湿剪强度试验

编辑:水平网互动百科 时间:2019-12-10 19:35:45
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当分析软土地基上填土和挖方边坡在施工期的稳定和确定软基的承载力时,通常采用的强度指标为土的不排水强度。土的原位不排水强度取决于它的结构、孔隙比、初始应力状态、应力历史和剪破面的方向等。就结构上各向同性的正常固结土而言,不排水强度主要取决于土的剪前孔隙比和剪破面上的剪前法向有效应力。目前,土工试验中常用的几种测定地基土不排水强度的方法为:(1)三轴不固结不排水剪试验;(2)现场十字剪切试验;(3)无测限抗压强度试验;(4)固结不排水剪试验。不同的试验方法测得不排水强度是不同的,本文将着重讨论该问题。

湿剪强度试验三轴不固结不排水剪试验

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采用三轴剪力仪进行不排水剪试验时,无论在加围压或加轴向应力时都不允许排水,所以孔隙水应力不消散,由太沙基有效应力原理可知,土骨架上的有效应力也不随固结应力和偏差应力的变化而变化。由于在三轴不排水剪试验中可测得孔隙水应力且各向是相等的,就可以算出试验过程中的最大有效主应力σ′1和最小有效主应力σ′3。因此,剪破时的有效主应力,可按下式计算:
  σ′1f=σ1f-uf
  σ′3f=σ3f-uf
  式中:σ′1f—试样剪破时的最大有效主应力,kPa;
  σ′3f—试样剪破时的最小有效主应力,kPa;
  uf—试样剪破时的孔隙水压力,kPa。
  根据σ′1f和σ′3f就可以绘制试样剪破的有效应力圆。显然,有效应力圆的直径(σ′1-σ′3)f就等于(σ′1-σ′3)。这意味着有效应力圆与总应力圆的大小相同,即φu=0。只是当剪破时的孔隙水应力为正值时,有效应力圆在总应力圆的左边;而当剪破时的孔隙水应力为负值时,有效应力圆在总应力圆的右边(见图1)(坐标位置是根据围压σ3的大小而定)。
值得注意的是,如果在较高的剪前固结压力下进行不固结不排水剪试验,那么由于固结压力增大,剪前孔隙比减小,也就能得到较高的不排水强度。

湿剪强度试验现场十字板剪切试验

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现场十字板剪切试验大体上是在原位应力下进行的,通常采用的仪器是高宽比为2∶1的十字板剪切仪。该试验主要根据力矩平衡原理,推算剪破面上土的抗剪强度。
  在推算中一般假定:
  (1)剪破面为一圆柱面,圆柱的直径和高度等于十字板的宽度和高度:
  (2)圆柱侧面和上、下端面上的抗剪强度均相等。
  采用的强度计算公式为:
  
  式中:Mmax—施加的最大扭力矩,kN·m;
  D,H—十字板的宽度和高度,m。
  同时可以算得,剪切试验中十字板竖直面上的强度占6/7,两个端面上的强度仅占1/7。因此,对于均质土,十字板试验测得的强度主要反映竖直面上的强度。由于饱和粘土在不固结不排水剪中φu等于零,故τf就等于cu。
3 无测限抗压强度试验
  无测限抗压强度试验是三轴压缩试验的一种特例,和三轴不固结不排水剪试验本质上并无差别,只是后者在试验中试样受橡皮膜的约束而有较高的强度。已测到的强度差异可高达6kPa,这对极软的粘土而言是可观的。
  在试验中,保持无侧限压力仪的径向压力σ3为零。因而,最大主应力σ1就等于轴向压力q。剪破时的轴向压力以qu表示,称为无侧限抗压强度。显然,由这种试验只能求得一个通过坐标原点的极限应力圆(如图2所示),得不到强度包线。然而,由上面的分析可以知道,在饱和粘土的不固结不排水剪试验中,强度包线为一水平线,即φu=0(φu表示不固结不排水剪试验测得的内摩擦角)。于是,就可根据无侧限抗压强度试验测得的抗压强度,推求饱和土的不固结不排水剪粘聚力cu(通常简称不排水强度),即
  
  一般情况下,加工硬化性土σ—ε关系曲线会出现峰值,此时取峰值作为无侧限抗压强度;对于加工软化性土σ—ε关系曲线不会出现峰值,可取应变为20%的σ值作为无侧限抗压强度。
图2

湿剪强度试验固结不排水剪试验

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  K0固结条件下的不排水剪试验,先将试件在不同的周围压力σ3(等于固结压力σc加上Δσ3)下固结稳定,然后施加附加轴向压力直至剪破,其间孔隙气和孔隙水是不许外排的。由于在试验中试样的剪前固结压力将随Δσ3的增加而增大,剪前孔隙比则相应减小,因此强度和极限总应力圆亦将相应增大,作这些圆的包线即得正常固结土的固结不排水剪强度线,这是一条通过坐标原点的直线,倾角为cu。若一组试样先承受同一周围压力固结稳定,然后卸载再加压,直至剪切破坏,则可得到超固结土的极限总应力圆和强度包线。这是一条微弯曲线,通常用直线代替,倾角也为cu,与坐标纵轴的截距为ccu.
  由于取样引起的应力释放和试样的结构扰动,即使试样在原位应力状态是正常固结土,取出后也会变成超固结的。较合理而实用的测定土的原位不排水强度的方法是进行三轴固结不排水剪试验时固结应力至少应大于试样自重应力的1.5倍,使试样处于正常固结压缩曲线上。再通过试验,建立剪前固结压力与不排水强度关系或求得不排水强度比,然后按试样的原位应力插算或计算,这种方法的明显优点是在较大的固结压力下进行试验可减轻试样扰度的影响。同时利用正常固结土的σc-σu关系曲线必通过原点的特性,使得绘制该曲线时可避免一些误差,从而提高测试精度。由此测得的极限总应力圆如图4所示。从坐标原点作极限应力圆的切线即为正常固结土的固结不排水强度线,倾角为cu该剪前固结压力下的不排水强度为图中α点的纵坐标。坐标原点与α点的连接线即为正常固结土的σc-σu关系曲线,倾角为β。