土的室内剪切试验及抗剪强度分析研究

土的室内剪切试验及抗剪强度分析研究

摘要:土为众多固体颗粒所构成,土粒之间的连接强度相对于土粒自身强度而言,要小的多,当在剪应力的不断作用下,很多土体所出现的剪切破坏并非土粒自身的破坏,而是由于土粒之间发生了互相错动现象,导致土的某一部分沿着某一个面产生和剪切方向相同滑动。在日常生活中,很大一部分建筑地基受到破坏、自然或者人工滑动等,均是因土内自身剪切力比自身抗剪强度大所造成的,对此,研究土强度特性具有很现实的意义,下面文章结合某工程案例,就土的室内剪切试验及抗剪强度进行研究和分析。

关键词:剪切试验土体实验抗剪强度直接剪切试验三轴压缩试验

土抗剪强度就是土体对于剪切破坏的最大抵抗能力,该数值为土力学性质指标中最重要的一项,该数值和剪切破坏时滑动面上所产生的剪应力相等。不管是挡土墙土压力和承载力的计算,还是地基稳定性的评价均会用到这一指标,在工程建设过程中,若过高或者过低地对抗剪强度进行估计,均会在不同程度上影响或者破坏工程。对此,提供可靠且准确土抗剪强度指标,并合理且科学的应用这一指标对于工程项目的建设而言,均有着非常重要的作用。下面文章就直接剪切试验与三轴压缩试验进行详细地阐述。

1 工程概况

该工程处于国家重点的风景名胜区域的上游大约10 km位置处,为水利枢纽工程,该工程所处的位置,其地层平缓,在区域内总共有四组发育构造节理和三条构造破碎带。在岩性结构方面,坝段内的基岩主要为粉砂质粘土岩、长石砂岩以及泥质粉砂岩,其中软岩和硬岩主要呈一种相间分布。在该工程存在着一个较为普遍的地质问题,即在坝址内存有泥化夹层。

2 试验过程分析

基于上述工程,试验所选材料为该工程项目建议书中阶段坝基的钻孔岩芯,该试件的岩性是泥质粉砂岩,且处于饱和的状态,在每一组试验中,需要五块标准试件。在试验过程中,所选用的试验方式为两种,直接剪切试验与三轴压缩强度试验。下面文章就这两种试验进行详细地论述。

2.1 直接剪切试验

当前,在我国的直接剪切试验中,所采用的仪器主要为四联应变控制式直剪仪,这种仪器的构造相对较为简单,便于操作和仪器的控制。在试验过程中,一般用同土样四个试样,在剪切盒中放入试样,接着在不同垂直应力下进行水平剪力的施加,继而让试样剪损,最后对量力环变形值进行测量,计算并获得剪应力大小,最终获得抗剪强度。在直接剪切试验中,主要分为三种,即慢剪、快剪与固结快剪。

在本试验中采用的是平推法,即把试件放入选定平面内实施剪切,

并将所提供的峰值强度看作抗剪断强度。在试验过程中,事先在试件上进行了法向荷载的施加,接着在水平的方向,逐级进行水平剪切荷载的施加,一直到试件产生破坏。在不同法向荷载和同组试样多次试验以后,就可得到岩石直接剪切强度指标。其中剪应力以及法向应力可通过以下这一公式来进行计算。在该公式中,P为法向荷载,σ为法向应力,Q为剪切荷载,T为剪切应力,而A则是有效剪切面积。

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2.2 三轴压缩强度试验

所谓三轴压缩强度试验就是指基于三向应力状态这一条件下岩石可承受的能力。在三轴压缩试验中,基于排水条件的不同,可将其划分为三种:第一,固结排水剪。即试样在其附近压力的不断作用下,进行排水固结稳定,接着在基于排水条件下进行垂直压力的施加,一直到试样被剪切排破坏为止。其中在整个试验中,排水阀门一直处于一种开启状态。第二,不固结不排水剪。即试样在其周围的压力下,进行垂直压力的施加,一直到剪切破坏结束为止,在这一过程中不可排水,同时排水阀门始终处于关闭的状态。第三,固结不排水剪。即对试样施加了相应的压力以后,将排水阀门开启,在允许排水固结条件下,等试样排水固结且稳定以后,将排水阀门关闭,最后再在不排水这一环境下对试样进行剪切破坏。

在本次试验过程中,通过结合工程实际需求、三轴试验机自身性能以及岩石特性来明确侧向压力的大小,同时根据等差的级数来分级,接着再在不同的侧向压力下进行轴向压力的施加,一直到试件被破坏为止。在试验过程中,基于水利工程的要求,所采用的试样均处于饱和状态。在不同的侧向压力下,轴向压力的计算可通过以下这一公式来进行。在该公式中,σ1为不同的侧向压力下所产生的轴向压力,A为试件的截面积,而P为试件的轴向破坏荷载。

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2.3 试验中需注意的相关事项

第一,在进行直接剪切试验的时候,受剪的方向应该和工程的岩体受力方向保持一致,同时方向荷载以及水平荷载作用的方向应该通过之前所预定的这一剪切面几何中心,而切向与法向位移表均不低于两个,所采取的布置方式为对称法。

第二,在实施三轴压缩强度试验的时候,要注意相关的防油技术,查看压力油深入到岩石以后,对于测试结果是否会造成影响。在试验过程中,应确保侧压力始保持在一个常数状态中。

第三,分清楚直接剪切试验与三轴压缩强度试验之间的区别。直接剪切试验为平面状态下所产生的应力,而三轴压缩强度试验则为三维应力状态下所产生的应力,在某种程度上,三轴压缩强度试验可有效弥补在直接剪切试验中,在剪切面上其应力分布不均这一问题。

3 试验结果分析

在本次实验中,一共对十六组泥质粉砂岩实施了实验,在分别实施了三轴压缩强度试验与直接剪切试验以后,所得到的强度C和φ值主要如表1和表2所示,从表1可得知,在三轴压缩实验中,计算得到的C 值最大的是7.79,最小是1.54,其平均值是4.63,而在φ值中,最大的是52.4,最小的是40.8,其平均值为45.0。从表2可得知,在直接剪切试验中,所得到的C值最大的是6.30,最小的是1.53,其平均值是3.73,而在φ值中,最大的是57.9,最小的是40.5,其平均值为48.7。此外,还对不同土质实施了快剪与不固结不排水剪试验,其试验结果如表3所示。

通过上述这些数据可以看出,所得到的C和φ值之间存在对应关系,从实验的结果来看,三轴压缩试验的C值平均值相对于直接剪切试验而言,要大的多,而φ值则基本一致。同时不固结不排水三轴和直剪的内摩擦角有差别的,直剪的角度相应要大一点。

4 结论

从上述内容可以得知,因这两种试验在应力水平、控制排水程度、剪切面位置以及应力路径等的不同,因此,二者所获得的内摩擦角以及粘聚力也会相应的有所不同。在直接剪切试验中所获得的内摩擦较相对于三轴压缩试验的内摩擦角要大得多。在选择试验方法时,不管是哪一种方法,均应在工程所规定的技术需求上,结合工程土层实际情况来明确。比如,在深厚高塑性的黏土地基中,由于其透水性相对比较差,