CN102262022A - 一种模拟基坑降水土抗剪强度变化的试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模拟基坑降水土抗剪强度变化的试验方法，包括以下步骤：1）用钢丝锯、削土刀和切土盘等设备制备原状土试样；2）在真空罐内对试样进行抽气、注水饱和；3）在三轴压力室内安装套有乳胶膜的试样；4）通过三轴周围压力系统对试样进行两阶段固结，第一次固结使试样恢复土体天然自重应力状态，第二次固结模拟降水后土体应力状态；5）通过轴向加荷系统对试样进行不排水剪切试验；6）试验结束，关掉电动机和阀门，拆除试样。本发明考虑了基坑降水土含水量减小、有效应力增大、土固结压密对土抗剪强度的影响，为基坑降水土抗剪强度指标的准确选取提供了依据，从而为安全、经济、合理地设计与施工软土富水地层深基坑提供了保障。

Description

一种模拟基坑降水土抗剪强度变化的试验方法
技术领域
本发明涉及一种室内土工试验方法，尤其是涉及一种模拟软土地层基坑降水土抗剪强度变化的试验方法。
背景技术
土的抗剪强度是土一个重要的力学性质，它包括土体粘聚力c和内摩擦角φ两个基本指标，在计算地基承载力、评价地基和基坑稳定性、计算基坑变形和围护结构土压力时，都要用到这两个指标。但是，影响抗剪强度指标的因素比较多，有：土的种类、密实度、含水量、孔隙水压力、结构等等。因此，正确测定土的抗剪强度在工程上具有重要的意义，它关系到基坑设计计算的准确性和基坑工程的安全可靠性。
对于沿海软土富水地层的深基坑，基坑开挖常常要采取降水措施，而基坑降水一方面会导致含水层中孔隙水压力降低，有效应力增大，含水层产生压密；另一方面，基坑降水使原有的渗流场遭到破坏，产生新的渗流，伴随着渗流作用而施加于土骨架的渗透力，也使土体压密。土体压密后，其密实度、含水量和结构都会发生改变，从而土的抗剪强度指标也随之发生变化。目前，在软土富水地层深基坑的设计计算中，土抗剪强度指标的选取大多采用降水前的材料参数，或仅凭经验选取，没有考虑基坑降水对土抗剪强度的影响，其结果显然不够合理。
发明内容
为克服现有软土富水深基坑设计施工中土抗剪强度指标大多采用降水前的材料参数或仅凭经验选取这一不足，本发明的目的在于提供一种模拟基坑降水土抗剪强度变化的试验方法，通过模拟降水条件下的土体应力状态测得土抗剪强度指标，为基坑降水土抗剪强度指标的准确选取提供依据。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种模拟基坑降水土抗剪强度变化的试验方法，采用应变控制式三轴仪进行试验，该装置由三轴压力室9、轴向加荷系统10、荷载与轴向变形量测系统11、周围压力系统12及孔隙水压力量测系统13等组成；试样两端放上透水石1安装在压力室的底座和上盖之间，轴向加荷系统通过传力杆7对试样施加轴向附加压力，周围压力系统通过周围压力阀2连接压力室、对试样施加围压，排水管8通过排水阀4与位于试样顶部的透水石1相连，孔隙水压力量测系统通过孔隙水压力阀3连接试样底部的透水石1，并控制，压力室通过注水孔5注水或排水、通过排气孔6排气；所述三轴仪由电动机控制；具体步骤如下： 
(1) 用钢丝锯、削土刀和切土盘等设备制备规定尺寸的原状土试样；
(2) 将试样装入真空罐内后，进行抽气、注水饱和；
(3) 在压力室内安装套有乳胶膜的试样；
(4) 通过周围压力系统对试样进行两阶段固结，第一次固结使试样恢复土体天然自重应力状态，第二次固结模拟降水后土体应力状态；
(5) 固结完成后，通过轴向加荷系统对试样进行不排水剪切试验；
(6) 试验结束，关掉电动机、周围压力阀和孔隙水压力阀，拆除试样；整理试验结果，得到土的抗剪强度指标。
本发明中，所述步骤(3)中的试样安装，首先把乳胶膜套在承膜筒上，用吸气球从气嘴中吸气，使乳胶膜紧贴于筒壁，套在制备好的试样外面；然后打开孔隙水压力阀，使位于压力室试样底座的透水石和与其相连的管路系统充水排气后，关闭阀门，在透水石上放上一张滤纸，将套上乳胶膜的试样放在压力室底座上，翻下乳胶膜的下端与底座用橡皮筋扎紧；再开启排水阀，使试样帽充水后，关闭阀门，翻开乳胶膜的上端，放上滤纸和透水石，与试样帽用橡皮筋扎紧；最后装上压力室罩，拧紧密封螺帽，同时使传压活塞与试样帽接触。
本发明中，所述步骤(4)中的两阶段固结，第一次固结的压力等于土天然自重应力，固结时间为24小时；第二次固结压力按基坑降水后土有效应力增长进行，固结时间为24小时。
本发明中，所述步骤(5)中的不排水剪切试验，试样的剪切应变速率，粘土为每分钟应变0.05%～0.1%，粉土为每分钟应变0.1%～0.5%。
本发明中，所述步骤(5)中的不排水剪切试验中，当试样剪切应变值达到20%时，试验结束，对于脆性破坏的试样，以峰值为破坏点；对于塑性破坏的试样，以应变15%为破坏点。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：本发明的试验方法考虑了基坑降水土含水量减小、有效应力增大、土固结压密对土抗剪强度的影响，为基坑降水土抗剪强度指标的准确选取提供了依据，从而为安全、经济、合理地设计与施工软土富水深基坑提供了保障。
附图说明
图1是本发明实施例的应变控制式三轴仪试验装置结构示意图。
图2是本发明实施例1的③层土粘聚力c随降水深度变化关系曲线。
图3是本发明实施例1的③层土内摩擦角φ随降水深度变化关系曲线。
图4是本发明实施例2的④层土粘聚力c随降水深度变化关系曲线。
图5是本发明实施例2的④层土内摩擦角φ随降水深度变化关系曲线。
图6是本发明实施例3的⑤-1层土粘聚力c随降水深度变化关系曲线。
图7是本发明实施例3的⑤-1层土内摩擦角φ随降水深度变化关系曲线。
图8是本发明实施例4的⑤-2层土粘聚力c随降水深度变化关系曲线。
图9是本发明实施例4的⑤-2层土内摩擦角φ随降水深度变化关系曲线。
图1中标号：1为透水石，2为周围压力阀，3为孔隙水压力阀，4为排水阀，5为注水孔，6为排气孔，7为传力杆，8为排水管，9为三轴压力室，10为轴向加荷系统，11为荷载与轴向变形量测系统，12为周围压力系统，13为孔隙水压力量测系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
具体步骤如下：
(1) 取原状土样，用钢丝锯、削土刀和切土盘等设备制备成直径φ39.1mm、高80mm的土柱；
(2) 将试样装入真空罐内后，进行抽气、注水饱和；
(3) 在三轴压力室内安装试样。安装时，首先把乳胶膜套在承膜筒上，用吸气球从气嘴中吸气，使乳胶膜紧贴于筒壁，套在制备好的试样外面；然后打开孔隙水压力阀，使位于压力室试样底座的透水石和与其相连的管路系统充水排气后，关闭阀门，在透水石上放上一张滤纸，将套上乳胶膜的试样放在压力室底座上，翻下乳胶膜的下端与底座用橡皮筋扎紧；再开启排水阀，使试样帽充水后，关闭阀门，翻开乳胶膜的上端，放上滤纸和透水石，与试样帽用橡皮筋扎紧；最后装上压力室罩，拧紧密封螺帽，同时使传压活塞与试样帽接触；
(4) 通过周围压力系统对试样进行两阶段固结，第一次固结的压力等于土天然自重应力，固结时间为24小时；第二次固结压力按基坑降水后土有效应力增长进行，固结时间为24小时；
(5)固结完成后，通过轴向加荷系统对试样进行不排水剪切试验。试样的剪切应变速率，粘土为每分钟应变0.05%～0.1%，粉土为每分钟应变0.1%～0.5%；当试样剪切应变值达到20%时试验结束，对于脆性破坏的试样，以峰值为破坏点；对于塑性破坏的试样，以应变15%为破坏点；
(6) 试验结束，关掉三轴仪电动机和阀门，拆除试样，整理试验结果，得到土的抗剪强度。
试样为取自上海市区某深基坑的原状土，样土为③层淤泥质粉质粘土，埋深3.2～9.5m，重度为17.5kN/m3，平均自重应力为60.0kPa。试验模拟了不降水和降1.0m、2.0m、4.0m、5.0m共5种工况，对应的固结压力分别为60.0kPa、70.0kPa、80.0kPa、100.0kPa、110.0kPa；不降水试样只进行一次固结，降水试样进行二阶段固结；共做5组试验。按上述试验步骤测得的③层淤泥质粉质粘土在降水前后土的抗剪强度指标如表1所示。③层淤泥质粉质粘土的粘聚力c和内摩擦角φ随降水深度变化曲线见图2～3所示。
实施例2
试样为取自上海市区某深基坑的原状土，样土为④层灰色淤泥质粘土，埋深9.5～17.5m，重度为16.7kN/m3，平均自重应力为100.0kPa。试验模拟了不降水和降2.0m、4.0m、8.0m共4种工况，对应的固结压力分别为100.0kPa、120.0kPa、140.0kPa、180.0kPa；不降水试样只进行一次固结，降水试样进行二阶段固结；共做4组试验。按上述试验步骤测得的④层灰色淤泥质粘土在降水前后土的抗剪强度指标如表1所示。④层灰色淤泥质粘土的粘聚力c和内摩擦角φ随降水深度变化曲线见图4～5所示。
实施例3
试样为取自上海市区某深基坑的原状土，样土为⑤-1层灰色粘土，埋深17.5～22.0m，重度为17.5kN/m3，平均自重应力为150.0kPa。试验模拟了不降水和降2.0m、4.0m、8.0m共4种工况，对应的固结压力分别为150.0kPa、170.0kPa、190.0kPa、230.0kPa；不降水试样只进行一次固结，降水试样进行二阶段固结；共做4组试验。按上述试验步骤测得的⑤-1层灰色粘土在降水前后土的抗剪强度指标如表1所示。⑤-1层灰色粘土的粘聚力c和内摩擦角φ随降水深度变化曲线见图6～7所示。
实施例4
试样为取自上海市区某深基坑的原状土，样土为⑤-2层灰色粘质粉土，埋深22.0～33.6m，重度为18.1kN/m3，平均自重应力为200.0kPa。试验模拟了不降水和降2.0m、4.0m、8.0m共4种工况，对应的固结压力分别为200.0kPa、220.0kPa、240.0kPa、280.0kPa；不降水试样只进行一次固结，降水试样进行二阶段固结；共做4组试验。按上述试验步骤测得的⑤-2层灰色粘质粉土在降水前后土的抗剪强度指标如表1所示。⑤-2层灰色粘质粉土的粘聚力c和内摩擦角φ随降水深度变化曲线见图8～9所示。
表1  不同土层在不同降水条件下土体剪切强度变化
Figure 919827DEST_PATH_IMAGE002
 [0028]  注：表中各层土相对值指相对于各土层降水深度为0时的值。

Claims (5)

1.一种模拟基坑降水土抗剪强度变化的试验方法，其特征在于采用应变控制式三轴仪进行试验，该装置由三轴压力室(9)、轴向加荷系统(10)、荷载与轴向变形量测系统(11)、周围压力系统(12)及孔隙水压力量测系统(13)组成；试样两端放上透水石(1)安装在压力室的底座和上盖之间，轴向加荷系统通过传力杆(7)对试样施加轴向附加压力，周围压力系统通过周围压力阀(2)连接压力室、对试样施加围压，排水管(8)通过排水阀(4)与位于试样顶部的透水石(1)相连，孔隙水压力量测系统通过孔隙水压力阀(3)连接位于试样底部的透水石(1)，压力室通过注水孔(5)注水或排水、通过排气孔(6)排气；所述三轴仪由电动机控制；具体步骤如下： 
(1) 用钢丝锯、削土刀和切土盘制备规定尺寸的原状土试样；
(2) 将试样装入真空罐内后，进行抽气、注水饱和；
(3) 在压力室内安装套有乳胶膜的试样；
(4) 通过周围压力系统对试样进行两阶段固结，第一次固结使试样恢复土体天然自重应力状态，第二次固结模拟降水后土体应力状态；
(5) 固结完成后，通过轴向加荷系统对试样进行不排水剪切试验；
(6) 试验结束，关掉电动机、周围压力阀和孔隙水压力阀，拆除试样；整理试验结果，得到土的抗剪强度指标。
2.根据权利要求1所述模拟基坑降水土抗剪强度变化的试验方法，其特征在于步骤(3)中所述的试样安装中，首先把乳胶膜套在承膜筒上，用吸气球从气嘴中吸气，使乳胶膜紧贴于筒壁，套在制备好的试样外面；然后打开孔隙水压力阀，使位于压力室试样底座的透水石和与其相连的管路系统充水排气后，关闭阀门，在透水石上放上一张滤纸，将套上乳胶膜的试样放在压力室底座上，翻下乳胶膜的下端与底座用橡皮筋扎紧；再开启排水阀，使试样帽充水后，关闭阀门，翻开乳胶膜的上端，放上滤纸和透水石，与试样帽用橡皮筋扎紧；最后装上压力室罩，拧紧密封螺帽，同时使传压活塞与试样帽接触。
3.根据权利要求1所述模拟基坑降水土抗剪强度变化的试验方法，其特征在于步骤(4)中所述的两阶段固结中，第一次固结的压力等于土天然自重应力，固结时间为24小时；第二次固结压力按基坑降水后土有效应力增长进行，固结时间为24小时。
4.根据权利要求1所述模拟基坑降水土抗剪强度变化的试验方法，其特征在于步骤(5)中所述的不排水剪切试验中，试样的剪切应变速率，粘土为每分钟应变0.05%～0.1%，粉土为每分钟应变0.1%～0.5%。
5.根据权利要求1所述模拟基坑降水土抗剪强度变化的试验方法，其特征在于步骤(5)中所述的不排水剪切试验中，当试样剪切应变值达到20%时，试验结束，对于脆性破坏的试样，以峰值为破坏点；对于塑性破坏的试样，以应变15%为破坏点。
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