快剪試驗

快剪試驗由於儀器簡單、操作方便、經濟迅速而被廣泛採用, 但在試驗中除了土樣本身的因素之外, 試驗條件對抗剪強度也有一定的影響。選取影響試驗成果的主要因素垂直荷重和剪下速率, 分別取兩個水平, 按正交試驗計畫安排試驗、分析數據以研究試驗條件對抗剪強度的影響。

基本介紹

• 中文名：快剪試驗
• 外文名：Quick shear test
• 學科：土木工程
• 領域：建築
• 特點：儀器簡單、操作方便、經濟迅速
• 範圍：土壓力問題

簡介

土的強度是土的重要力學性質之一, 與土的抗剪強度有關的工程問題主要有土工構造物穩定。土作為工程構造物的環境問題(即土壓力問題), 土作為建築物地基承載力問題, 因而土的抗剪強度的測定將為土木工程的設計和驗算提供理論依據和計算指標。而土又不同於鋼材、塑膠等材料, 土類眾多、成因各異,特性千差萬別。土的強度不僅取決於土的種類, 而且在更大程度上取決於土密度、含水率、初始應力狀態、應力歷史和試驗中的排水條件等因素。即使同一試樣也因試驗方法和試驗條件不同而有較大出入, 有專家指出這種差異遠比力學計算所引起的差別大。因此, 準確測定土的強度指標極為困難。目前受各種條件限制, 室內試驗大多數情況下仍然以直接快剪試驗為主, 在工程設計中套用也較為廣泛。在直接快剪試驗中除了不可避免的排水、應力不明確、固定剪下面等儀器本身局限之外, 影響試驗成果的因素主要是垂直荷重和剪下速率。對於剪下速率試驗規程有明確規定, 也有許多專家做過大量研究, 觀點不一。對於垂直荷重試驗規程只要求根據設計荷重及土的實際情況而定, 因此有一定的不確定性。大量試驗表明, 垂直荷重對強度的影響更大。

試驗計畫及結果

本次試驗只對滲透係數<10 -6cm/ s 的粘性土(即《土工試驗規程》規定可以用直接快剪試驗求土的不排水強度的土), 考察垂直荷重與剪下速率對強度的影響, 不考慮因子相互間影響。為分析普遍性並考慮土的特性, 按固結程度、乾密度的大小分三種情況, 同一土分別取兩種垂直荷重和兩種剪下速率(即四種試驗條件), 同一條件做8 組試驗, 取其算術平均值作為該條件下的試驗成果, 以提高試驗成果的可靠性。所有試驗均在同一儀器(DJY-4 四聯等應變直剪儀)試驗, 採用電機傳動、自動(微機)採集,避免非因子影響。

關於垂直荷重和剪下速率的兩種取值分別規定如下:

對於乾密度較大的可塑、硬塑狀態的土:

垂直荷重:

(1) 50, 100 , 150, 200kPa ;

(2) 100, 200 , 300 ,400kPa。

剪下速率:

(1)2 .4mm/ min ;

(2)1 .2mm/ min 。

對於乾密度較小的軟塑狀態的土:

垂直荷重:

(1)25, 50 , 75, 100kPa ;

(2)50, 100, 150, 200kPa 。

剪下速率:

(1)2 .4mm/ min ;

(2)1 .2mm/ min 。

根據以上條件選擇正交表安排試驗。

試驗結果

根據試驗結果按土類不同分別進行數據分析。

基礎靠背部分的對穿螺栓孔宜埋設永久套管, 以保證螺栓孔位準確, 且避免抽出芯模時損壞混凝土。套管的強度可按螺栓的擰緊力考慮。螺栓的擰緊力根據安裝經驗可約取螺栓抗拉強度的。

靠背式基礎的形狀複雜, 配筋的間距在滿足施工條件的前提下儘可能密一些。水平鋼筋(箍筋)宜按多個封閉複合箍(多肢箍)配設。在設備底座的局部承壓部位, 宜配置間接加強筋。若二次澆灌層較厚時, 宜在其中配置鋼筋網, 靠背部位的二次澆灌層鋼筋網宜設拉結筋與基礎拉結。

靠背式基礎的施工不宜留設水平施工縫;應嚴格控制砂、石的含泥量和混凝土的水灰比, 不宜摻加早強劑;應加強基礎的養護。總之, 要增強混凝土的抗拉強度, 減少水化熱和減緩水化熱降溫曲線, 減少乾縮。

垂直荷重的影響

根據莫爾理論, 土的抗剪強度是法向應力的函式即τ=f(σ),粘性土的性質比較複雜, 惠脫曼曾用一個表達式表明影響強度的許多因素, 其影響因素依次為破壞時的有效法向應力、破壞時的孔隙比、時間、應力歷史、結構、環境條件、飽和度、土的生成條件、毛細管張力、有效法向主應力。同時指出這些因素中, 以破壞時的有效法向應力和破壞時的孔隙比最為重要, 而其他一些因素都是通過對破壞時的孔隙比的影響來改變強度。對於同一試樣孔隙比相同, 則法向應力對土的抗剪強度影響最大。所以, 垂直荷重是顯著性因子, 其改變對土的試驗強度影響顯著。

而垂直荷重增大凝聚力提高而摩擦角降低主要是以下原因。儘管根據莫爾-庫侖理論土的抗剪強度是土本身的一種性質, 它與加在土上的應力無關。但在通常套用時在一定應力範圍內以庫侖方程τ=c+σtanφ表示的一條直線來近似代替實際上一條向下彎曲的曲線, 在不同的應力段內近似直線的斜率不同, 隨應力增大其斜率減小即摩擦角減小, 而直線在縱坐標上的截距即凝聚力相應的增大。因此, 垂直荷重增大凝聚力提高而摩擦角降低。

兩個垂直荷重序列所得土的總抗剪強度在不同的垂直壓力階段的大小不同, 按垂直荷重從小到大方向,開始階段較大的垂直荷重序列所得總抗剪強度較高, 至150 ～200kPa 兩個垂直荷重序列所得土的總抗剪強度相等, 之後則較小的垂直荷重序列所得總抗剪強度較高。顯然, 若試驗中垂直荷重序列不是根據設計荷重來確定, 對於工程設計與驗算是不合理的。

另外, 一般工程設計與驗算多採用工程勘察報告所提供的抗剪強度指標(即凝聚力和摩擦角)進行, 因此, 既使在設計荷重條件下總抗剪強度相等, 也會因工程設計與驗算的對象不同而引起差異, 例如, 按《水閘設計規範》確定閘室基底面與土質地基之間的綜合摩擦係數, 對於粘性土凝聚力取室內試驗值的20 %～ 30 %, 摩擦角取室內試驗值的90%進行計算, 摩擦角所起作用較大, 則採用較大的垂直荷重序列所得抗剪強度指標所確定綜合摩擦系比用較小的垂直荷重序列所得抗剪強度指標所確定綜合摩擦系小。因此, 垂直荷重對土的抗剪強度的影響始終存在, 而且在不同的應力階段、不同的設計與驗算對象影響作用也不盡相同。

剪下速率的影響

關於剪下速率對於抗剪強度的影響, 許多學者認為將視不同的土及其應力歷史而定。一般認為對於不排水強度隨剪下速率增大, 不僅因為顆粒骨架蠕變作用使強度的流變分量增大, 而且,提高剪下速率意味著所形成的隙壓力較小, 於是抗剪強度也就提高了。儘管在直剪試驗中剪下速率還起著控制排水的作用, 但對於滲透係數<10 -7 cm/s 的粘性土, 根據《土工試驗規程》按規定的剪下速率的情況下排水的影響比較小。以剪下位移4mm 時的剪應力來確定抗剪強度, 較快的剪下速率(2.4mm/min)與正常的剪下速率(1.2mm/min)剪下歷時相差在2min 之內, 對於滲透係數<10-7 cm/ s 的粘性土2min 之內排水固結是很小的。而且, 大量直剪試驗表明大多數粘性土的剪應力峰值在剪下位移2.5mm左右出現。如本次試驗所取的乾密度較大的可塑、硬塑狀態的土。

結論

室內直剪試驗中剪下速率對土的強度影響較小, 抗剪強度隨剪下速率增大而略有增大。較快的剪下速率(2.4mm/ min)比正常的剪下速率(1 .2mm/ min)抗剪強度提高約5 %。而垂直荷重對土的試驗強度影響顯著。大垂直荷重比較小垂直荷重凝聚力提高20%～ 35%, 而摩擦角降低19% ～ 44%。總抗剪強度在不同的垂直壓力階段的大小不同, 按垂直荷重從小到大方向, 開始階段較大的垂直荷重序列所得總抗剪強度較高, 至150 ～ 200kPa兩個垂直荷重序列所得土的總抗剪強度相等, 之後則較小的垂直荷重序列所得總抗剪強度較高。因此, 在試驗時除了按規定的剪下速率之外, 更要根據設計荷重和土質情況施加合理的垂直荷重。這樣才能提供合理、可靠的抗剪強度。