基本介紹
- 中文名：直接單剪試驗
- 外文名：direct simple shear test [DSS-test]
- 範疇：剪下試驗
- 儀器：單剪儀
- 優點：試樣變形均勻、可控制排水條件等
- 學科：土力學
試驗特點,試驗歷程,界面靜動力特性單剪試驗,試驗儀器,靜力試驗結果分析,動力試驗結果分析,試驗結論,
試驗特點
土與結構接觸面是工程中經常遇到的，剪下試驗是研究界面特性的主要方法之一。單剪試驗既可以研究界面的特性，又可以考慮土體受力變形的實際特徵，土體變形和界面錯動位移的關係是尚未被注意的問題。通過淤泥質粉質黏土的靜、動力單剪試驗和進行不同法向應力、不同剪下應力幅值的對比試驗，得到界面位移與循環周數、土體應變的試驗曲線。結果表明，靜力單剪試驗的初期剪應力迅速增大，其後增長速率逐漸減小，沒有出現軟化現象；在剪下初期，主要是土體發生剪下位移，達到一定位移量後，土體和鋼板之間開始出現較為明顯的滑移；在一定的土體應變範圍內靜力單剪界面錯動位移和土體應變有近似線性關係；動力單剪的界面錯動位移和土體應變有很好的線性關係；靜動力試驗界面位移與土體應變關係線的斜率總體上靜力試驗結果高於動力試驗值，線性關係的斜率變化範圍不大。
試驗歷程
單剪試驗較直剪試驗可以更合理模擬實際工況，允許土樣自身自由變形，土樣地發生與接觸面間的位移。已有學者用單剪儀對土與其他結構接觸面的力學性能作了較為深入的研究，吳軍帥和姜朴通過改進的單剪儀對接觸面的動力性能作了進一步的研究，試驗結果表明，接觸面上相對位移隨動剪應力幅值增大而增大，兩者呈雙曲線關係；盧廷浩等進行了較為詳盡的土與不同結構接觸面特性的試驗，觀察了接觸面的錯動位移和剪下位移；高俊合等進行了土與混凝土接觸面特性的大型單剪試驗，從試驗結果分析得到剪下破壞帶及其厚度；張嘎等研製了大型土與結構接觸面循環載入剪下儀，用其進行了大量的粗粒土與結構接觸面的靜動力學特性研究，探討了接觸面的可逆性與不可逆性剪脹規律。
界面靜動力特性單剪試驗
試驗儀器
圖1為本次接觸面剪下特性試驗示意圖。因研究的重點為土體與鋼管樁間的界面特性，故選用鋼槽，當然也可選用其他材料。鋼槽內可盛水，保證土樣飽和。試樣初始高為2cm的圓柱樣，底面積為3000mm，共用13個疊環，每個疊環高1.5mm；疊環和土樣之間有橡皮膜，其作用是防止剪下試驗過程中土顆粒從疊環之間擠出，不限制土樣與外界的水交換。對最下面一疊環的水平位移進行監測，以及通過鋼槽水平位移的同步監測，可以得到土樣與接觸面間的相對位移，如圖1所示。
圖1 土體動力特性剪下試驗示意圖
靜力試驗結果分析
（1）應力與位移關係曲線
對淤泥質粉質黏土，選取其中σn=41.90kPa，其典型試驗結果如圖2所示。
圖2中，σn由圖1中位移感測器1測得，是土樣在動力單剪過程中土樣的豎向變形；土體位移由位移感測器2測得，是土樣在動力單剪過程中土樣的最下一疊環的位移；總位移由位移感測器3測得，是剪下盒在動力單剪過程中的位移。位移感測器3和位移感測器2的差即為接觸面的相對位移。
靜力單剪試驗結果表明，隨著剪下過程的推進，初期剪應力迅速增大，其後增長速率逐漸減小，剪應力最終趨於穩定，沒有出現軟化現象；總位移保持較為持續穩定的增長狀態；土體位移在剪下初期增長較快，達到一定位移量後（約2.2 mm）增長變緩；總位移的增長特性沒有大的變化，即在剪下初期，總位移主要是土體的剪下位移，達到一定位移量後，土體和鋼板之間開始出現較為明顯的滑移；法向位移逐漸減小，即剪下使得土體體積減小，並趨於穩定。靜力單剪試驗得到的其他3個法向應力下的結果如圖3所示。由圖可見，不同法向應力下總位移和土體位移的變化規律基本相同，即土體的位移（或應變）增加到一定量後界面的錯動滑移明顯增加，但粉砂土的試驗結果有差異（圖4），界面的錯動滑移一開始就增加較快，土體的位移增加比較緩慢。
（2）剪應變與錯動位移的關係
將試驗過程中的土體剪下應變與接觸面間的錯動位移整理成圖5所示的關係曲線。由圖可以看出，在4個不同法向應力作用下一定的剪應變範圍內，錯動位移和剪應變之間有近似的線性關係，因此認為，在該階段土體變形和錯動位移是同步的；錯動位移隨剪應變增大而增大，且剪下位移的較大，當超過一定剪應變後，錯動位移和剪應變之間仍基本有線性關係，但接觸面錯動滑移突然增大。剪應力較小時，主要產生土體變形，接觸面的位移不明顯；剪應力較大時，土體應變已經達到一定數值，此時主要產生接觸面上的錯動位移。
將試驗過程中的土體剪下應變與接觸面間的錯動位移整理成圖5所示的關係曲線。由圖可以看出，在4個不同法向應力作用下一定的剪應變範圍內，錯動位移和剪應變之間有近似的線性關係，因此認為，在該階段土體變形和錯動位移是同步的；錯動位移隨剪應變增大而增大，且剪下位移的較大，當超過一定剪應變後，錯動位移和剪應變之間仍基本有線性關係，但接觸面錯動滑移突然增大。剪應力較小時，主要產生土體變形，接觸面的位移不明顯；剪應力較大時，土體應變已經達到一定數值，此時主要產生接觸面上的錯動位移。
動力試驗結果分析
（1）應力-位移曲線
選擇了4個法向應力和4個剪下振幅對淤泥質粉質黏土進行試驗，其中σn= 41.90kPa，穩定狀態時土樣最大切向位移δ2max=3.00mm的淤泥質粉質黏土的試驗和動力單剪前10個循環試驗結果如圖6所示。
由圖6（a）可以看出，動單剪試驗中保持剪應力按照正弦波功率輸出的情況下，土樣和剪下盒位移均表現出初始幅值大，後逐漸減小，經過3～5個循環迅速趨於穩定的現象；豎向位移變化則更迅速，在首個單剪循環已經完成大部分的變形量。圖6（b）為界面動剪應力與動滑移的滯回曲線，試驗起始階段，剪應力增加較快，界面位移較小，但第一個循環的動模量並不大。圖6（c）為試驗中的總位移、土體位移、界面錯動位移與循環周數的曲線，位移的同步性較好。
（2）剪應變與錯動位移的關係
σn= 41.90kPa時不同剪應力幅值的動單剪試驗的總位移、界面位移與土體應變的關係曲線。
由試驗結果可以看出，4個不同剪應力幅值得到的界面錯動位移和剪應變之間有較好的線性關係，且在其他3個法向應力下也有同樣的試驗結果。試驗結果表明，對於淤泥質粉質黏土，靜、動力單剪試驗中得到土體應變與界面錯動位移之間有線性關係。由於確定界面特性參數的試驗比較繁瑣，試驗條件不足時土體與結構界面的特性參數可由相鄰土體的應力-應變特性，通過一比例係數進行換算。靜、動力試驗界面位移與土體應變關係線的斜率值，動力試驗因剪應力幅值不同有不同的斜率，總體上靜力試驗結果高於動力試驗值；隨著剪應力幅值的減小，斜率減小；如選用平均值也有可行性。
由試驗結果可以看出，4個不同剪應力幅值得到的界面錯動位移和剪應變之間有較好的線性關係，且在其他3個法向應力下也有同樣的試驗結果。試驗結果表明，對於淤泥質粉質黏土，靜、動力單剪試驗中得到土體應變與界面錯動位移之間有線性關係。由於確定界面特性參數的試驗比較繁瑣，試驗條件不足時土體與結構界面的特性參數可由相鄰土體的應力-應變特性，通過一比例係數進行換算。靜、動力試驗界面位移與土體應變關係線的斜率值，動力試驗因剪應力幅值不同有不同的斜率，總體上靜力試驗結果高於動力試驗值；隨著剪應力幅值的減小，斜率減小；如選用平均值也有可行性。
試驗結論
（1）靜力單剪試驗的初期剪應力迅速增大，其後增長速率逐漸減小，沒有出現軟化現象。剪下初期主要是土體發生剪下位移，達到一定位移量后土體和鋼板之間開始出現較為明顯的滑移。
（2）靜力單剪試驗在一定的剪應變範圍內，錯動位移和剪應變之間有近似的線性關係，但當超過一定剪應變後錯動位移和剪應變之間仍基本有線性關係。
（3）動力單剪試驗不同剪應力幅值的動單剪試驗的總位移、界面位移與土體應變有較好的線性關係。
（4）靜動力試驗界面位移與土體應變關係線的斜率總體上表現出靜力試驗結果高於動力試驗值，但變化範圍不大。
（4）靜動力試驗界面位移與土體應變關係線的斜率總體上表現出靜力試驗結果高於動力試驗值，但變化範圍不大。
