CN107764666A - 一种用于原位测试土体各向异性强度的测试方法 - Google Patents
一种用于原位测试土体各向异性强度的测试方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于原位测试土体各向异性强度的测试方法，通过第一剪切板测出待测土体水平方向的抗剪强度，通过第二剪切板获得竖直方向的抗剪强度，进而利用Casagrande等人建议的计算式可得出待测土体任意位置的抗剪强度。本发明克服了常规十字板剪切仪仅能粗略测试土体竖直方向上的抗剪强度的缺点，可获得各向异性土体竖直方向、水平方向和任意方向上的抗剪强度，适用于原位测试试验，可为各向异性土体的研究提供新的方法和思路，填补各向异性土体原位强度研究的空白，可广泛应用于岩土工程技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，尤其是一种用于原位测试土体各向异性强度的测试方法。
背景技术
目前对于土体强度的研究主要采用直剪仪、三轴仪、空心扭剪仪、无侧限抗压仪以及十字板剪切仪等进行试验研究。前四种试验均属室内试验，需取土样进行，取土不可避免地对土样进行扰动，影响试验精度。十字板剪切试验属原位测试方法，该方法可避免取土扰动的影响，适合于现场测定饱和粘性土的原位不排水抗剪强度，在工程建设中应用广泛。但对于土体而言，由于受固结程度不同或各向异性的影响，一般情况下在水平方向和竖直方向上的抗剪强度值是不相等的。在常规十字板剪切试验中，土体破坏面为上、下两个沿水平方向的圆面及竖向的圆柱面，十字板剪切试验假定剪破时上、下两个水平面及竖直面上的土体同时达到强度峰值，并且水平面及竖直面上土体的强度大小相等，然而这与实际情况并不相符。因此其计算方法不严格，试验精度不准确，这是十字板剪切试验存在的不足之处。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种用于原位测试土体各向异性强度的测试方法，与常规十字板剪切仪相比，该剪切装置可测试出土体在竖直方向、水平方向和任意斜面上的抗剪强度，实现各向异性土体强度的原位测试，提高土体强度测试的精度。
本发明采用如下技术方案：
一种用于原位测试土体各向异性强度的测试方法，包括如下步骤：
A-1、采用第一剪切板测试土体在水平方向的抗剪强度τh；
A-2、采用第二剪切板插入待测土体进行测试，获得待测土体被剪破时的扭矩M；
A-3、结合扭矩M和水平方向上的抗剪强度τh，通过公式计算得出待测土体竖直方向上的抗剪强度τv。
进一步，所述步骤A-1测试水平方向的抗剪强度τh的步骤为：
S-1、采用高为H，宽为D的第一剪切板进行土体强度测试试验，记录土体破坏时的扭矩M1，所述高和宽的尺寸均为所述第一剪切板的第一叶片的尺寸；
S-2、采用高为2H，宽为D的第一剪切板进行土体强度测试试验，记录土体破坏时的扭矩M2，所述高和宽的尺寸均为所述第一剪切板的第一叶片的尺寸；
S-3、由M1、M2可得出土体被剪破时在圆柱土体上、下两个端面上的扭矩均为结合端面上的扭矩和剪应力分布情况进而求解出待测土体水平方向上的抗剪强度τh。
进一步，所述第一剪切板包括转轴和与所述第一叶片下端匹配的硬质薄片圆环，所述第一叶片的数量为至少2个，各第一叶片均为矩形形状，且大小相同，各所述第一叶片均通过内侧竖直边固定在转轴的中心轴向下延长线上，各所述内侧竖直边的顶端均与所述转轴的底端抵接，相邻两个第一叶片的夹角均大于0°。
进一步，所述第一叶片的数量为4个，相邻两个第一叶片的夹角为直角。
进一步，所述硬质薄片圆环的内侧布置有与所述第一叶片外侧竖直边相匹配的凹槽，所述凹槽的宽度等于所述第一叶片的厚度。
进一步，所述第一叶片的高宽比小于或等于2。
进一步，所述第二剪切板包括转轴和若干个形状、大小完全相同的第二叶片，各所述第二叶片的形状均为半圆形，各所述第二叶片均通过直径边固定在转轴的中心轴向下延长线上，所述直径边的顶端与转轴的下端抵接，相邻两个第二叶片的夹角均大于0°。
进一步，所述第二叶片的数量为4个，相邻两个第二叶片的夹角为直角。
进一步，所述步骤A-2中所述待测土体被剪切后获得的土体形状为球体，所述球体的半径等于所述第二叶片的半径r。
进一步，所述步骤A-3中获得待测土体竖直方向上的抗剪强度τv的公式为：
本发明的有益效果：本发明方法通过第一剪切板获得待测土体水平方向的抗剪强度，通过第二剪切板获得竖直方向的抗剪强度，进一步可计算出待测土体在任意方向上的抗剪强度值。本发明方法弥补了常规十字板剪切仪仅能粗略测试土体在竖直方向上的抗剪强度的不足，克服了室内试验操作复杂和取土扰动等缺点，可获得各向异性土体水平方向、竖直方向和任意方向上的抗剪强度。本发明可作为各向异性土体研究的新方法，填补各向异性土体现场特性研究的空白，可广泛应用于岩土工程技术领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明方法中采用的第一剪切板的结构示意图；
图2是本发明方法中采用的第二剪切板的结构示意图；
图3是本发明方法中采用的第二剪切板的第二叶片的形状示意图；
图4、5、6分别是本发明方法中的三种剪应力τh的分布图。
附图标记：11、转轴；13、第一叶片；14、硬质薄片圆环；23、第二叶片。
具体实施方式
图1所示为用于原位测试土体水平方向的抗剪强度τh的第一剪切板，包括转轴11、布置于转轴下方的若干个第一叶片13以及与第一叶片13下端相匹配的硬质薄片圆环14，所述硬质薄片圆环14是由一个长条矩形卷曲围成一个圆环，长条矩形的两个短边重合。所述硬质薄片圆环14与转轴11为同心轴布置，各所述第一叶片13均为矩形形状，且大小相同，各所述第一叶片13通过内侧竖直边互成角度地固定在转轴11的中心轴向下延长线上，各所述内侧竖直边的顶端与转轴11的底端抵接，相邻两个第一叶片13的夹角均大于0°。当第一剪切板插入地面以下的待测土体时，所述转轴11呈竖直方向放置，转轴11用于将地面上的转动扭矩传递给地面下的第一叶片13。在满足强度和刚度的情况下，转轴11的下部应尽可能小，以减小插入土体时待测土体受到的扰动影响。所述转轴11与所述第一叶片13的结构为一体成型。
进一步，所述第一叶片13的数量为四个，所述四个第一叶片为大小相同的矩形薄片，相邻两个第一叶片的夹角为直角，所述四个第一叶片13的正交布置方式可更容易插入待测试土层，产生的剪切力更均匀。另外，在满足强度和刚度的前提下，第一叶片13应尽可能薄，上下两侧的水平侧边可为刃口型，便于插入待测土体，并可减小入土时对待测土体的扰动。在剪切试验中，被剪切的土体可视为圆柱体，圆柱体的高度与第一叶片高度相等，底面半径与第一叶片13的宽度相等。所述第一叶片13的高宽比小于或等于2，采用较小的高宽比，可使土体竖直方向剪切面的比例减小。
进一步，所述硬质薄片圆环14的内侧布置有与所述第一叶片13相匹配的凹槽，每个所述凹槽的宽度等于所述第一叶片13的厚度，所述第一叶片13的外侧竖直边可插入凹槽，所述硬质薄片圆环14通过凹槽套置于叶片13的下端，所述硬质薄片圆环14的下端与所述第一叶片13的下端平齐或硬质薄片圆环14的下端比第一叶片13的下端凸出。第一剪切板插入土体过程中，硬质薄片圆环14可将待测土体与周围土体切开，将所述硬质薄片圆环14的下端设计为刃口型，可以增大第一剪切板的破土能力，便于在测试过程中插入待测土体，减小土体扰动的影响。在保证硬质薄片圆环14强度和刚度的前提下，所述硬质薄片圆环14应宽度尽可能窄、厚度尽可能薄。剪切试验中，待测土体抵抗扭转的受力面仅有圆柱体的上下两个面，因此通过测读待测土体破坏时的最大扭矩，即可计算出上下两个水平面上待测土体的抗剪强度。
进一步，各所述第一叶片13的上部侧边均在同一平面内，各所述第一叶片13的下部侧边均在同一平面内，所述硬质薄片圆环14的下端表面在同一平面内。
参照图2、图3，图2所示为用于原位测试土体各向异性强度的第二剪切板，包括转轴11和与转轴11下端抵接的若干个形状、大小相同的第二叶片23，各所述第二叶片23的形状为半圆形形状，各所述第二叶片23的直径边固定在转轴11的中心轴向下延长线上，各所述直径边的顶端均与转轴11的下端抵接，相邻两个第二叶片23的夹角均大于0°。当第二剪切板插入地面以下的待测土体时，所述转轴11呈竖直方向放置，转轴11用于将地面上的转动扭矩传递给地面下的第二叶片23。在满足强度和刚度的情况下，转轴11的下部应尽可能小，以减小剪切板入土时对待测土体的扰动影响。所述转轴11与剪切板的结构是一体成型。
进一步作为优选的实施方式，所述第二叶片23的数量为四个，相邻两个第二叶片23的夹角为直角，各所述圆弧边均在同一球面上，以确保测试结果的精确度。在满足强度和刚度的前提下，所述第二叶片23应尽可能薄，圆弧边呈刃口型，便于插入待测土体，并可减小入土时待测土体受到的扰动影响。在剪切试验过程中，所述第二剪切板通过转轴11旋转带动四个第二叶片23扭转，所述第二叶片23在水平、竖直及它们之间的任意角度剪切待测土体。当土体被剪破时，被剪破的土体可视为规则的球体。
尤其值得注意的是，所述第二叶片23的弧形边两个端点分别直接与直径的两个端点相互连接。
为了利用如图1、2所示的两种剪切板，本发明方法采取如下步骤：
A-1、采用第一剪切板测试土体在水平方向的抗剪强度τh；
A-2、采用第二剪切板插入待测土体进行测试，获得待测土体被剪破时的扭矩M；
A-3、结合扭矩M和水平方向上的抗剪强度τh，通过公式计算待测土体竖直方向上的抗剪强度τv。
所述步骤A-1测试水平方向的抗剪强度τh的步骤为：
S-1、采用高为H，宽为D的第一剪切板进行土体强度测试试验，记录土体破坏时的扭矩M1，所述高和宽的尺寸均为第一剪切板的第一叶片13的尺寸；
S-2、采用高为2H，宽为D的第一剪切板进行土体强度测试试验，记录土体破坏时的扭矩M2，所述高和宽的尺寸均为第一剪切板的第一叶片13的尺寸；
S-3、由M1、M2可得出土体被剪破时在圆柱土体上、下两个端面上的扭矩均为结合端面上的扭矩和剪应力分布情况进而求解出待测土体水平方向上的抗剪强度τh。
假设圆形端面上的剪应力强度沿圆形端面的半径均匀分布，如图4，在圆形端面上分布的剪应力均为τh，则待测土体水平方向上的剪切强度为：
假设圆形端面上的剪应力强度沿圆形端面的半径呈一次曲线分布，如图5，剪应力逐渐增大，在圆心处剪应力为0，在圆周处剪应力为最大值τh，则待测土体水平方向上的剪切强度为：
假设圆形端面上的剪应力强度沿圆形端面的半径呈开口向下的抛物线分布，如图6，剪应力逐渐增大，在圆心处剪应力为0，在圆周出剪应力为最大值τh，则待测土体水平方向上的剪切强度为：
进一步，所述步骤A-2中被剪切土体为球体形状，其半径为第二剪切板的半径r，球面上任意位置上土体的抗剪强度τθ的大小可采用Casagrande等人建议的计算式：
τθ＝τh cos2θ+τν sin2θ
所述θ为所在位置的剪切面法线与竖直面的夹角。
剪切试验中土体被剪破时的力矩M、τv、τh存在以下关系：
从而有：
通过上述计算可得出待测土体在竖直方向上的抗剪强度τv，进而利用Casagrande等人建议的计算式可计算出土体在任意方向上的抗剪强度τθ。
实施例1
在土质为淤泥的试验区域进行土体原位剪切试验，试验点间距为1m，即每1m做一次试验。用第一剪切板测试土体水平方向的抗剪强度值τh，用第二剪切板测试土体竖直方向的抗剪强度值τv，第二剪切板的第二叶片半径为25mm。同时用常规十字剪切板测试土体的不排水剪强度Su，各对比试验结果见表1。
表1 试验区试验结果
| 测点深度(m) | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 竖直向抗剪强度τv(KPa) | 10.7 | 9.9 | 12.6 | 11.7 | 15.3 | 17.4 | 15.0 | 15.6 |
| 水平向抗剪强度τh(KPa) | 14.3 | 11.9 | 16.8 | 17.3 | 19.1 | 18.9 | 19.6 | 16.9 |
| 倾斜向抗剪强度τθ(KPa)，θ＝30° | 11.6 | 10.4 | 13.7 | 13.1 | 16.3 | 17.8 | 16.2 | 15.9 |
| 倾斜向抗剪强度τθ(KPa)，θ＝45° | 12.5 | 10.9 | 14.7 | 14.5 | 17.2 | 18.2 | 17.3 | 16.3 |
| 常规十字板剪切强度Su(KPa) | 10.9 | 10.5 | 12.0 | 11.5 | 16.3 | 16.8 | 15.5 | 15.2 |
实施例2
与实施例1的区别在于，试验区的土质为淤泥质粘土，各对比试验结果见表2。
表2 试验区试验结果
| 测点深度(m) | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 竖直向抗剪强度τv(KPa) | 18.8 | 17.0 | 11.3 | 19.4 | 15.5 | 11.3 | 19.7 | 23.7 |
| 水平向抗剪强度τh(KPa) | 22.1 | 23.8 | 25.3 | 24.8 | 23.8 | 27.5 | 26.7 | 28.9 |
| 倾斜向抗剪强度τθ(KPa)，θ＝30° | 19.6 | 18.7 | 14.8 | 20.8 | 17.6 | 15.4 | 21.5 | 25.0 |
| 倾斜向抗剪强度τθ(KPa)，θ＝45° | 20.5 | 20.4 | 18.3 | 22.1 | 19.7 | 19.4 | 23.2 | 26.3 |
| 常规十字板剪切强度Su(KPa) | 17.5 | 18.4 | 12.0 | 20.2 | 14.7 | 11.4 | 18.8 | 22.9 |
从以上2个试验的结果可看出，采用本发明方法测试的土体水平方向的抗剪强度τh、竖直方向的抗剪强度τv和斜面上的抗剪强度τθ呈规律性变化，它们的值均是大致随着深度的增加而增大，其中，土体在斜面上的剪切强度τθ介于水平方向抗剪强度τh和竖直方向抗剪强度τv之间，水平方向的抗剪强度τh大于竖直方向的抗剪强度τv，这是因为土体在水平面上的有效固结应力σcz为大主应力，该面上的强度为大值，竖直面上的有效固结应力k0σcz为小主应力，该面上的强度为小值，试验结果表现出土体各向异性的性质。同时试验结果表明，竖直方向的抗剪强度τv与常规十字板剪切强度Su大致相当，这与常规十字板剪切仪的测试值主要反映土体竖直面上的抗剪强度相符。试验证明，本发明方法能分别测试出各向异性土体水平、竖直方向和倾斜方向上的抗剪强度值，可为各向异性土体的研究提供新的方法和思路，填补各向异性土体现场特性研究的空白。
以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种用于原位测试土体各向异性强度的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
A-1、采用第一剪切板测试土体在水平方向的抗剪强度τh；
A-2、采用第二剪切板插入待测土体进行测试，获得待测土体被剪破时的扭矩M；
A-3、结合扭矩M和水平方向上的抗剪强度τh，通过公式计算待测土体竖直方向上的抗剪强度τv。
2.根据权利要求1所述的一种用于原位测试土体各向异性强度的测试方法，其特征在于：所述步骤A-1测试水平方向的抗剪强度τh的步骤为：
S-1、采用高为H，宽为D的第一剪切板进行土体强度测试试验，记录待测土体破坏时的扭矩M1，所述高和宽的尺寸均为所述第一剪切板的第一叶片(13)的尺寸；
S-2、采用高为2H，宽为D的第一剪切板进行土体强度测试试验，记录待测土体破坏时的扭矩M2，所述高和宽的尺寸均为所述第一剪切板的第一叶片(13)的尺寸；
S-3、由M1、M2可得出被剪破的土体上、下两个端面上的扭矩均为结合端面上的扭矩和剪应力分布情况进而求解出待测土体水平方向上的抗剪强度τh。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于原位测试各向异性强度的测试方法，其特征在于：所述第一剪切板包括转轴(11)和与所述第一叶片(13)下端匹配的硬质薄片圆环(14)，所述第一叶片(13)的数量为至少2个，各第一叶片(13)均为矩形形状，且大小相同，各所述第一叶片(13)均通过内侧竖直边固定在转轴(11)的中心轴向下延长线上，各所述内侧竖直边的顶端均与所述转轴(11)的底端抵接，相邻两个第一叶片(13)的夹角均大于0°。
4.根据权利要求3所述的一种用于原位测试各向异性强度的测试方法，其特征在于：所述第一叶片(13)的数量为4个，相邻两个第一叶片(13)的夹角为直角。
5.根据权利要求4所述的一种用于原位测试各向异性强度的测试方法，其特征在于：所述硬质薄片圆环(14)的内侧布置有与所述第一叶片(13)外侧竖直边相匹配的凹槽，所述凹槽的宽度等于所述第一叶片(13)的厚度。
6.根据权利要求5所述的一种用于原位测试各向异性强度的测试方法，其特征在于：所述第一叶片(13)的高宽比小于或等于2。
7.根据权利要求1或2所述的一种用于原位测试土体各向异性强度的测试方法，其特征在于：所述第二剪切板包括转轴(11)和若干个形状、大小完全相同的第二叶片(23)，各所述第二叶片(23)的形状均为半圆形，各所述第二叶片(23)均通过直径边固定在转轴(11)的中心轴向下延长线上，所述直径边的顶端与转轴(11)的下端抵接，相邻两个第二叶片(23)的夹角均大于0°。
8.根据权利要求7所述的一种用于原位测试土体各向异性强度的测试方法，其特征在于：所述第二叶片(23)的数量为4个，相邻两个第二叶片(23)的夹角为直角。
9.根据权利要求7所述的一种用于原位测试土体各向异性强度的测试方法，其特征在于：所述步骤A-2中所述待测土体被剪切后获得的土体形状为球体，所述球体的半径等于所述第二叶片(23)的半径r。
10.根据权利要求9所述的一种用于原位测试土体各向异性强度的测试方法，其特征在于：所述步骤A-3中获得待测土体竖直方向上的抗剪强度τv的公式为：
<mrow>
<msub>
<mi>&tau;</mi>
<mi>v</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>4</mn>
<mi>M</mi>
</mrow>
<mrow>
<mn>3</mn>
<msup>
<mi>&pi;</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<msup>
<mi>r</mi>
<mn>3</mn>
</msup>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>&tau;</mi>
<mi>h</mi>
</msub>
<mn>3</mn>
</mfrac>
</mrow>
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| CN107764666B (zh) | 2020-05-22 |
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