CN108593460A - 基于直剪试验确定土体抗剪强度的动态精确计算方法 - Google Patents

基于直剪试验确定土体抗剪强度的动态精确计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于直剪试验确定土体抗剪强度的动态精确计算方法。本发明包含以下步骤：1.试验前确定所用应变控制式直剪仪量力环的率定系数C、进行控制应变式快剪试验时手轮每分钟转动次数N、手轮所在圆盘的半径R；2.按规范要求制作供试验使用的标准试件；3.开展试验并记录开始剪切至试件发生破坏所需时间T；4.将所得C、N、R、T四值代入所建立的试件抗剪强度精确计算的表达式中，即得试件抗剪强度的精确值。本发明不仅能够有效消除试验时试件受剪面积逐渐减小但最终却按原面积计算而导致计算结果误差较大的问题，提高两表征土体抗剪强度指标的真实性；而且表达式计算简单、原理易懂，有利于广泛推广应用于实际工程。

Description

基于直剪试验确定土体抗剪强度的动态精确计算方法
技术领域
本发明属于道路工程与岩土工程领域，涉及一种基于直剪试验确定土体抗剪强度的动态精确计算方法。
背景技术
土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限能力，亦是评价隧道、建筑物地基等土木工程地质体服役期间稳定性的关键指标。诸多现场勘查结果显示，边坡等工程构造物的失稳多是土体抗剪强度不足所导致的剪切破坏，因此准确测定体现土体抗剪强度的两个指标——黏聚力与内摩擦角对保证土工构筑物的安全性具有重要意义。室内直剪试验方法的基本原理及步骤如下：(1)按最大干密度和最佳含水率在剪切盒内制备试样；(2)安装应力～应变监测系统；(3)对试样进行剪切试验；(4)整理试验结果得到土样应力～应变曲线和表征抗剪强度的两个指标。
现阶段通过操作复杂、准确度高的三轴压缩试验测定土体抗剪强度指标的方法被业界公认，而直接剪切试验因操作简便、耗时较少仍被大量使用。众所周知，直剪试验因仪器构造等特殊原因而存在一些缺点，因此使得实验结果与真实值之间存在较多误差，如剪切面并非试样抗剪最弱面、试样破坏时主应力无法获取等，而现行规范直接剪切试验的数据处理时，不考虑试样受剪面积的逐渐减小，而按原面积(剪切盒面积)计算，从而导致误差出现。基于此，沈阳建筑大学学报2005年第21卷第2期公开了直剪试验中对土抗强度的一种修正方法，提出了试样剪切过程中剪切面积随下盒移动距离变化的二重积分表达式从而精确计算出试件被剪坏时的抗剪强度，虽计算结果与真实值相差较小，但积分计算过程较为繁琐，不易于被一线施工技术人员接受。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供一种基于直剪试验确定土体抗剪强度的动态精确计算方法，解决了现有技术中积分计算过程较为繁琐，不易于被一线施工技术人员接受的问题。
本发明所采用的技术方案是，基于直剪试验确定土体抗剪强度的动态精确计算方法，具体按照以下步骤进行：
步骤S1、确定应变控制式直剪仪量力环的率定系数C、进行控制应变式快剪试验时手轮每分钟转动次数N、手轮所在圆盘的半径R；
步骤S2、制作试验试件；
步骤S3、开展试验并记录开始剪切至试件发生破坏所需时间T；
步骤S4、确定试件抗剪强度τf动态变化的表达式，将C、N、R、T四值代入试件抗剪强度τf动态变化的表达式，计算得出试件抗剪强度的精确值。
进一步的，所述步骤S1中，包括：
步骤S11、选定供试验使用的应变控制式直剪仪，确定所用应变控制式直剪仪量力环的率定系数C，具体标定方法如下：
一、将量力环从应变控制式直剪仪上取下安装在校验加荷架上，将百分表调整为零，校验时所施加的负荷应平稳，且沿量力环的轴线；
二、将标称负荷施加于量力环之上反复预压三次，调整好百分表，按校验点逐级进行加荷；
三、校验时从标称负荷的10％开始，校验点不少于8点，加、卸负荷不少于3次，百分表的读数必须在指针静止时测读；
四、每次卸去负荷后，百分表的回零差不得大于0.3分度，每次加荷前应将百分表调回到零位；
五、取各次校验中加/卸负荷时所得读数的算术平均值作为相应负荷的示值，在直角坐标中，以荷重为纵坐标，百分表读数为横坐标，将各实测点回归得到一条通过坐标原点的直线，直线斜率即为所标定的量力环的率定系数；
步骤S12、确定进行控制应变式快剪试验时手轮每分钟转动次数N，其中每分钟控制在4至12转，确保试样在3至5分钟内剪破；
步骤S13、使用游标卡尺量测手轮所在圆盘的半径R。
进一步的，所述步骤S2中，包括：
步骤S21、制备三组试样，每组四个进行平行试验，试样高20mm、内径为61.8mm，按照灌砂法操作要求测定试件密度，烘干法测定试件含水率，密度及含水率测定完成后，选取试件间密度差值不大于0.3kg/m3且含水率差值不大于2％的试件作为试验材料。
进一步的，所述步骤S3中，包括：
步骤S31、设进行控制应变式直剪试验时手轮每分钟转动N次，则手轮转动的角速度w为：
w的单位为rad/s；
手轮转动的线速度，即剪切盒对试样的剪切速度v为：
式中，R为手轮所在圆盘的半径，v的单位为m/s；
步骤S32、开始剪切即转动手轮至发生破坏即测力计示数稳定的时间T，单位为s，则单位为m的剪切位移L为：
其中，剪切位移L＝上下盒圆心距离＝量力环变形量；
步骤S33、在试样受剪过程中，应变控制式直剪仪上盒对试件的剪切面积为应变控制式直剪仪下盒对试件的剪切面积为在直角三角形△O1AC中，O1A之间的距离为手轮所在圆盘的半径R，O1O2之间的距离为剪切位移L，O1A与O1O2之间的夹角为β，应变控制式直剪仪的有效剪切面积S有效：
其中，
进一步的，试件抗剪强度τf动态变化的表达式为：
本发明的有益效果是，本发明所提供的计算方法模型结构简单、参数较少、计算量小、适用土质范围较广、准确性高。相比于传统的试件抗剪强度确定方法，本发明能够有效地降低处理数据时按照始终不变的原面积(剪切盒面积)计算而导致的误差，同时也有效地避免了当量力环百分表指针不后退时以剪切位移δ＝4mm时所对应的变形为百分表读数这一用近似值替代真实值情况的出现，可广泛推广于公路、铁路、矿山、库区等众多土工构筑物稳定性分析过程以及相关领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1是试样受剪过程中应变控制式直剪仪上下盒位置示意简图；
图2a是第1组试件抗剪强度随正应力变化曲线图；
图2b是第2组试件抗剪强度随正应力变化曲线图；
图2c是第3组试件抗剪强度随正应力变化曲线图；
图3a是同等条件下由四种方法所获得的试件内摩擦角对比图；
图3b是同等条件下由四种方法所获得的试件黏聚力对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于直剪试验确定土体抗剪强度的动态精确计算方法，具体按照以下步骤进行：
步骤S1、确定试验参数；
步骤S11、选定供试验使用的应变控制式直剪仪，确定所用应变控制式直剪仪量力环的率定系数C，具体标定方法如下：
一、将量力环从应变控制式直剪仪上取下安装在校验加荷架上，将百分表调整为零，校验时所施加的负荷应平稳，且沿量力环的轴线；
二、将标称负荷施加于量力环之上反复预压三次，调整好百分表，按校验点逐级进行加荷；
三、校验时从标称负荷的10％开始，校验点不少于8点，加、卸负荷不少于3次，百分表的读数必须在指针静止时测读；
四、每次卸去负荷后，百分表的回零差不得大于0.3分度，每次加荷前应将百分表调回到零位；
五、取各次校验中加/卸负荷时所得读数的算术平均值作为相应负荷的示值，在直角坐标中，以荷重为纵坐标，百分表读数为横坐标，将各实测点回归得到一条通过坐标原点的直线，直线斜率即为所标定的量力环的率定系数；
步骤S12、确定进行控制应变式快剪试验时手轮每分钟转动次数N，其中每分钟控制在4至12转，确保试样在3至5分钟内剪破；
步骤S13、使用游标卡尺量测手轮所在圆盘的半径R；
步骤S2、制作试验试件；
步骤S21、制备三组试样，每组四个进行平行试验，试样高20mm、内径为61.8mm；按照灌砂法操作要求测定试件密度，烘干法测定试件含水率，密度及含水率测定完成后，选取试件间密度差值不大于0.3kg/m3且含水率差值不大于2％的试件作为试验材料，不符合条件的应予以剔除；
步骤S3、建立表达式并开展试验；
步骤S31、设进行控制应变式直剪试验时手轮每分钟转动N次，则手轮转动的角速度w为：
w的单位为rad/s；
手轮转动的线速度，即剪切盒对试样的剪切速度v为：
式中，R为手轮所在圆盘的半径，v的单位为m/s；
步骤S32、开展试验并用秒表记录：开始剪切即转动手轮至发生破坏即测力计示数稳定的时间T，单位为s，则单位为m的剪切位移L为：
其中，剪切位移L＝上下盒圆心距离＝量力环变形量；
步骤S33、在试样受剪过程中，应变控制式直剪仪上盒对试件的剪切面积为应变控制式直剪仪下盒对试件的剪切面积为在直角三角形△O1AC中，O1A之间的距离为手轮所在圆盘的半径R，O1O2之间的距离为剪切位移L，O1A与O1O2之间的夹角为β，应变控制式直剪仪的有效剪切面积S有效：
其中，
步骤S4、确定试件抗剪强度τf动态变化的表达式，将C、N、R、T四值代入试件抗剪强度τf动态变化的表达式，计算得出试件抗剪强度的精确值；
试件抗剪强度τf动态变化的表达式为：
实施例
以取自湖南长沙的高液限黏性土来演示本发明的具体实施过程，表1为高液限黏性土的基本物理参数统计表。
表1高液限黏土基本物理参数统计表
步骤a：试验前确定所用应变控制式直剪仪量力环的率定系数C，经测定所用应变控制式直剪仪的率定系数C＝10.075；确定进行控制应变式快剪试验时手轮每分钟转动次数N，经确定N＝4，即15s/转；使用游标卡尺量测手轮所在圆盘的半径R＝28.89mm。
步骤b：制备三组试样，每组四个进行平行试验，尺寸为：高度20mm、内径61.8mm，采用灌砂法测定试件密度，烘干法测定试件的含水率，制得满足要求的试件相关参数如表2所示。
表2试验所用试件参数统计表
组别 编号 密度(g/cm3) 含水率(％)
1 1 1.865 21.7
1 2 1.867 21.7
1 3 1.859 21.6
1 4 1.864 21.7
2 1 1.873 21.5
2 2 1.869 21.7
2 3 1.870 21.6
2 4 1.866 21.6
3 1 1.857 21.3
3 2 1.860 21.5
3 3 1.866 21.7
3 4 1.870 21.7
步骤c：开展试验并用秒表记录开始剪切至试件发生破坏的时间T，试验所得各组试样从开始剪切至发生破坏的时间T如表3所示。
表3试验所用试件参数统计表
步骤d：将所得C、N、R、T四值代入上述所建立的试件抗剪强度精确计算的表达式中，计算得出试件抗剪强度的精确值如表4所示，继而作出每组试件的抗剪强度随正应力变化曲线图，如图2a-2c所示。根据摩尔-库伦定律可知，在抗剪强度随正应力变化的关系图中，曲线的倾角即为试件的内摩擦角，曲线在纵轴上的截距即为试件的黏聚力。因此，由图2a-2c可得1、2、3组试件的内摩擦角和黏聚力。
表4按本发明计算方法计算所得各试件抗剪强度统计表
组别 编号 抗剪强度τf(kPa)
1 1 56.79
1 2 106.05
1 3 135.96
1 4 158.84
2 1 57.13
2 2 104.81
2 3 137.02
2 4 159.41
3 1 56.97
3 2 107.50
3 3 137.66
3 4 159.09
步骤e：将按本发明所求得的表征土体抗剪强度的两个指标——黏聚力及内摩擦角与同等条件下分别由三轴试验和现行规范方法(计算抗剪强度时以剪切盒面积代替试件发生破坏时的有效受剪面积)以及沈阳建筑大学学报2005年第21卷第2期公开的直剪试验中对土抗强度的一种修正方法所得的表征土体抗剪强度的两个指标进行比较，如表5所示。从表5可知，使用本发明方法得到的试件黏聚力和内摩擦角与现行规范方法所得结果差别明显，但与室内三轴试验结果差距较小、吻合程度较高，且与使用积分算法所得的结果非常相近。同等条件下由四种方法所获得试件内摩擦角和黏聚力对比图如图3a-3b所示。大量文献指出，三轴试验是一种精确测定土体抗剪强度的方法，本发明计算结果与三轴试验结果吻合程度较高证明本发明计算方法精确度高，而按本发明方法所得的计算结果与积分算法所得结果基本一致，则说明本方法在保证计算精度的同时也有效简化了计算过程，提高了计算效率。
表5使用各方法获得表征土体抗剪强度两指标统计表
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.基于直剪试验确定土体抗剪强度的动态精确计算方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤S1、确定应变控制式直剪仪量力环的率定系数C、进行控制应变式快剪试验时手轮每分钟转动次数N、手轮所在圆盘的半径R；
步骤S2、制作试验试件；
步骤S3、开展试验并记录开始剪切至试件发生破坏所需时间T；
步骤S4、确定试件抗剪强度τf动态变化的表达式，将C、N、R、T四值代入试件抗剪强度τf动态变化的表达式，计算得出试件抗剪强度的精确值。
2.根据权利要求1所述的基于直剪试验确定土体抗剪强度的动态精确计算方法，其特征在于，所述步骤S1中，包括：
步骤S11、选定供试验使用的应变控制式直剪仪，确定所用应变控制式直剪仪量力环的率定系数C，具体标定方法如下：
一、将量力环从应变控制式直剪仪上取下安装在校验加荷架上，将百分表调整为零，校验时所施加的负荷应平稳，且沿量力环的轴线；
二、将标称负荷施加于量力环之上反复预压三次，调整好百分表，按校验点逐级进行加荷；
三、校验时从标称负荷的10％开始，校验点不少于8点，加、卸负荷不少于3次，百分表的读数必须在指针静止时测读；
四、每次卸去负荷后，百分表的回零差不得大于0.3分度，每次加荷前应将百分表调回到零位；
五、取各次校验中加/卸负荷时所得读数的算术平均值作为相应负荷的示值，在直角坐标中，以荷重为纵坐标，百分表读数为横坐标，将各实测点回归得到一条通过坐标原点的直线，直线斜率即为所标定的量力环的率定系数；
步骤S12、确定进行控制应变式快剪试验时手轮每分钟转动次数N，其中每分钟控制在4至12转，确保试样在3至5分钟内剪破；
步骤S13、使用游标卡尺量测手轮所在圆盘的半径R。
3.根据权利要求1所述的基于直剪试验确定土体抗剪强度的动态精确计算方法，其特征在于，所述步骤S2中，包括：
步骤S21、制备三组试样，每组四个进行平行试验，试样高20mm、内径为61.8mm，按照灌砂法操作要求测定试件密度，烘干法测定试件含水率，密度及含水率测定完成后，选取试件间密度差值不大于0.3kg/m3且含水率差值不大于2％的试件作为试验材料。
4.根据权利要求1所述的基于直剪试验确定土体抗剪强度的动态精确计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，包括：
步骤S31、设进行控制应变式直剪试验时手轮每分钟转动N次，则手轮转动的角速度w为：
w的单位为rad/s；
手轮转动的线速度，即剪切盒对试样的剪切速度v为：
式中，R为手轮所在圆盘的半径，v的单位为m/s；
步骤S32、开始剪切即转动手轮至发生破坏即测力计示数稳定的时间T，单位为s，则单位为m的剪切位移L为：
其中，剪切位移L＝上下盒圆心距离＝量力环变形量；
步骤S33、在试样受剪过程中，应变控制式直剪仪上盒对试件的剪切面积为应变控制式直剪仪下盒对试件的剪切面积为在直角三角形△O1AC中，O1A之间的距离为手轮所在圆盘的半径R，O1O2之间的距离为剪切位移L，O1A与O1O2之间的夹角为β，应变控制式直剪仪的有效剪切面积S有效：
其中，
5.根据权利要求4所述的基于直剪试验确定土体抗剪强度的动态精确计算方法，其特征在于，所述步骤S4中，试件抗剪强度τf动态变化的表达式为：
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