CN103018117A - 测定土体各向同性抗剪强度的十字板头及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测定土体各向同性抗剪强度的十字板头及测定方法。本发明的目的是提供一种测定土体各向同性抗剪强度的十字板头及测定方法，以达到提高测定精度的目的。本发明的技术方案是：测定土体各向同性抗剪强度的十字板头，包括探杆杆轴，以及安装于该杆轴上的两块剪切板，其特征在于：所述剪切板为菱形，且其中一条对角线与杆轴轴线重合；所述杆轴外同轴套有一硬质套管，且两者之间为滚动摩擦。本发明适用于土木工程、水利水电工程、港口通航工程原位测试技术领域。

Description

测定土体各向同性抗剪强度的十字板头及测定方法

技术领域

本发明涉及一种测定土体各向同性抗剪强度的十字板头及测定方法，主要适用于土木工程、水利水电工程、港口通航工程原位测试技术领域。

背景技术

目前土体的抗剪强度试验分为室内试验和原位试验两种，原位试验由于具有对土体不扰动的优势，适用于现场测定饱和粘性土的不排水强度，其仪器构造和操作方便简洁，在工程建设中应用广泛。对于土体而言，由于受固结程度不同和各向异性力学特性影响，一般情况下在水平方向和竖直方向抗剪强度值不同，目前使用的十字板头是矩形，土体破坏面为包括侧面和上下底面的圆柱面，抗剪强度计算公式是假定水平方向和竖直方向抗剪强度值相等的近似公式，故计算方法不严格，对于某些超固结土会产生较大的误差。在土体中探杆杆轴的转动摩擦也抵消了部分的扭力矩，亦为测试精度带来了影响。同时由于目前的十字板对土体的剪切面限定在圆柱体的侧面和上下底面，土体不同角度破裂面抗剪强度值有所不同，例如软粘土类边坡沿最危险滑动面附近的土体抗剪强度，即与滑面处对应的土体破裂面角度密切相关，此时不同角度对应的抗剪强度在各向同性介质中应是相等的，在结构性及各向异性介质中就会表现出差异性，如何测得土体不同角度破裂面的抗剪强度值并进行对比分析，也是原位测试的一个工作重点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述板头形式和计算方法的不足，提供一种测定土体各向同性抗剪强度的十字板头及测定方法，以达到提高测定精度的目的。

本发明所采用的技术方案是：测定土体各向同性抗剪强度的十字板头，包括探杆杆轴，以及安装于该杆轴上的两块剪切板，其特征在于：所述剪切板为菱形，且其中一条对角线与杆轴轴线重合；所述杆轴外同轴套有一硬质套管，且两者之间为滚动摩擦。

两块剪切板尺寸相同，且呈90度正交布置。

两块剪切板均为正方形，并以可拆卸方式安装于杆轴上。

利用十字板头进行抗剪强度测定的方法，其特征在于步骤如下：

a、将所述十字板头压入测试土体中，然后对杆轴施加一定的扭力矩，进行原位十字板剪切试验；

b、按如下公式求得土体不排水抗剪强度值C_u：

$c_u=\frac{3M}{4\mathrm{\π}{a}^3{\cos }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}}$

式中，M为土体破坏时对杆轴所施加的扭力矩，a为剪切板的边长，θ为剪切板上、与杆轴轴线重合的那条对角线所对夹角的度数。

本发明的有益效果是：1、采用菱形剪切板，且其中一条对角线与杆轴轴线重合，在原位测试中剪切破坏土样呈上下两个对称的圆锥状，抗剪强度由于在各个板边测试值相等，故所测强度为各向同性抗剪强度值，规避了土体各向异性力学特性的影响，真实反映了剪切破坏面的实际情况，克服了现有十字板测试成果整理时，将剪切破坏时土体水平方向和竖直方向的抗剪强度假定相等的问题，从而提高了测定精度。2、杆轴外同轴套有一硬质套管，硬质套管随探杆杆轴一起贯入土层，保证探杆杆轴入土深度范围内与土体不接触，这样探杆杆轴转动时不会因与土体摩擦而抵消部分扭力矩，使得测试更加精确。

附图说明

图1是本发明的立体图。

图2是本发明的立面图。

图3是本发明的土体剪切破坏面示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实施例包括探杆杆轴1、以可拆解方式安装于该杆轴上的两块剪切板2，以及同轴套设于该杆轴外的硬质套管3；两块剪切板2为尺寸完全相同的正方形，且两者呈90度正交布置，各剪切板2的其中一条对角线与杆轴1轴线重合；所述硬质套管3与杆轴1之间为滚动摩擦，且套管3底端与剪切板2顶端高度持平，隔绝杆轴1与土体的接触和摩擦，使测定过程中施加扭力矩完全由杆轴1承受。

采用前述十字板头进行土体原位抗剪强度测定，可以忽略土体水平方向和竖直方向各向异性的影响，其土体剪切破坏面呈上下对称的两个圆锥面，通过扭力矩和剪切板2尺寸的换算，可得到土体45°斜面上各向同性抗剪强度，亦可扩展为不同菱角的十字板头，获取土体不同破裂角度上的抗剪强度，为软粘土不排水抗剪强度原位测试提供了一种新的途径。具体测试步骤如下：

a、将所述十字板头压入测试土体中，然后对杆轴1施加一定的扭力矩，进行原位十字板剪切试验。由于硬质套管3随探杆杆轴1一起贯入土层，保证探杆杆轴1入土深度范围内与土体无接触，这样探杆杆轴1转动时不会因与土体摩擦而抵消部分扭力矩，扭力矩全部由探杆杆轴1承受，使得测试更加精确。

如图3所示，本例土体剪切破坏面为上下对称分布的两个圆锥面，在破坏面上土体抗剪强度值在各个方向均相等，即所测值为土体各向同性抗剪强度，规避了土体各向异性力学特性的影响，保证了所测抗剪强度值的唯一性，此值可视为土体各向同性抗剪强度参数。

b、按如下公式求得土体不排水抗剪强度值C_u：

$c_u=\frac{3M}{2\mathrm{\π}{a}^3}$

式中，M为土体破坏时对杆轴1所施加的扭力矩，a为剪切板2的边长。

上述公式的推导过程如下：

剪切面面积为两个圆锥面面积：S=2×π×r×a＝2πra；

在菱形板边长上，斜面上土体各向同性抗剪强度τ_f以倒三角形分布，其作用点距杆轴的作用距为

（即三角形合力段为2/3底边，位于靠近1/3底边处）；式中，r为剪切板外角点距探杆杆轴距离；

故扭力矩M可表示为： $M=S\×{\mathrm{\τ}}_f\×\frac{2}{3}r,$ 其中故： $M=S\×{\mathrm{\τ}}_f\×\frac{2}{3}r=\frac{2\mathrm{\π}{a}^3}{3}\×{\mathrm{\τ}}_f;$

根据上式，45°破坏面上不排水抗剪强度为：

以上所述，仅是本发明的其中一个实施例，亦可扩展为采用不同菱角θ（为剪切板上、与杆轴轴线重合的那条对角线所对夹角的度数）的十字板头，测定土体不同角度剪切破裂面上的抗剪强度值。不论采用何种菱角十字板头，由于每次所测时每块剪切板对应的抗剪强度值均相等，故每次所测值均为土体在不同剪切破裂面下的各向同性抗剪强度。

本发明扩展后，可通过剪切板头边长a、剪切板外角点距探杆杆轴距离r，得到不同剪切破裂面下抗剪强度通式：

扭力矩为： $M=S\×{\mathrm{\τ}}_f\×\frac{2}{3}r=2\mathrm{\πra}\×{\mathrm{\τ}}_f\×\frac{2}{3}r=\frac{4}{3}\mathrm{\π}{r}^{2}a{\mathrm{\τ}}_f$

则抗剪强度为： $c_u={\mathrm{\τ}}_f=\frac{3M}{4\mathrm{\π}{r}^{2}a}$

此时菱角

亦可用菱角θ表示抗剪强度通式为：

$c_u={\mathrm{\τ}}_f=\frac{3M}{4\mathrm{\π}{a}^3{\cos }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}}$

进行对比分析和综合评价土体不同角度破裂面下抗剪强度的差异性，可评价土体各向异性强度特性，亦可为工程设计人员提供有益的参考。

Claims (4)

1.一种测定土体各向同性抗剪强度的十字板头，包括探杆杆轴（1），以及安装于该杆轴上的两块剪切板（2），其特征在于：所述剪切板（2）为菱形，且其中一条对角线与杆轴（1）轴线重合；所述杆轴（1）外同轴套有一硬质套管（3），且两者之间为滚动摩擦。

2.根据权利要求1所述的测定土体各向同性抗剪强度的十字板头，其特征在于：两块剪切板（2）尺寸相同，且呈90度正交布置。

3.根据权利要求1或2所述的测定土体各向同性抗剪强度的十字板头，其特征在于：两块剪切板（2）均为正方形，并以可拆卸方式安装于杆轴（1）上。

4.一种利用权利要求1所述十字板头进行抗剪强度测定的方法，其特征在于步骤如下：

a、将所述十字板头压入测试土体中，然后对杆轴（1）施加一定的扭力矩，进行原位十字板剪切试验；

b、按如下公式求得土体不排水抗剪强度值C_u：

$c_u=\frac{3M}{4\mathrm{\π}{a}^3{\cos }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}}$

式中，M为土体破坏时对杆轴所施加的扭力矩，a为剪切板的边长，θ为剪切板上、与杆轴轴线重合的那条对角线所对夹角的度数。

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