这两个问题。
2) 剪切盒的形状的影响, 受剪切盒侧限的影响, 普通直剪试验剪切面严格按照两个剪切盒交界面进行, 使得试验结果与实际剪切状态有很大差别。因此, 只要能选择合适形状的剪切盒, 对缓解剪应力集中是有可能的。
3) 直剪试验在剪切盒侧限条件下进行, 在剪应力不变的情况下, 随着剪切变形的加大, 剪切面面积随之变小, 从而导致理论值与试验结果的差异。
4) 直剪试验不能有效控制排水条件和测量空隙水压力是由仪器本身引起的。因为剪切盒的上下盒之间有空隙, 对于不排水剪切和固结不排水剪切试验, 在剪切过程中没有办法使它绝对不排水。因此, 规范中对该试验采用了快剪、固结快剪和慢剪等术语来表达, 并用剪切速率的快慢来模拟排水条件。所有这些尽管是有误差的, 但资料表明, 所测数据对实际工程还是具有重要的参考价值。
4 结论
为进一步推进该试验方法在实际工程中的广泛应用, 笔者建议对现有的试验仪器提出进一步改进的简单方案, 采用滑轮组式加力系统, 加大剪切盒面积。这样可尽可能最大限度地减少试验缺陷, 并从理论上完善和验证我们的技术措施, 从而使试验成果更加接近实际。
摘要：本文通过对传统的直剪试验方法存在缺陷的探讨, 分析传统试验存在缺陷的原因, 从而得出直剪试验改进的简单方法, 为地质工作中科学、合理的获取土体剪切强度指标提供依据。
关键词：直剪试验,缺陷,剪切强度
参考文献
[1]唐大雄, 刘佑荣主编.工程岩土学.地质出版社, 1988.
[2]傅丽, 徐黎明.两种蠕变仪在沥青性能评价方面的应用[J].石油化工高等学校学报, 2003.
[3]陈华鑫, 原迎接, 张争奇, 胡长顺.动态剪切蠕变仪试验影响因素研究[J].中南公路工程, 2005.
颗粒破碎在直剪试验中的研究 篇4
1直剪试验
1.1试验仪器
试验仪器为岩土实验室常用的应变控制式土壤直剪仪, 其试样为圆柱体, 直径6.12 cm, 高度2 cm。由于试验主要研究直剪过程中颗粒破碎情况, 统一施加法向应力300 k Pa;由于泥岩遇水崩解以及在制样过程中击实同样会导致颗粒破碎, 故而每组试样制样2分, 一份用于直剪, 另一份制样完成后直接烘干筛分, 将直剪试验颗粒破碎量减去制样颗粒破碎量, 从而尽量减少其他导致颗粒破碎外因。
1.2试验方案 (干密度-含水率-直剪试验)
根据泥岩遇水崩解的特点, 设计试验考虑饱和度对直剪过程中颗粒破碎的影响, 设计试样饱和度为23.14%、46.27%、69.41%、98.33%;同时考虑试样干密度对直剪过程中颗粒破碎的影响, 设计试样干密度分别为1.75 g/cm3、1.80 g/cm3、1.85g/cm3、1.90 g/cm3。泥岩试验材料比重2.72, 所有试样级配均保持不变, 级配曲线见下图1, 其中d10=0.097, d30=0.26, d60=0.68, 不均匀系数7.01, 曲率系数1.02, 试样级配良好, 具体试验方案设计见表1。
2试验结果分析
2.1颗粒破碎量化指标
选取合适的颗粒破碎指标是定量分析颗粒破碎的关键, 目前已有的颗粒破碎量化指标很多, Hardin[11]通过定义相对破碎率Br, 即等于试验前后级配曲线间面积Bt除以初始破碎势Bp, 反映试验前后各粒径的变化量;Marsal[12]通过定义试验前后颗粒各粒组含量之差的正值之和Bg研究颗粒破碎程度, 即:
式中:WK i为试验前级配曲线上某级粒组的含量;WKf为试验后级配曲线上相同粒组的含量。
2.2颗粒破碎量化分析
本文选取破碎指标Bg, 研究直剪过程中泥岩颗粒破碎情况。根据破碎指标Bg定义, 得出各试验组破碎指标, 具体见表2。
根据定义, 试验前后级配曲线上各粒组含量差值为正, 表明该粒组颗粒减小;试验前后级配曲线上各粒组含量差值为正, 表明该粒组颗粒增多。由表2数据可知, 土样剪切过程中, 直径在1~2 mm、0.5~1 mm的颗粒在直剪过程中, 均发生颗粒破碎;直径在0.25~0.5 mm、0.075~0.25 mm、<0.075 mm的颗粒在直剪过程中, 总体上是增多的, 即直剪过程中颗粒的整体趋势是粗颗粒破碎细颗粒增加。
2.3破碎指标Bg与饱和度之间的关系
选取试验编号1、2、3、4试验结果进行分析, 研究在同一级配和试样干密度条件下, 破碎指标Bg随试样饱和度的变化情况。以颗粒粒径d为横坐标, 试验前后各粒组含量差值为纵坐标, 作图2。以试样饱和度Sr为横坐标, 颗粒破碎指标Bg为纵坐标, 作图3。
由图2可知, 试验组1~4颗粒在直剪后均表现为大颗粒减少, 细颗粒增加。土体受剪过程中, 由于法向应力作用, 颗粒重新压缩排列, 在剪应力作用下, 由于大颗粒较小颗粒更加棱角分明, 故而其在剪切过程中会提供较多的抗剪力, 从而导致大颗粒减小, 细颗粒增加。
由图3, 随试样饱和度的增加, 颗粒破碎指标逐渐降低, 并趋于稳定。泥岩遇水崩解, 在饱和度较低时, 大颗粒只有部分发生崩解, 还有相当大的一部分在剪切过程中由于提供抗剪应力从而发生破碎;在饱和度较高时, 大颗粒在饱和过程中已发生较大程度的崩解, 从而剪切过程中崩解较少。
2.4破碎指标Bg与试样干密度之间的关系
选取试验编号5、6、7、8进行试验结果分析, 研究在同一饱和度和级配条件下, 研究直剪过程中颗粒破碎指标Bg随试样干密度ρ的变化情况。以颗粒粒径d为横坐标, 试验前后各粒组含量差值为纵坐标, 作图4;以试样干密度ρ为横坐标, 以破碎指标Bg为纵坐标, 作图5。
由图4可知, 试验组5~8颗粒在直剪试验之后总体上也呈大颗粒减小, 细颗粒增加;由图5可知, 随着干密度ρ的增加, 破碎指标Bg呈递增趋势。试样在制备过程中, 干密度ρ越大, 其试样制备的越密实, 在剪切过程中, 颗粒与颗粒直剪咬合紧密大颗粒相对而言更容易破碎, 从而使得试样干密度ρ越大, 其颗粒破碎程度越高。
经过图4的分析, 采用MATLAB对Bg与d的关系采取5次拟合, 拟合的关系式如下:
式中:p1, p2, p3, p4, p5式中为各项系数, 分别为219.51, -1 100.5, 1 297, -1 380.3, 359.11, -23.45。
3结论
通过引入破碎指标Bg, 对直剪过程中颗粒破碎进行分析研究, 得出如下结论:
(1) 直剪过程中, 颗粒破碎趋势为大颗粒减小, 细颗粒增加。
(2) 随着试样饱和度的增加, 颗粒破碎指标Bg逐渐减小。
(3) 随着试样干密度的增加, 颗粒破碎指标Bg逐渐增大。
摘要：通过引入颗粒破碎指标Bg, 设计8组室内土体直剪试验, 研究直剪过程中颗粒的破碎随试样饱和度以及干密度的变化情况。对试验数据进行分析处理, 得出以下结论:1直剪过程中土颗粒总是大颗粒减小细颗粒增加;2随着饱和度增大, 颗粒破碎指标逐渐减小, 并趋于稳定;3随着试样干密度增大, 颗粒破碎指标逐渐增大。
关键词：直剪试验,破碎,饱和度,干密度
参考文献
[1] Marsal R J.Large scale testing of rockfill materials.Journal of the soil Mechanics and Foundation Division, 1967;SM.2:27—43
[2] 郭庆国.关于粗粒土抗剪强度特性的试验研究.水利学报, 1987; (05) :59—65Guo Q G.Experimental study on shear strength characteristics of coarse grained soil.Journal of Hydraulic Engineering, 1987; (05) :59 —65
[3] 郭庆国.粗粒土的抗剪强度特性及其参数.陕西水力发电, 1990; (3) :29—36Guo Q G.Shear strength characteristics and parameters of coarse grained soil.Shanxi Hydroelectric, 1990; (3) :29—36
[4] 郭熙灵, 胡辉, 包承纲.堆石料颗粒破碎对剪胀性及抗剪强度的影响.岩土工程学报, 1997;19 (03) :86—91Guo X L, Hu H, Bao C G.Rockfills particle breakage and dilatancy effects on shear strength.Journal of Geotechnical Engineering, 1997;19 (03) :86—91
[5] 胡万雨, 覃燕林, 刘恩龙, 等.粗粒土颗粒破碎大型直剪试验研究.南水北调与水利科技, 2013; (02) :31—33Hu W Y, Qin Y L, Liu E L, et al.Experimental study of large direct shear crushing coarse-grained soil particles.Water Science and Technology, 2013; (02) :31—33
[6] 冯大阔, 张建民.循环直剪条件下粗粒土与结构接触面颗粒破碎研究.岩土工程学报, 2012; (04) :767—773Feng D K, Zhang J M.Direct shear conditions under cyclic structure of the contact surface with coarse-grained soil particles breaking research.Journal of Geotechnical Engineering, 2012; (04) :767—773
[7] 王光进, 杨春和, 张超, 等.粗粒含量对散体岩土颗粒破碎及强度特性试验研究.岩土力学, 2009;30 (12) :3649—3654 Wang G J, Yang C H, Zhang C, et al.Experimental study of coarse granular soil content on particle breakage and strength characteristics Rock and Soil Mechanics, 2009;30 (12) :3649—3654
[8] 刘飞飞.粗粒料大型单剪试验研究.南京:河海大学, 2007Liu F F.Experimental study of coarse aggregate large single shear Nanjing:Hohai University, 2007
[9] 刘汉龙, 秦红玉, 高玉峰, 等.堆石粗粒料颗粒破碎试验研究.岩土力学, 2005;26 (04) :562—566Liu H L, Qin H Y, Gao Y F Coarse aggregate particle breakage of rockfill experimental research.Rock and Soil Mechanics, 2005;26 (04) :562—566
[10] 柏树田, 周晓光.堆石在平面应变条件下的强度和应力—应变关系.岩土工程学报, 1991; (04) :33—40Bo S T, Zhou X G.Rockfill under plane strain condition strength and stress-strain relations.Journal of Geotechnical Engineering, 1991; (04) :33—40
[11] Hardin C S.Crushing of soil particles.Journal of Geotechnical Engineering, American Society of Civil Engineers, 1985;111 (10) :1177—1192
直剪试验 篇5
关键词：原位直剪试验,强风化花岗岩,核电站
0 前言
某核电站位于我国南方沿海的半岛上,属低丘陵地貌,规划容量为6×1750MW级压水堆核能发电机组,核岛边坡顶部基本为强风化岩体揭露,厚度大于30m。边坡坡脚离厂房的最小距离均小于50m,按有关核安全法规,该边坡与核安全有关, 应进行抗震稳定性验算。由于厂区边坡岩体开挖后易沿强风化和中微风化分割面以及强风化岩体内的新生滑裂面产生滑动,影响范围较大,因此要准确地对相关边坡进行稳定性分析,以便能够及时对工程设计和施工的质量做出反馈,保证强风化花岗岩边坡的开挖既安全稳定又经济合理,而要准确地判断边坡稳定性,不论运用何种数值算法,都必须以边坡强风化岩体相关的抗剪强度指标(c和φ值)为基础。另外,常规岛负挖至设计标高后,拟采用天然地基,设计标高以下地基基本为强风化花岗岩,强风化岩体抗剪强度指标也是设计输入的关键指标。因此岩体抗剪强度指标的获取对边坡及常规岛地基等变形预测和稳定性评价就显得至关重要。
由于岩体风化强烈,扰动后即碎裂,现场取样和室内试样的难度较大,且目前进行岩体强度参数反分析的资料相对匮乏。作者针对强风化花岗岩体设计了堆载式原位直剪试验,以获取岩体的抗剪强度参数,取得了很好的效果。
1 试验方案
1.1 试验布置与制备
强风化花岗岩强度较低,扰动后即碎裂,基于此直剪试验的法向荷载可设计采用堆载形式,即堆载式加荷直剪法。试验共12组试样,每组有4块试样,每块试样分别在不同的法向堆载作用下,施加水平剪力进行剪切,得到各试样的剪应力—位移曲线和每组试样的σ-τ关系曲线,据此得出堆积体的抗剪强度参数c、φ值,从而确定堆积体的剪切强度特性。
1.2 试样制备
根据现场工程地质情况和工程进度,在强风化花岗岩较厚地段分别开挖A、B、C和D四个试验槽进行原位剪切试验,每个试样的尺寸均为50cm×50cm×55cm(剪切面积为0.25m2),试验过程中用50cm×50cm×50cm的钢剪切盒进行固定。试样开挖时先制成上小下大的四棱柱形状,然后将剪切盒套在试样顶部,待剪切盒放平稳后刮去剪切盒下部凸出的部分,边修饰边敲击剪切盒,使剪切盒下落,直至剪切盒落至试样的预剪位置,此时再拧紧剪切盒上的螺栓,以保证剪切盒和试样紧密接触。
12组试样中有4组进行了饱水试验,饱水方法以中心注水法为主,四周浸水法为辅,待剪切盒安装完毕后,用钢钎在试样内部打出1~4个小孔,用软皮管将水滴灌入试样内,同时在试样四周开挖饱水槽,每个饱水试验的浸水时间不得少于18h,在剪切试验过程中,视水的情况不时向饱水槽内添加水,以保证试验过程中试样能饱水。
1.3 压力装置及变形量测系统
法向力和剪力的施加机具为相互独立的液压千斤顶,加载的外部反力装置采用砂袋堆载(堆载布置见图1)。剪切位移和法向位移的量测设备采用百分表(百分表布置见图2和图3),其中表1至表4量测法向位移,试样的法向位移取表1至表4 的平均值;表5至表8量测剪切位移,试样的剪切位移取表5至表8的平均值。
1.4 加载过程
本试验目的是获取强风化花岗岩体的抗剪强度指标,它们是剪切面上法向应力的函数。本试验设计以摩尔—库仑准则为指导,预估试样的粘聚力c为50kPa,摩擦角φ为35°。对同一组内的四块试样对应施加的法向荷载分别为50kPa、100kPa、150kPa和200kPa,由于水平千斤顶的行程有限,且试样产生剪切位移后无法回位,通常每块试样在对应的法向荷载下只能进行2~3次循环剪切试验。根据预估的c、φ值,确定试样抗剪强度的范围,从而有计划地施加剪切荷载。
法向荷载通常分3到5级均匀加到预定荷载,然后法向应力保持不变,由于试样的渗透系数较大(数量级为10-4),其中的孔隙水压力很小,可以不考虑试样的固结阶段,所以加载时可以适当加快加载速率,通常是当每级荷载3min的沉降小于0.01mm时,则施加下一级荷载,直至预定的法向荷载。法向应力保持不变以后,剪力采用增量加载法施加,通常根据预估的抗剪强度分级逐步均匀施加(至少分10级施加),以便控制剪切位移速率。在试样达到实际的抗剪强度以前,通常要读取至少10组读数,每次循环试验的剪切位移行程至少要达到试样边长的3%。
2 试验成果分析
2.1 直剪试验应力计算
法向应力:
剪切应力:
式中:G为试样自重(kN);N为法向堆载(kN);Q为水平剪力(kN);A为试样剪切面积(m2)。
2.2 抗剪强度的选取方法
本试验中强风化花岗岩试样风化强烈,呈褐黄色、浅肉红色,广泛分布铁锰质渲染的棕褐色节理面,岩芯呈坚硬土状或半岩半土状,原岩结构(中粗粒斑状结构)清晰可辨,锤击声哑,岩质软弱。岩石矿物成分除石英外,基本风化为次生矿物,由于岩体风化的不均匀性,该层中常夹有中等风化及微风化较硬夹层或球状风化体。实测标准贯入击数大于50击,结合单次循环的剪切试验和2~3次循环剪切试验的包络线来选取试样的剪切强度。根据单次循环的剪切试验和2~3次循环剪切试验的剪力—剪切位移包络线可以将试验曲线分为两类,见图4。
曲线Ⅰ可近似认为是脆性破坏类型,峰值强度和残余强度都比较明显,也较易确定,对于试样屈服强度的选取,建议以测量相对位移的辅助手段来确定[1],但是相对位移法对岩体沿混凝土剪切和结构面直剪比较实用,而对岩体直剪试验可操作性不强,所以本试验中屈服强度选取是以位移控制法为主,由于每次循环试验中试样在达到峰值强度时对应的剪切位移为6~10mm,因此选取剪切位移达到5mm时的剪切力作为试样的剪切屈服强度。
曲线Ⅱ可近似认为是塑性破坏类型,峰值强度和残余强度的差别不明显,峰值强度取试验中的剪应力最大值,建议取剪切位移大于10mm时对应的剪力为残余抗剪强度[1],据此选取结果与峰值强度差别不大,因此对此类曲线不选取残余强度。屈服强度的选取以位移控制法为主,控制位移仍取5mm,同时以图解法辅助选取(见图4),即取剪力—剪切位移曲线首、尾段的两切线相交点再投影到剪力—剪切位移曲线上的点为屈服强度点,如果位移控制法和图解法皆可行,则取两个结果的较小值。
在选取每组试样的屈服强度和峰值强度后,运用最小二乘法回归得到每组试样的屈服强度参数和峰值强度参数。在计算受剪面的剪切力之前,由于要考虑施加剪切力时滚轴产生的摩阻力,通常要在剪切力中扣除法向应力的1%~2%,本试验在实际处理中扣除了法向应力的1.5%。
2.3 直剪试验中试样应力—应变关系
由于强风化岩体中砾砂含量较多,且粒径较大,高压条件下曲线软化。根据现场试验记录,各试样的剪力—变形关系曲线见图5,由图可见强风化花岗岩体所表现的应力应变特点与岩体和土体有很大不同,因此室内实验将强风化花岗岩按土体进行实验的结果未能反应其力学特性,导致实验结果与实际偏差较大。
2.4 抗剪强度参数确定
以第一组试验为例,根据莫尔—库仑破坏准则,得到试验点的法向应力—剪应力关系曲线,见图6。
由σ-τ关系曲线,可以得知屈服强度和峰值强度线性关系基本一致,本次试验点屈服强度和峰值强度参数如表1所示。
岩体强度实际使用时可以直接选用屈服强度或者对峰值强度折减后再行采用[2]。原位试验和室内试验强风化花岗岩强度参数建议值如表2所示,可见原位试验所得强度参数明显较高。
3 试验结果分析
(1)试验方法上,本次采用堆载提供法向压力,避免了如千斤顶等其他加载方式所引起的剪切过程中的法向荷载偏心现象,而且堆载使直剪过程中法向应力保持恒定。直剪试验试样沿底部预定剪切面剪断,破坏面平直,剪切面上的应力计算准确程度较高。试验结果显示堆载式直剪试验是一种获取堆积体剪切强度的有效方法;
(2)试验点选取上,本次试验所选取的试验点均分散在厂区强风化岩体较厚区域,试验点具有典型性和代表性,所得到的结论也具有广泛性;
(3)从试验点试样的剪应力—位移曲线可以看出,剪切过程中试样没有明显的弹性变形阶段,施加剪力时试体便进入应力强化阶段,在较小的位移形变下试样即达到峰值强度,试样沿底部形成贯通且较平整的剪切破坏面;
(4)鉴于工程安全储备,设计时,强风化岩体一般选取饱水状态参数,原位试验与室内试验相比,更反映实际性质,而且原位试验强度参数值明显高于室内试验,不但提高了工程可靠性,而且又保证了工程的经济性。
4 结语
本文提出运用堆载式直剪法来测试强风化岩体的剪切强度,并通过野外现场试验验证了测试方法的可行性。多组试验及数据成果分析,基本认识了强风化岩体的剪切强度性质,得到更接近实际的强风化花岗岩体强度参数,不但保证了工程的安全可靠性,还保证了工程的经济性。因此,原位试验不但为强风化岩体性质研究提供了手段,也拥有很大的工程实用性,减少了不必要的过于保守性。但是,影响堆积体剪切强度的因素很多,例如强风化岩体土石的内在分布性状、块碎石的尺寸效应和磨圆度、胶结程度、含水率和密实度等,还需要通过大量的原位试验来研究这些因素与强风化岩体剪切强度之间的规律性。
参考文献
[1]中华人民共和国国家标准.岩土工程勘察规范(GB50021-2001)[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.
[2]中华人民共和国行业标准.水利水电工程岩石试验规程(SL264-2001)[S].北京:中国水利水电出版社,2001.
[3]油新华,汤劲松.土石混合体野外水平推剪试验研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(10):1537~1540.
[4]《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1992.
[5]谭儒咬,胡瑞林等.虎跳峡工程区松散堆积体原位直剪试验研究[J].煤田地质与勘探,2005,33(6):53~55.
[6]中华人民共和国行业标准.土工试验规程(SL237-1999)[S].北京:中国水利水电出版社,1999.