CN103344507A - 结构性各向异性软黏土原位强度测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构性各向异性软黏土原位强度测试装置及方法。本发明的目的提供一种结构性各向异性软黏土原位强度测试装置及方法，精确测定和解析结构性各向异性软黏土土层水平向、竖直向及45°倾斜向抗剪强度值。本发明的技术方案是：包括矩形十字板头和三角形十字板头；矩形十字板头包括两片十字形的矩形板体Ⅰ，与板体Ⅰ连接的中空探杆杆轴Ⅰ，两板体Ⅰ的交叉线与杆轴Ⅰ轴线重合；三角形十字板头包括两片十字形的三角形板体Ⅱ，与板体Ⅱ连接的探杆杆轴Ⅱ，两板体Ⅱ的交叉线与杆轴Ⅱ的轴线重合；杆轴Ⅱ同轴安装于杆轴Ⅰ内，两板体Ⅰ分别与两板体Ⅱ对应拼接，对应的板体Ⅱ与板体Ⅰ位于同一平面内，板体Ⅱ与板体Ⅰ相接侧边长与板体Ⅰ宽度相等。

Description

结构性各向异性软黏土原位强度测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种结构性各向异性软黏土原位强度测试装置及方法，具体指针对海相或湖相结构性各向异性软黏土不排水抗剪强度，采用不同的十字板头进行的原位测试技术，可精确获取和评价软黏土的各向异性抗剪强度，适用于岩土工程、水利工程、海洋工程及港口通航工程技术领域中。

背景技术

海相或湖相沉积的软黏土常具有一定的结构强度，具体表现在重塑样及原位样屈服强度差异较大，取样时的扰动影响会破坏其物性结构组成，降低其屈服强度。软黏土的结构强度强弱不一，与赋存环境、应力状态及沉积年代等因素有关，在工程设计中不能忽视其结构强度的存在。十字板剪切试验是一种较为有效的原位不排水抗剪强度测试方法，将十字板头贯入软土中转动测试土体破坏时力矩，进而计算土的抗剪强度，所测值由于是基于原位的测试，可以忽略对场地土的扰动，不会破坏其固有结构强度，操作简洁方便，测试值真实可靠，应用广泛。

目前常见的十字板板头，一般为长宽比H:D=2:1的矩形板头，计算抗剪强度时假定土体水平向和竖直向抗剪强度值相等。对于结构性软黏土黏土矿物成分吸附性、亲水性强，有机质粒径小，具有表面活性和粘滞性，表现出一定的各向异性及具有一定的结构强度特性，同时由于地质沉积条件及先期固结压力的影响，竖直向与水平向抗剪强度差异较大，不同于一般的软黏土，如假定按各向同性处理就会产生较大误差，应引起工程勘察单位的重视。

鉴于上述问题，现有的测试设备和测定方法已不能满足工程设计的需求，有必要提供一种测定此类土各向异性抗剪强度的设备和方法，精确判定水平向和竖直向抗剪强度，同时测定45°倾斜向的抗剪强度，通过所获取的原位测试成果与室内试验进行对比，综合分析和评价其结构性及各向异性抗剪强度特性，更好地为工程设计服务。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种结构性各向异性软黏土原位强度测试装置及方法，以精确测定和解析结构性各向异性软黏土土层水平向、竖直向及45°倾斜向的抗剪强度值。

本发明所采用的技术方案是：结构性各向异性软黏土原位强度测试装置，其特征在于：它包括同轴布置且无法绕该轴线相对转动的矩形十字板头和三角形十字板头；所述矩形十字板头包括两片垂直交叉形成十字形的矩形板体Ⅰ，以及与板体Ⅰ固定连接的中空探杆杆轴Ⅰ，两板体Ⅰ的交叉线与杆轴Ⅰ的轴线重合；所述三角形十字板头包括两片垂直交叉成十字形的三角形板体Ⅱ，以及与板体Ⅱ固定连接的探杆杆轴Ⅱ，两板体Ⅱ的交叉线与杆轴Ⅱ的轴线重合；所述杆轴Ⅱ同轴可拆卸的安装于杆轴Ⅰ内形成一个整体，同时两板体Ⅰ分别与两块板体Ⅱ一一对应拼接，且相对应的板体Ⅱ与板体Ⅰ位于同一平面内，所述板体Ⅱ与板体Ⅰ相接侧的边长与板体Ⅰ宽度相等。

所述板体Ⅰ的长度H为100mm、宽度D为50mm。

所述板体Ⅱ为等腰直角三角形，其斜边的长度为50mm、直角边的长度a为

mm。

进行结构性各向异性软黏土原位强度测试的方法，其特征在于步骤如下：

a、在待测场地中以1m为直径作一个圆，并沿圆弧均匀选定三个测试点，相邻两测试点所夹圆弧对应的圆心角均为120°；

b、采用测试装置在其中一个测试点进行原位十字板剪切测试，并记录下土体破坏时的扭力矩M₁；

c、将矩形十字板头和三角形十字板头分开，并分别采用矩形十字板头和三角形十字板头在余下两个测试点进行原位十字板剪切测试，并分别记录下土体破坏时的扭力矩M₂和M₃，并且保证三次测试深度相同；

d、分别利用 ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fv}}=\frac{2(M_1-M_3)}{\mathrm{\π}{D}^{2}H},$ ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fh}}=\frac{6(M_2+M_3-M_1)}{\mathrm{\π}{D}^3}$ 和

计算出竖直面抗剪强度、水平面抗剪强度和45°倾斜面抗剪强度，

式中τ_fv为竖直面抗剪强度，τ_fh为水平面抗剪强度，τ_45°为45°倾斜向抗剪强度，D为板体Ⅰ的宽度，H为板体Ⅰ的长度，a为板体Ⅱ的直角边长度。

本发明的有益效果是：本发明原位强度测试装置包括矩形十字板头和三角形十字板头，共分三种不同的组合方式来进行原位十字板剪切测试，可分别获得土体水平向、竖直向和45°倾斜向的抗剪强度，克服了常规方法不能将其区分的不足，对于结构性各向异性软黏土原位不排水强度具有较好的适用性，保证了测试的精确性，更反映了实际情况，通过对土层中各个方向抗剪强度值的对比分析，可综合评价所测试土体各向异性强度特性。获取的原位强度测试值可与室内试验成果进行对比分析，判断扰动前后土层抗剪强度的变化，进而评价软黏土在该场地赋存环境下结构性强弱，并可对其各向异性抗剪强度进行综合评判，填补了原位结构性软黏土各向异性力学测试研究的空白。

附图说明

图1是本发明测试装置的结构示意图。

图2是本发明测试装置的立面结构示意图。

图3是本发明中矩形十字板头的立面结构示意图。

图4是本发明中三角形十字板头的立面结构示意图。

图5是本发明测试方法中测试点的布置图。

图6是利用本发明测试装置进行原位剪切测试时剪切破坏土体几何面形式示意图。

图7是利用矩形十字板头进行原位剪切测试时剪切破坏土体几何面形式示意图。

图8是利用三角形十字板头进行原位剪切测试时剪切破坏土体几何面形式示意图。

具体实施方式

如图1-图4所示，本实施例包括矩形十字板头1和三角形十字板头2，一方面两者以同轴方式紧密结合，使两者无法绕该轴所在直线相对转动，以保证土体原位剪切试验时能够共同发挥作用；另一方面两者可拆卸连接，既可以作为一个整体使用，又可以分开单独使用。

所述矩形十字板头1包括两片垂直交叉形成十字形的矩形板体Ⅰ1-1，以及与板体Ⅰ1-1固定连接的中空探杆杆轴Ⅰ1-2，两板体Ⅰ1-1的交叉线与杆轴Ⅰ1-2的轴线重合。所述三角形十字板头2包括两片垂直交叉成十字形的等腰直角三角形板体Ⅱ2-1，以及与板体Ⅱ2-1固定连接的探杆杆轴Ⅱ2-2，两板体Ⅱ2-1的交叉线（该交叉线垂直于两等腰直角三角形板体的斜边）与杆轴Ⅱ2-2的轴线重合。所述杆轴Ⅱ2-2同轴可拆卸的安装于杆轴Ⅰ1-2内，使得矩形十字板头1和三角形十字板头2形成一个整体，安装完成后两者无法相对转动，同时两板体Ⅰ1-1分别与两块板体Ⅱ2-1一一对应拼接，且相对应的板体Ⅱ2-1与板体Ⅰ1-1位于同一平面内；本例中板体Ⅱ2-1的斜边与对应板体Ⅰ1-1的短边（即矩形的宽）长度相等，且两者相接触拼接成一个整体。

本例中，所述板体Ⅰ1-1的长度H为100mm、宽度D为50mm，长宽比为2；板体Ⅱ2-1斜边的长度为50mm、直角边的长度a为

mm。

利用前述原位强度测试装置进行结构性各向异性软黏土原位强度测试的方法包括如下步骤：

a、确定试验点。如图5所示，考虑板头尺寸和作用影响范围，在场地中代表地点以1m为直径作一个圆，并沿圆弧选定三个测试点3，相邻两测试点3所夹圆弧对应的圆心角均为120°，各测试点3间互不影响，且均能反映相同土质的力学特性。

b、启动测量仪器，在三个测试点3分别进行三次原位十字板剪切测试，三次原位测试深度一致。

首先，采用前述原位强度测试装置（矩形十字板头和三角形十字板头组合的结构）在其中一个测试点3进行原位十字板剪切测试，并记录下土体破坏时的扭力矩M₁；如图6所示，其剪切破坏土体为一个圆柱体和一个倒锥形体，剪切破坏面包括一个竖直剪切面4、一个水平剪切面5及一个倾斜剪切面6。

然后，将矩形十字板头1和三角形十字板头2分开，采用矩形十字板头1在余下两个测试点3中任选一个进行原位十字板剪切测试，并记录下土体破坏时的扭力矩M₂；如图7所示，剪切破坏土体为一个圆柱体，剪切破坏面包括一个竖直剪切面4和两个水平剪切面5。

最后，采用三角形十字板头2在余下的测试点3进行原位十字板剪切测试，并记录下土体破坏时的扭力矩M₃；如图8所示，剪切破坏土体为一个倒圆锥形体，剪切破坏面包括一个水平剪切面5和一个倾斜剪切面6。

c、对于竖直面对应的扭力矩M_v，

$M_v=M_1-M_3=\mathrm{\πD}\×H\×\frac{D}{2}\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fv}}=\frac{\mathrm{\π}}{2}{D}^2{\mathrm{H\τ}}_{\mathrm{fv}},$

因此，竖直面抗剪强度为：

       式一；

对于水平面对应的扭力矩Mh,

$M_h=\frac{M_2-M_v}{2}=\frac{M_2+M_3-M_1}{2}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2\×\frac{2}{3}\×\frac{D}{2}\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fh}}=\frac{\mathrm{\π}}{12}{D}^3{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fh}},$

因此，水平面抗剪强度为：

       式二；

对于45°倾斜面对应的扭力矩M_45°，

因则

因此，45°倾斜面抗剪强度为：      式三；

分别利用式一、式二和式三计算出竖直面抗剪强度τ_fv、水平面抗剪强度τ_fh和45°倾斜面抗剪强度τ_45°，

式中τ_fv为竖直面抗剪强度，τ_fh为水平面抗剪强度，τ_45°为45°倾斜面抗剪强度，D为板体Ⅰ1-1的宽度，H为板体Ⅰ1-1的长度，a为板体Ⅱ2-1的直角边长度。

Claims (4)

1.一种结构性各向异性软黏土原位强度测试装置，其特征在于：它包括同轴布置且无法绕该轴线相对转动的矩形十字板头（1）和三角形十字板头（2）；所述矩形十字板头（1）包括两片垂直交叉形成十字形的矩形板体Ⅰ（1-1），以及与板体Ⅰ（1-1）固定连接的中空探杆杆轴Ⅰ（1-2），两板体Ⅰ（1-1）的交叉线与杆轴Ⅰ（1-2）的轴线重合；所述三角形十字板头（2）包括两片垂直交叉成十字形的三角形板体Ⅱ（2-1），以及与板体Ⅱ（2-1）固定连接的探杆杆轴Ⅱ（2-2），两板体Ⅱ（2-1）的交叉线与杆轴Ⅱ（2-2）的轴线重合；所述杆轴Ⅱ（2-2）同轴可拆卸的安装于杆轴Ⅰ（1-2）内形成一个整体，同时两板体Ⅰ（1-1）分别与两块板体Ⅱ（2-1）一一对应拼接，且相对应的板体Ⅱ（2-1）与板体Ⅰ（1-1）位于同一平面内，所述板体Ⅱ（2-1）与板体Ⅰ（1-1）相接侧的边长与板体Ⅰ（1-1）宽度相等。

2.根据权利要求1所述的结构性各向异性软黏土原位强度测试装置，其特征在于：所述板体Ⅰ（1-1）的长度H为100mm、宽度D为50mm。

3.根据权利要求2所述的结构性各向异性软黏土原位强度测试装置，其特征在于：所述板体Ⅱ（2-1）为等腰直角三角形，其斜边的长度为50mm、直角边的长度a为

mm。

4.一种利用权利要求1所述装置进行结构性各向异性软黏土原位强度测试的方法，其特征在于步骤如下：

a、在待测场地中以1m为直径作一个圆，并沿圆弧选定三个测试点（3），相邻两测试点（3）所夹圆弧对应的圆心角均为120°；

b、采用测试装置在其中一个测试点（3）进行原位十字板剪切测试，并记录下土体破坏时的扭力矩M₁；

c、将矩形十字板头（1）和三角形十字板头（2）分开，并分别采用矩形十字板头（1）和三角形十字板头（2）在余下两个测试点（3）进行原位十字板剪切测试，并分别记录下土体破坏时的扭力矩M₂和M₃，并且保证三次测试深度相同；

d、分别利用 ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fv}}=\frac{2(M_1-M_3)}{\mathrm{\π}{D}^{2}H},$ ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fh}}=\frac{6(M_2+M_3-M_1)}{\mathrm{\π}{D}^3}$ 和

计算出竖直面抗剪强度、水平面抗剪强度和45°倾斜面抗剪强度，

式中τ_fv为竖直面抗剪强度，τ_fh为水平面抗剪强度，τ_45°为45°倾斜面抗剪强度，D为板体Ⅰ（1-1）的宽度，H为板体Ⅰ（1-1）的长度，a为板体Ⅱ（2-1）的直角边长度。

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