土的抗剪强度与原位钻孔剪切试验详解
发布时间:2020-09-09

NO.01

土的抗剪强度

土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力。在外荷载作用下,土体中将产生剪应力,当土中某点的剪应力达到土的抗剪强度时,土就沿着剪应力作用方向产生相对滑动,该点便发生剪切破坏。随着外荷载的增大,地基中达到强度被破坏的点越来越多,最后形成一个连续的滑动面,这时建筑物的地基或土坡就会失去整体稳定而发生土体滑动,从而造成工程事故。

工程实践和室内试验都证实了土是由于受剪而产生破坏,剪切破坏是土体强度破坏的重要特点,因此,土的强度问题实质上就是土的抗剪强度问题。

在工程中与土的抗剪强度有关的工程问题有三类:

第一类是以土作为建造材料的土工构筑物的稳定性问题,如土坝、路堤等填方边坡以及天然土坡等的稳定性问题。

▲ 雨水造成的天然土坡滑坡

第二类是土作为工程构筑物环境的安全性问题,即土压力问题,如挡土墙、地下结构等的周围土体,它的强度破坏将造成对墙体过大的侧向土压力,以至可能导致这些工程构筑物发生滑动、倾覆等破坏事故。

▲ 基坑坍塌

第三类是土作为建筑物地基的承载力问题,地基土体产生整体滑动或因局部剪切破坏而导致过大的地基变形,将会造成上部结构的破坏或影响其正常使用功能。

▲ 加拿大特朗斯康谷仓倾倒

土体发生剪切破坏时,将沿着其内部某一曲面(滑动面)产生相对滑动,而该滑动面上的切应力就等于土的抗剪强度。1776年,法国学者库仑通过一系列土的强度实验,于1776年总结出土的抗剪强度定律:

测定土的抗剪强度指标的试验方法主要有室内剪切试验和现场剪切试验二大类:



直剪仪示意图
三轴压缩仪



无侧限压缩仪示意图

 


但是,传统测量土体抗剪强度的方法存在诸多不足。

试验方法

缺点

直接剪切试验

剪切面不一定是试样抗剪能力最弱的面;

剪切面上的剪应力分布不均匀,而且受剪切面的面积愈来愈小;

不能严格控制排水条件,测不出剪切过程中孔隙水压力的变化。

三轴剪切试验

操作复杂,主应力方向固定不变,而且是在令σ2 = σ3的轴对称情况下进行的,与实际情况不符合。 

无侧限压缩试验

对试样制备要求较高,使用范围有一定的局限性。

十字板剪切试验

适用范围较小

鉴于传统试验方法的种种不足,工程科技人员研制出了一种新型岩土体抗剪强度原位测试方法——钻孔剪切试验。钻孔剪切试验仪可以在现场钻孔中或者机械成孔、人工成孔中进行试验,经计算即可得到孔中相应部位土的粘聚力(c)和内摩擦角(φ)。该试验方法对土的扰动小,具有原位测试的优点。

 

NO.02

钻孔剪切试验仪器及试验方法

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图所示。


钻孔剪切试验基本原理

径向压力σ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σ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。

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。
 

钻孔剪切仪试验装置


 
 

探头

 

探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

 

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。

试验方法步骤

1

钻孔

 

钻孔的质量是进行准确测量的一个最根本的控制因素,钻孔直径dt必须在以下范围之内:

62mm<dt<65mm

钻孔的长度一定不能超过测试深度1.5米。在颗粒土中,需要使用浓泥浆对钻孔进行护壁,护到测量深度上方1m 处。每次测试时,只能将钻孔钻到需要的深度。

2

探头校准

 

将探头竖直放置在压力-体积控制单元旁边,测出探头的中部高度Zs和千分表的高度 Zc。体积按照每级100cm3 增量逐步地从200cm3增加到600cm3 。在每一级中,通过压力表读出相应的压力Pr,同时用游标卡尺测出第五个或者第六个钢齿的外直径ds(毫米)。绘制出修正曲线。修正的压力Pe通过公式 Pe=Ph+Pr计算得到,Ph代表由于探头和中央测量装置间的升高产生的流体静压力,Ph=10*(Zc-Zs)。

3

安装设备

 

安装设备,测出钻孔中的水位高度,将探头下放到想要的深度。

4

仪表初始化

 

包括测压元件、千分表、计时表初始化。

5

测量

 

膨胀探头,刺入土体,进行测量。

6

测量结束

 

试验完成,卸去压力,收回探头。

 

钻孔剪切试验测试原理示意图

a:钻孔及安放套管;b.将探头放到测试的深度

c.径向扩张探头进行测量;d.在持续的径向压力下向上拉探头

数据处理

1

数据校准

 

绘制曲线:V=f(p) 和 V=f(d)。这里,p 代表校准压力,d 代表探头的外直径。可以使用一个曲线调整程序进行优化, V=f(p)曲线是一个指数函数, V=f(d)曲线是一个线性函数。

2

修正的正应力pc 、剪应力T的计算

 

对于每个加载步骤,修正的正应力、pc,施加到土体上的力按下式计算:

① 如果钻孔从孔口到测试位置是干的:

pc = pM + (zc - zs) x Γw – pe

② 如果钻孔充满了水或者泥浆:

pc = pM + (zc - zw) x Γw - pe

在这里:

pM 代表压力表上的读数;

zc、zs、zw分别代表控制单元、探头和水位的高度;

pe 代表从与 VF 相符的标准曲线上读出的标准压力;

Γw 代表水的密度=10 kN/m3

加载步骤中,剪切破坏的强度,t,按照下式计算:

t = Tmax/S

这里,Tmax 代表加载过程中测得的最大拉力;S 代表剪切表面的面积。

S = π .d . L

L 代表探头的有效长度,对于标准探头,L=23cm;直径d,从与体积 VF 相符的标准曲线上读出。

3

蠕变和膨胀计算

 

对于每一加载步骤,均可以获得以下内容:

  • 增压过程中的蠕变,dVD,等于旁压蠕变:

dVD = VD1' - VD30"

  • 剪切过程中,探头的体积增大带来的剪胀:

VF - VD = VF - VD1

绘图

1

辅助绘图

 

可以绘出下面的曲线:

dVD 体现了 pc 的作用,此曲线称为“蠕变曲线”。VF–VD 体现了pc的作用称为“膨胀曲线”。V体现了pc的作用,它凸显了每一加载步的VD1'和VF。

从这些图中,任何最终的异常都可以看到,通过观察,可以将异常点从特征曲线上去掉。

2

特征曲线

 

将成对的(t, pc)绘制到图上,自然会产生正确的堆点图形,可以绘出特征曲线,得到以下值:

Φi=原位内摩擦角

ci=原位粘聚力

可以按照以下步骤进行计算:

①剔除异常点后,通过最小二乘法对土体特征曲线进行修正。

这里,n 是点的个数。

②对于粘聚力接近于0的土,精确读数会导致获得的粘聚力小存在较小的偏差。为了避免这种情况,可以通过取平均值的方法重新调节参数特性,方法如下:

 

NO.03

工程实例

城市固体废弃物测试结果

 

随着经济的发展,城市化进程不断推进,居住于城市中的人越来越多。近些年来关于“垃圾围城”的新闻屡见不鲜,对垃圾填埋场的城市固体废弃物的岩土力学特征研究越来越紧迫了。在垃圾填埋场稳定性设计和管理的研究中,剪切强度的研究是必须的。城市固体废弃物的材料非常复杂,它们的成份随时间以及在不同的地方差异是很大的。它们的粒度不仅包含很大块的物体,还包含非常小的以及纤细的物体,这些会影响它们的剪切强度。

下图是用钻孔剪切仪对一个垃圾填埋场的固体废弃物测得的结果,场地位于比利时某地,18m深处。这个试样已经按照垃圾处理的规定进行了压缩。

▲ 18m深度城市压缩固体垃圾钻孔剪切试验结果

在这幅图中,除了最开始的两个点,其它试验测得的点在同一条直线上,由此可以得到原位测试粘聚力为14kPa,摩擦角为33°。这些值与高剪切强度的材料相符,很像颗粒土的特征。

采用同一种方法,进行另外一个测试,在14m深度进行(下图),得到了完全不一样的值,显示了测试区域固体废弃物的另外一种特征。原位粘聚力和摩擦角分别为26kPa和18°。在这个案例中,这种土的行为可以看作是与粘性土相同。

▲ 14m深度城市压缩固体垃圾钻孔剪切试验结果

这两个试验对同一种材料表现出了两种不同的行为,而且显示出了它们剪切特征较大的差异。因此,选择相应的特性和剪切强度的设计值时必须非常慎重,特别是在一些开展了很多个试验的案例中。

下图中显示了这样的一个分布类型,图中所有原位剪切测试的测量值取自于同一个固体废弃物填埋场,具有代表性。

▲ 同一个垃圾填埋场不同深度全部抗剪强度分布图

从图中可以看出,这个压缩的城市固体垃圾的摩擦角为17到34°,粘聚力为30到50kPa,这个为设计值。

固体废弃灰渣的研究

 

工业中燃煤的燃烧产生大量的灰渣,根据相关的条例,一些灰渣可以用于建筑业,另外,也可以用于填埋场地。对于燃煤灰渣的岩土工程特性的研究越来越受到人们的关注。

下图显示的是一个典型的钻孔剪切试验结果,这个试验是在一个燃烧灰堆的1.4m深度测试的。这些燃煤灰渣大约是一年前产生的,达到了某种固结的程度。

▲ 燃煤灰渣填埋场一年后1.4m深度钻孔剪切试验结果

从这幅图中可以看到,大多数的试验点在同一条直线上,由此可以得到摩擦角为42°,没有粘聚力,表现出了一种与粗颗粒材料相似的特征。

关注并联系欧美大地,了解更多土的抗剪强度测试方法及钻孔剪切仪应用案例。

 

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