现场原状土直剪试验.docx
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现场原状土直剪试验
现场原状土直剪试验
现场原状土的直剪试验计划书
一、概述
我们日常所得土体的力学性能参数大多是在实验室内做试验得到的。
但在一些大型的、特殊的工程中实验室所得的参数就有它的局限性,因此,我们有必要在现场的条件下进行试验,从而得到土体实际的力学参数。
进而知道工程的设计和施工。
由于试验尺寸大且在现场进行,能把土体的非均质性及软弱结构面对抗剪强度的影响更真实地反映出来,比室内土体试验更符合实际情况。
现场直剪试验主要适用于粘性土、粉土、砂土、碎石土以及它们所组成的混合土层。
土体的现场剪切试验可分为三类:
(1)土体本身直剪试验;
(2)土体沿软弱结构面的直剪试验;
(3)土体与混凝土接触面的直剪试验。
每类试验又可细分为:
(1)抗剪断试验:
试体在法向应力作用下沿剪切面剪切破坏的直剪试验;
(2)抗剪试验(摩擦试验):
试体剪断后沿剪切面继续剪切的抗剪试验;
(3)抗切试验:
法向应力为0时对试体进行的直剪试验。
从而根据库仑方程得到相应的强度指标:
抗剪断强度,抗剪强度(摩擦强度),抗切强度。
如图1所示.本文主要介绍现场原装土的直剪试验。
图1剪切试验种类
二、试验目的
由于现场直剪试验土样的受剪面积比室内试验大得多,且又是在现场直接进行试验的,因此较室内试验更能符合天然状态,得出的结果更加符合实际工程的技术要求。
通过大面积现场直接剪切试验,求出现场原状土的抗剪强度参数C,
,研究观察现场原状土的抗剪性能。
三、实验原理
根据库仑定律(1776),有:
(1)
式中,
剪切破坏面上的剪应力(kPa),即岩土体的抗剪强度;
——破坏面上的法向应力(kPa);
C--岩土体的内聚力(kPa);
--岩土体的内摩擦角(°);
依据所测得的τf可推求出相应的C、φ值。
(1)平推法
法向应力:
切向应力:
(2)斜推法
法向应力:
+
切向应力:
式中,Q--作用于剪切面上的总斜向荷载(N);
--斜向荷载施力方向与剪切面之间的夹角。
四、试验前的准备工作
1、确定试验小组成员、组长,制定工作计划,分配任务。
实验小组共四名成员,应具备岩土工程的基础知识,有良好的组织协调和团队合作的能力,人员结构要求至少包含两名有相关试验经验的人员。
试验小组成立后,利用半天的时间让小组成员学习大面积直剪试验及在试验过程中应该注意的事项。
制定工作计划以及分配任务,如表1所示。
表1试验进度及人员安排计划表
试验名称:
试验组长:
序号
项目
时间(天)
负责人员
1
现场调查,收集资料
1
A、B、C
2
讨论试验的具体事宜
制定试验方案
1
全部人员
3
现场准备试验设备
1--2
B、D
4
制备试样、安装试验设备、
加载及记录数据
1
全部人员
5
卸载与仪器拆除
0.5
B、D
6
数据资料整理
0.5
B
7
撰写试验报告
0.5
C
8
审核试验报告
0.5
A、B
2、试验仪器设备的准备。
本试验需要的仪器设备如表2所示
表2原状土体直剪试验仪器设备表
序号
设备名称
规格或型号
单位
数量
备注
一、试样制备设备
1
地质描述仪器
套
1
2
人工开挖工具
套
1
3
剪力盒
700mm×700mm×300mm
个
1
下端带刃口
4
试样切削工具
削土刀、刮土刀、调土刀、小铲、小锤
套
1
二、加载设备
5
分离式液压千斤顶
FYQ30-6.3/15
额定吨位30T
起重高度63/150mm
个
3
一个备用
6
滚动滑板
700mm×700mm
套
1
由两块钢板中间夹滚珠组成
7
工字钢
4m长32b
根
2
主梁
1.2m长28a
根
2
次梁
8
地锚
总长3.5m
设计荷载5t
个
5
一个备用
注:
以上仪器设备在试验前均需要校准核实,确保正常安全工作。
五、试验步骤
1、试样制备
(1)设计试样尺寸:
700mm×700mm×300mm。
满足剪切面积大于0.3m2,高度大于20cm或最大粒径的4-8倍规范要求。
试验取三组,每组三个试样,共九个试样进行试验。
(2)选择了现场有代表性的三个试验地段开挖试坑,试坑的开口尺寸应根据土质情况和试验深度而定,初步拟定工作面尺寸5000mm×2000mm。
当试坑开挖到离要求试验深度315mm时,停止全面开挖,按图1所示预留一条宽800mm、高315mm的土埂,以便制作试件。
(3)停止全面开挖时,在试坑内的拟定试样旁边取原状土样,保存好,带回实验室测定试验前土的重度和天然含水率。
(4)由预留土埂的一端(距试坑端壁250mm)开始制备试件,先将顶部粗略削平,使顶面与剪切面平行,再将土埂切削成三个边长780mm×780mm的土柱。
土柱侧面必须与剪切面垂直。
各试体之间距离等于1200mm,满足大于试件最小边长的1.5倍。
(5)将剪力盒套在土柱上端,用削土刀精削土柱,边削边压,直到剪力盒刃口部达到预定位置,再修整试样顶面并超出剪力盒上缘10mm
(6)若试件制备过程中出现的凹面、缺角等缺陷,应用原土或粉细砂填补。
(7)剪力盒与试样之间的缝隙应用粉细砂填实,可对缝隙附近的盒壁轻击震动,使砂土徐徐注入。
剪切面的开缝应为最小粒径的1/3~1/4。
清除周围余土,形成与剪切面一致的试坑基底。
图1试样布置及加荷装置示意图1、2、3、4-地锚
1-剪力盒(内装试样);2-滚动滑板;3-滚珠;4-千斤顶;5力传感器;6-位移计;7-钢梁;8-地锚;9-垫板
图2大面积现场直剪试验设备安装示意图
2、设备安装
在安装仪器设备之前,应按有关规定测定滚排摩擦力f0;
(1)安装法向荷载系统
在带有剪力盒的试样上,安装滚动滑板,滑板的上部安装千斤顶。
在千斤顶活塞的上部安装垂向应力传感器,传感器接受千斤顶的作用力并传递作用于反力系统,反力系统采用地锚钢梁式,先安装钢梁,再用地锚拧入土中,进一步加固钢梁。
滚动滑板底面与试样顶面间垫层薄砂,使滚动滑板平面与剪力盒顶面平行,反力合力作用点、测力计中心、千斤顶施力中心、滚动滑板中心、试件中心应保持在同一中轴线上,并且与预定剪切面垂直。
安装完毕后,启动千斤顶,施加接触压力使整个法向荷载系统接触紧密。
千斤顶活塞应预留足够的行程,以行程形成不够。
施加垂直荷载装置安装应按下列顺序进行:
在试样表面铺砂、击实并末平整至剪切盒表面;
安装下钢板、滚排、上钢板;
安装油压千斤顶,将施力中心对准试样中心;
安装滑块、传力柱,并对准工字形钢梁中心。
(2)安装剪切荷载系统
安装水平反力装置,要求坑壁面平整,调整反力座使反力垫板与坑壁紧密接触,切向压力千斤顶利用基坑坑壁作反力底座,坑壁垫板的面积与千斤顶支撑杆的刚度应满足刚度要求。
千斤顶的活塞顶升方向与剪力盒底面方向保持一致。
剪应力传感器安装于千斤顶活塞与剪力盒之间,剪力盒的受力面上应垫上与之吻合的框架或钢板,以保证在切向力的作用下试验系统有足够的刚度,不致使剪力盒产生过大的变形,千斤顶在剪力盒上的施力点,应安置在剪力盒侧面的中心点上,力的作用方向应通过试样预剪面中心。
施加横向荷载装置安装应按下列顺序进行:
安装定顶压钢板,并在底部垫约1cm厚木板2块,两端放置紧贴剪切盒,岩石试验还应在顶压钢板与剪切盒之间垫放橡皮垫;
安装油压千斤顶,使其施力中心对准剪切面,且位
于试样中线;
安放滑块位于油压千斤顶后座中心;
安放后座钢板,并将该钢板与试槽壁之间填实。
针对斜推法要关注下面这种情况:
安装斜向千斤顶时,须严格定位。
斜向推力作用方向与剪切面的夹角一般为12~17°,一般用15°。
使千斤顶的轴线穿过剪切面中心,力争剪切面受力均匀。
安装垂直加荷反力装置卧式斜支撑应符合下列规定:
在试样间隔处合适位置的槽壁上修制斜撑板的倒角。
修制斜撑板倒角图3所示。
图3
(4)安装测量系统
量测试样垂向变形的位移计测点,安装在滚动滑板的两对角上,量测试样剪切变形的测点,安装在剪力受力面的另一侧,左右两边各一个。
安装位移计的基座应注意避免试验影响。
试样的制备和实验设备的安装应尽快完成,以保持试样的天然含水率状态。
3、加载方法
(1)施加法向荷载
首先对一个试体分级施加垂向荷载,分5级施加,每级30kPa最大法向荷载为150kPa。
分级施加荷载到预定压力后,每5min量测一次位移计读数。
当每分钟内变化小于0.05mm时,即认为稳定,再施加下一级荷载。
法向荷载达到最大值后,整个试验过程中应保持不变。
(2)施加剪切荷载
预加法向荷载达到稳定后,即可施加切向剪应力,控制千斤顶使其推力均匀的连续施加,剪切变形的速度控制在每分钟5mm左右,并在试验过程中每20s测度一次剪应力和剪切变形,直至随着变形增加而剪应力不再增加为止。
若无上述情况出现,剪切变形达到35mm-70mm时,即可停止试验。
在施加切向剪应力的过程中,应保持竖向荷载不变。
剪损时间控制在5-10min内为宜。
(3)按上述步骤作另外两个试样在不同垂直荷载作用下的直剪试验。
其中一个法向荷载分5级、每级60kPa、最大法向荷载300kPa施加;另一个法向荷载分5级、每级90kPa、最大法向荷载450kPa施加。
加载过程中,注意及时准确的纪录数据。
4、取土样,保存好,带回试验室测定试验后土样的重度和天然含水率。
六、试验方法
岩体与混凝土接触面的直剪试验的试验方法有斜推法和平推法两种。
我们在这里采用斜推法。
斜推法试验:
1、加荷分析
首先应对每一个试体施加一定的垂直荷载,然后再施加斜向剪切荷载,进行试验。
由于斜向荷载可分解为平行于剪切面的切应力和垂直剪切面的正应力,故一旦加上斜向荷载,剪切面上的正应力随之增加这个分量。
从而出现了正应力的处理问题,即在剪切过程中,剪切面上的正应力的保持常数还是变数的问题。
国外对这个问题持不同看法。
在国内,大致采用以下三种方式来处理:
随着斜向荷载的施加,同步减小垂直压力表读数,使剪切面上的正应力在整个剪切过程中始终保持常数。
在施加斜向荷载时,始终不调整垂直压力表读数(实际上垂直压力表读数在增加),此时剪切面上的正应力是变数。
在施加斜向荷载时,同步调整垂直压力表读数,使压力表读数始终保持在初始读数上。
此时加于试体的正应力也是变数。
第
种方法,称之为常正应力法;
、
两种方法称之为变正应力法。
当正应力为变数时,剪切面上的应力条件比较复杂,而且作出的剪应力—剪位移曲线图形失真,对试验成果的整理和分析都带来困难。
故现行规范规定为按常正应力法试验。
为此,在试验前,就要求我们设计出试体应施加多大的垂直荷载和斜向荷载,才能使试验顾利进行。
2、施力公式推导
(1)应力计算
法向应力:
+
=
+
(记Q/F=
=q)
切向应力:
=
(2)最大单位推力
的估算
在试验进行之前,需要预估试体发生剪切破坏时的最大单位推力
,从而计算出斜向总荷载Q。
据此,可在试验过程中分级施加斜向推力,直至试体剪断。
在极限状态下,应力条件应满足库仑公式:
只要预估出剪切面上的f(摩擦系数,tanφ)、C值,α=15°,σ也可给定,即可计算
。
然后乘以剪切面积F就是
,按
分级加载试验。
(3)同步加减荷载计算
在试验过程中,为了保持剪切面上的正应力
为常数,因此逐级施加q的同时,须同步成少p值。
同步加减的荷载按下式计算:
由
得出:
=
(4)最小正应力
的确定
为了避兔试验过程中p值