CN108444807A - 一种测试岩土体物理力学特性的动静耦合试验方法 - Google Patents

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谌文武
刘伟
王娟
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Abstract

本发明旨在提供一种动静耦合的岩土体物理力学性质测试的技术方法，通过该方法能够获得岩土体在经历地震荷载或者机械振动荷载后，继续遭遇水的诱发或者其他静力荷载作用后的物理力学性质。能够为地震后降雨或者其他外部因素引起的岩土体失稳问题提供一种新的解释。本发明通过动三轴等试验设备对岩土体试样预先施加地震荷载或者机械振动荷载，动荷载作用之后，利用预假动荷载后的试样进行岩土体静力学特征测试、水理性质测试以及动力特性测试等，若后期继续进行动力特性测试，则不需要将试样取下，将预振后的试样直接按照土工试验规范进行岩土体在预振后的动强度、动模量及震陷等特性进行测试。

Description

一种测试岩土体物理力学特性的动静耦合试验方法
技术领域
本发明涉及岩土体物理学特性测试技术领域，特别是涉及了一种测试岩土体物理力学特性的动静耦合试验方法。
背景技术
岩土工程勘察中，岩土体的物理力学性质以及化学性质等对于岩土工程的设计施工起至关重要的作用。目前岩土体的物理力学性质测试方法包括现场测试方法和室内测试方法，现场测试主要通过一些现场监测仪器或者现场试验设备进行物理力学性质的直接测试。室内测试方法包括物理性质测试、静力学特征测试以及动力学特征测试等。物理性质测试主要通过仪器获取岩土体基本的物理性质，而静力学测试则通过专门的设备对岩土体的静力学特征进行测试，动力学测试则是通过专门的设备对岩土体的动力特性进行测试。静力测试与岩土体在静力荷载条件下的变形特性相对应，主要解决岩土体在不同应力路径条件下的变形问题，例如基坑施工和边坡稳定性等方面的变形问题。动力学测试主要解决地震荷载以及机械振动荷载作用下，岩土体的变形特性方面的问题，例如地震引起的液化和列车荷载作用下路基岩土体稳定性方面问题。
当前的静力学测试和动力学测试是分开进行的，静力学和动力学方面的对比研究主要集中于静力学测试结果与动力学测试结果直接进行对比分析，而由于动力测试和静力测试是分开进行的，往往对比之后得出的结论有限，对于岩土体的变形以及失稳方面的解释深度有限。
现实工程中，一些地方往往在发生地震后一段时间会发生降雨等情况。降雨发生后，地表水富集会在岩土体表面产生坡面流动，同时产生下渗现象。而此时岩土体的力学性质既不属于简单的静力学问题，也不能够用动力学方面的理论进行解释说明。为对地震作用后岩土体后续的物理力学性质有更加深入的了解，一种动静耦合的试验方法急需要补充，通过一种方法能够对岩土体在经历地震或者机械振动荷载作用后，经历降雨或者灌溉等引起的岩土体失稳问题进行更加深入的了解和认识。
发明内容
本发明旨在提供一种动静耦合的岩土体物理力学性质测试的技术方法，通过该方法能够获得岩土体在经历地震荷载或者机械振动荷载后，继续遭遇水的诱发或者其他静力荷载作用后的物理力学性质。能够为地震后降雨或者其他外部因素引起的岩土体失稳问题提供一种新的解释。对于目前尚无学者对地震或者机械振动荷载施加后，岩土体后期的静力学特征、动力学特征、物理性质以及水理性质等方面变化进行研究，本发明提出一种技术方法，通过动三轴等试验设备对岩土体试样预先施加地震荷载或者机械振动荷载，动荷载作用之后，利用预假动荷载后的试样进行岩土体静力学特征测试、水理性质测试以及动力特性测试等，若后期继续进行动力特性测试，则不需要将试样取下，将预振后的试样直接按照土工试验规范进行岩土体在预振后的动强度、动模量及震陷等特性进行测试。如果进行后期静力学以及水理性质方面的测试，则将试样取下后在静三轴或渗透仪上进行岩土体后期性质测试。
本发明针对动三轴提出了不同尺寸的底座模具，可以对不同尺寸的试样预先施加动荷载，为试样后期静力学测试以及水理性质等方面的测试提供方便，可以满足对不同尺寸的试样进行预振，扩大了后期试样的测试范围，能够更加真实的反应地震或者机械振动后岩土体各方面的性质。
本发明提出的动静耦合试验方法，主要基于动三轴和静三轴开展，试验中，首先通过动三轴试验对试样施加一定频率的动荷载，动荷载施加后，从三轴仪上取下试样。后利用静三轴对预先施加动荷载后的岩土体试样进行静力学性质测试，亦可将不同尺寸的在动三轴上预先施加动荷载后的试样进行常规渗透特性测试以及直剪试验测试，通过此方法可以获得动荷载作用后的岩土体试样后期各方面性质变化规律。对于地震后或者列车等机械振动后引起的滑坡以及地基失稳问题可获得更深的认识。
若要测试预先施加动荷载后岩土体试样后续动力特性，则只需要将预先施加动荷载后的试样直接在动三轴仪根据土工试验规范直接进行标准动三轴试验获得岩土体动力学特性的试验结果。
利用本发明提出的技术方法可以对地震或者机械振动荷载作用后的岩土体的物理性质、力学性质以及水理性质等进行精确测试，其结果能够更加真实的反应岩土体承受荷载的历程。通过设计不同类型的动三轴底座，本发明可以对常规渗透试验试样、三轴试验试样、直剪试验试样、以及固结试验试样等各种不同尺寸的试样施加预先振动荷载，为后期不同试验测试一共方便。
具体实施方案
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
动静耦合试验方法：
1.制样。根据试验需要削制不同尺寸的原状岩土体试样或者通过模具预制一定尺寸的试样。通过切土器预制直径为39.1mm，高度为80mm或者直径为50mm，高度为100mm的试样预震后可进行三轴试验，三轴试验中控制高径比为2.0～2.5即可。预制直径为79.8mm(61.8mm)，高度为20mm试样预震后可进行固结试验和直剪试验。也可以预制成直径为61.8mm，高度40mm的试样，预震后可以进行渗透试验，研究土样预震后渗透系数的变化情况。
2.装样。将削制好的岩土体试样安装到动三轴仪上，根据试样的尺寸选择不同的试样底座，安装底座后，将试样安装至对应尺寸底座上，保证橡皮膜的密封性，预振试验中不允许试样中进水。
3.预振。根据地震荷载或者列车等机械振动产生的动荷载，对岩土体试样施加动荷载(本次试验中后使用动荷载为1Hz，为扩大试验测试范围，部分试样施加随机波荷载，频率不固定。)，施加动荷载前先对试样进行固结(固结过程中，根据土样埋深情况计算土样在自然界的上覆压力和围压，根据土层容重和深度计算上覆压力，P＝γ*h，P为上覆压力，γ为土体容重，h为土的埋深。确定上覆压力后，根据K0固结试验确定该区黄土的侧压力系数，侧压力系数结合上覆压力可以确定围压。上覆压力和围压确定后，依次施加至黄土试样上开始固结。)，待试样固结稳定后方可施加动荷载。
4.水理性质试验。将预振后的试样从动三轴上取下，将试样安装至渗透仪上进行渗透试验，获得预振后岩土体的渗透特性方面的数据。
5.静力学试验。将预振后的试样从动三轴上取下，利用直剪仪或者静三轴对预振后的试样进行静力学方面的测试，同时可以进行预振后试样非饱和力学性质进行测试。
6.动力学试验。将预振后的试样直接在动三轴上进行动强度测试、液化试验或者震陷试验，获得预振后岩土体的动力学特性方面的试验数据。
7.也可以将预先经历不同周期渗透后的岩土体试样放到动三轴仪上进行渗透后试样的动力学性质测试，此时需要将渗透后的试样预制成三轴试样的尺寸，利用专门渗透仪进行渗透后，将试样放置于动三轴上施加动荷载，观察渗透后岩土体试样的力学性质。同样的方法可以对渗透后试样的静力学性质进行测试。
实施例2
以下实施例均为对照参考试验，其试验结果表明实施例1方法完全正确且更加精准。
动静耦合试验-静三轴试验
1.制样。根据试验需要通过切土器预制直径为39.1mm，高度为80mm或者直径为50mm，高度为100mm的试样，三轴试验中控制高径比为2.0～2.5即可。
2.装样。将削制好的岩土体试样安装到动三轴仪上，根据试样的尺寸选择合适的试样底座，安装底座后，将试样安装至对应尺寸底座上，此时务必注意保证橡皮膜的密封性，预振试验中不允许试样中进水。
3.固结。施加动荷载前先对试样进行固结，固结过程中，根据土样埋深情况计算土样在自然界的上覆压力和围压，根据土层容重和深度计算上覆压力，P＝γ*h，P为上覆压力，γ为土体容重，h为土的埋深。确定上覆压力后，根据K0固结试验确定该区黄土的侧压力系数，侧压力系数结合上覆压力可以确定围压。上覆压力和围压确定后，依次施加至黄土试样上开始固结。待试样固结稳定后方可施加动荷载。
4.预振。根据地震荷载或者列车等机械振动产生的动荷载，对岩土体试样施加动荷载，本次试验中后使用动荷载为1Hz，为扩大试验测试范围，部分试样施加随机波荷载，频率不固定。
5.静力学试验。将预振后的试样从动三轴上取下，利用者静三轴对预振后的试样进行静力学方面的测试，同时可以进行预振后试样非饱和力学性质进行测试。测试中对于试样的剪切强度、孔隙水压力、体变等指标进行测试。
实施例3
动静耦合试验-动三轴试验
1.制样。根据试验需要通过切土器预制直径为39.1mm，高度为80mm或者直径为50mm，高度为100mm的试样，三轴试验中控制高径比为2.0～2.5即可。
2.装样。将削制好的岩土体试样安装到动三轴仪上，根据试样的尺寸选择合适的试样底座，安装底座后，将试样安装至对应尺寸底座上，此时务必注意保证橡皮膜的密封性，预振试验中不允许试样中进水。
3.固结。施加动荷载前先对试样进行固结，固结过程中，根据土样埋深情况计算土样在自然界的上覆压力和围压，根据土层容重和深度计算上覆压力，P＝γ*h，P为上覆压力，γ为土体容重，h为土的埋深。确定上覆压力后，根据K0固结试验确定该区黄土的侧压力系数，侧压力系数结合上覆压力可以确定围压。上覆压力和围压确定后，依次施加至黄土试样上开始固结。待试样固结稳定后方可施加动荷载。
4.预振。根据地震荷载或者列车等机械振动产生的动荷载，对岩土体试样施加动荷载，本次试验中后使用动荷载为1Hz，为扩大试验测试范围，部分试样施加随机波荷载，频率不固定。
5.动力学试验。将预振后的试样直接在动三轴上进行动强度测试、液化试验或者震陷试验，获得预振后岩土体的动力学特性方面的试验数据。对于预震后黄土试样的动模量、阻尼比、动强度以及动孔隙水压力等指标进行测试。
实施例4
动静耦合试验-渗透试验
1.制样。根据试验需要通过切土器预制成直径为61.8mm，高度40mm的试样。
2.装样。将削制好的岩土体试样安装到动三轴仪上，根据试样的尺寸选择合适的试样底座，安装底座后，将试样安装至对应尺寸底座上，此时务必注意保证橡皮膜的密封性，预振试验中不允许试样中进水。
3.固结。施加动荷载前先对试样进行固结，固结过程中，根据土样埋深情况计算土样在自然界的上覆压力和围压，根据土层容重和深度计算上覆压力，P＝γ*h，P为上覆压力，γ为土体容重，h为土的埋深。确定上覆压力后，根据K0固结试验确定该区黄土的侧压力系数，侧压力系数结合上覆压力可以确定围压。上覆压力和围压确定后，依次施加至黄土试样上开始固结。待试样固结稳定后方可施加动荷载。
4.预振。根据地震荷载或者列车等机械振动产生的动荷载，对岩土体试样施加动荷载，本次试验中后使用动荷载为1Hz，为扩大试验测试范围，部分试样施加随机波荷载，频率不固定。
5.渗透试验。将预振后的试样安装在TST-55型渗透仪上，饱和后进行变水头渗透试验。实时测试渗透中的起始和终止水头，并测记起始和终止的时间，利用下述公式进行计算渗透系数。
式中：KT--水温T℃时试样的渗透系数，cm/s；
a--变水头管的断面积，cm2；
2.3--ln和lg的变换因数；
L—渗透路径，即试样高度，cm；
A—试样断面积，cm2；
t1、t2—测读水头的起始和终止时间，s；
H1、H2—起始和终止水头，cm。
实施例5
动静耦合试验-固结试验
1.制样。根据试验需要通过切土器预制成直径为61.8mm或79.8mm，高度20mm试样。
2.装样。将削制好的岩土体试样安装到动三轴仪上，根据试样的尺寸选择合适的试样底座，安装底座后，将试样安装至对应尺寸底座上，此时务必注意保证橡皮膜的密封性，预振试验中不允许试样中进水。
3.固结。施加动荷载前先对试样进行固结，固结过程中，根据土样埋深情况计算土样在自然界的上覆压力和围压，根据土层容重和深度计算上覆压力，P＝γ*h，P为上覆压力，γ为土体容重，h为土的埋深。确定上覆压力后，根据K0固结试验确定该区黄土的侧压力系数，侧压力系数结合上覆压力可以确定围压。上覆压力和围压确定后，依次施加至黄土试样上开始固结。待试样固结稳定后方可施加动荷载。
4.预振。根据地震荷载或者列车等机械振动产生的动荷载，对岩土体试样施加动荷载，本次试验中后使用动荷载为1Hz，为扩大试验测试范围，部分试样施加随机波荷载，频率不固定。
5.固结试验。将预振后的试样安装在固结仪上进行固结试验。标准固结试验中的初始孔隙比，各级压力下固结稳定后的单位沉降量、各级压力下的孔隙比、某一压力范围内的压缩系数、某一压力范围内的压缩模量、压缩指数按照下述公式计算。
式中：e0—试样的初始孔隙比；
w0—试样的初始含水率，％；
Gs—土粒比重；
ρw—4℃时纯水的密度；
ρ0—试样的初始湿密度，g/cm3。
式中：Si—某一级压力下的单位沉降量，mm/m；
h0—试样的初始高度，mm；
∑△hi—某一级压力下试样固结稳定后的总变形量，mm；
103—单位换算系数。
式中：ei—各级压力下试样固结稳定后的孔隙比。
式中：av—压缩系数，MPa-1。
pi，pi+1—某一级压力值，MPa。
式中：Es—某一压力范围内的压缩模量，MPa；
e1—压力p1对应的孔隙比。
式中：Cc—压缩指数。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的内容和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种测试岩土体物理力学特性的动静耦合试验方法，其特征在于，步骤包括，
S1.制样；根据需要削制不同尺寸的原状岩土体试样或者通过模具预制一定尺寸的试样；三轴试验中控制高径比为2.0～2.5；通过切土器预制直径为39.1mm，高度为80mm或者直径为50mm，高度为100mm的试样预震后可进行三轴试验；预制直径为79.8mm，高度为20mm试样预震后可进行固结试验和直剪试验；预制成直径为61.8mm，高度40mm的试样，预震后可以进行渗透试验，研究土样预震后渗透系数的变化情况；
S2.装样；将削制好的岩土体试样安装到动三轴仪上，根据试样的尺寸选择不同的试样底座，安装底座后，将试样安装至对应尺寸底座上，保证橡皮膜的密封性，预振试验中不允许试样中进水；
S3.预振；根据地震荷载或者列车等机械振动产生的动荷载，对岩土体试样施加动荷载，施加动荷载前先对试样进行固结，固结过程中，根据土样埋深情况计算土样在自然界的上覆压力和围压，根据土层容重和深度计算上覆压力，P＝γ*h，P为上覆压力，γ为土体容重，h为土的埋深；确定上覆压力后，根据K0固结试验确定该区黄土的侧压力系数，侧压力系数结合上覆压力可以确定围压；上覆压力和围压确定后，依次施加至黄土试样上开始固结；待试样固结稳定后方可施加动荷载；
S4.水理性质试验；将预振后的试样从动三轴上取下，将试样安装至渗透仪上进行渗透试验，获得预振后岩土体的渗透特性方面的数据；
S5.静力学试验；将预振后的试样从动三轴上取下，利用直剪仪或者静三轴对预振后的试样进行静力学方面的测试，同时可以进行预振后试样非饱和力学性质进行测试；
S6.动力学试验；将预振后的试样直接在动三轴上进行动强度测试、液化试验或者震陷试验，获得预振后岩土体的动力学特性方面的试验数据。
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