（水工结构工程专业论文）现场和室内两用直剪试验仪的研制与膨胀岩土强度特性研究.pdf

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应变控制式现场人直剪试验 1 镇乐衙载，2 千斤顶，3 试块，4 支架，5 车轮，6 载匠汽车底架，7 轴承，8 千斤顶， 9 工字钢，1 0 垫块 图1 1 现场大直剪试验( 自十- l 试验规程s l 2 3 7 1 9 9 9 ) 二战以后，三轴试验取得了很大的发展，三轴试验可以得到土体可能最薄弱 面上的强度指标，一般认为由它得到的强度指标更为准确9 1 。但是三轴试验又分 为三轴压缩试验和三轴伸长试验，不同应力状态所得的强度指标有所不同【i o 】。 图1 2 是一均质土坡典型的圆弧形滑坡破坏形式，左上方的应力状态相当于三轴 压缩试验的应力状态，右上方滑出点的应力状态相当于三轴伸长试验的应力状 态，而中间一部分的应力状态相当于直剪试验的应力状态。这三点附近区域的滑 坡破坏时的应力状态相应于这三种试验的应力状态，各自区域理论上应该用这三 种试验测试最为准确，但对于一个实际工程，这三种试验不可能都做，只会选取 其中一种，直剪试验以其操作简便而在工程中得到最广泛的应用，且直剪试验所 测得结果有整个滑弧上平均强度的意义i l l 】。如图1 3 所示，直剪试验包括上剪切 盒和下剪切盒12 1 ，试样沿着上、下剪切盒之间的平面被剪开。直剪试验操作简 单，原理明确，试样处于平面应变状态【1 3 】。目前，在工程中测试土体强度应用 最多的还足直剪试验【1 4 1 。因此，有必要对直剪试验中存在的一些问题做一系统 的总结和分析，更好地为工程服务。 图1 2 均质十坡滑坡破 河海大学硕士学位论文 前，作用在试样上的三个主应力如图1 6 ( a ) 所示，最大主应力6 l 为垂直方向， 即垂直压力，0 2 、g 3 为水平方向；在施加剪力后，中间主应力o ：的方向不变，主 应力o l 和6 3 的方向发生偏转，如图1 6 ( b ) 所示，随着剪切力的增大，主应力6 l 和0 3 的偏转角度也逐渐增大。根据破坏是的j f 应力和剪应力，可以大致算出大、 小主应力值，但中间主应力值是无法确定的i lj 。( 2 ) 在施加剪力前，试样所受的 正应力是均匀分布的，当剪切开始后，由于上下剪切盒发生了相对位移，使作用 于上剪切盒顶部的集中力p 的作用线偏离了剪切盒内试样的形心位置，从而使得 剪切面上的正应力分布不再是均匀的。( 3 ) 常规卣剪试验试样受剪过程中剪切面 积逐渐减小，这会使得平均f 应力不断变化，从而导致正应力不稳定。 0 3 。3 = k o d 下 i ， v 6 2 2 6 3 = k o p ( a )( b ) 图1 6 直剪仪中试样的应力状态：( a ) 施加剪切力之前；( b ) 施加剪切力之后主应力6 l 和a 3 发生偏转，有效剪切面积减小 1 2 4 实际剪切面并非理想剪切面 直剪试验的理想剪切面是限定于上、下剪切盒之间的平面。但在实际试验过 程中，试样被剪开的两部分随剪切盒的错丌而发生相对位移，这样的相对位移使 原来的轴向j 下压力变成了偏离轴向的偏轴压力【3 1 ，从而使实际剪切面偏离了原来 预定的理想剪切面，发生了斜剪现象1 1 9 1 。 1 2 5 试验过程不能严格控制排水条件 由于仪器自身的限制，试验过程中，排水条件不能严格控制，不能：量测孔隙 水压力，只能通过快速剪切或慢速剪切分别来达到不排水和完全排水的目的。缓 慢剪切可以达到完全排水的目的，但快速剪切特别是快剪就不定能达剑完全不 排水的目的。对于中等透水性的土样来说，即使进行快剪试验，试验中的孔压仍 第一章绪论 然有一定的消散，从而引起强度的变化。有研究表明，只有当试样的渗透系数 小于1 0 c m s 时，试样在3 5 分钟内剪破，才不致于产生对试样结果有影响的 排水。 1 2 6 剪切速率的影响 剪切速率不同，使得试样在相同压力下剪破所用的时间不同，孔隙水压力变 化不同，抗剪强度不吲1 0 1 。 1 2 7 试样两端选用介质的影响 试样两端选用的介质不同，排水条件不同，抗剪强度也会有所不同。 1 3 直剪试验的发展 直剪试验最早在一百多年前被a l e x a n d r ec o l l i n 用于边坡稳定研究所使用。 早期的直剪试验仪均为应力控制式，第一台现代的直剪仪是在1 9 3 2 年 c a s a g r a n d e 在哈佛大学设计的，g i l b o y 于1 9 3 6 年在麻省理工学院将位移控制 引入到直剪仪中，从而可以研究土体材料峰值以后的强度特性【2 3 。2 4 l 。此后，许多 学者对直剪仪进行了改进研究。目前常规的室内直剪仪一般都是应变控制式【2 5 1 ， 试验时用环刀切出厚为2 0 f l h l 的圆形土饼，将土饼推入剪切盒内，分别在不同的垂 直压力p 下，施加水平剪切力进行剪切，使试样在上下剪切盒之间的水平面上发 生剪切至破坏，求得破坏时的剪切应力f ，根据库伦定律确定土的抗剪强度参数： 内摩擦角由和凝聚力c 。 英国的g e o t e c h n i q u e 杂志为直剪试验举办了一次专题研讨会，学者们就直 剪试验的有关问题进行了深入的探讨，一些具有深远意义的会议论文刊登在 1 9 8 7 年g e o t e c h n i q u e 第一期上。 研究者普遍认为直剪试验的最大缺点是试样内的应力和应变的不均匀性，为 了提高直剪试验的准确性，对直剪试验的改进主要有两个方向：一是对试验仪的 改进，另一是对试验方法的改进。对试验仪器的研究主要集中在以下两方面。 6 河海大学硕士学位论文 针对正应力不稳定问题，主要是由于试验过程中随着上下剪切盒的错开，有 效的剪切面积减少及垂直压力偏离剪切面中心所致。本文介绍的新研制的现场和 室内两用直剪试验仪可以消除正应力不稳定的问题。 最近二十多年来，直剪试验在工程上的应用的日益增多，国内一些科研单位 也就直剪仪提出了一些改进的措施，特别足研制一批大型直剪仪，剪切盒形式多 样，型号也繁多，表1 1 列举了国内外部分单位研制的大型直剪仪及其尺寸。 文献 2 8 和 2 9 介绍了一种用于测试原位岩土体及堆石料强度的新型直剪 试验法，如图1 1 0 所示。该试验法用一格子状的剪切框代替通常直剪试验仪中 的上剪切盒，并取消下剪切盒。将格子状的剪切框直接埋于要测定强度的地基中， 在剪切框内的试样上先放上一块厚钢板，再在钢板上根据所需要的垂直荷载堆上 重铁块。水平方向上用一链条拉动剪切框，使试样受剪。剪切力用连接在链条上 的荷载计量测。在钢板的后侧中央部位设置一水平位移计，用于测量试样的剪切 位移，同时在钢板的前后对角线上各设置一垂直位移计，试样的垂直位移取2 只垂直位移计读数的平均值。该试验法采用链条拉动剪切框使试样受剪，克服了 剪切盒内擘与试样之间的摩擦力的影响；另外，采用1 2 0 锄1 2 0 c m 的剪切框， 特别适合于现场测试大粒径堆石填料的抗剪强度。 长江科学院土工所的d l j 6 0 型叠环式剪切试验机，试样尺寸为6 0 c m 6 0 c m 6 0 c m ，该试验机的最大特点是消除了常规直剪仪剪切面单一的缺点，使试样有 可能沿最弱的剪切面破坏f 3 0 】。 文献 3 0 介绍了一种拼装式结构的现场室内两用大型直剪仪，采用方形剪切 盒，净尺寸( 长宽高) 为：5 0 c m 5 0 c m 4 1 c m ，通过液压千斤顶施加垂卣压力， 下剪切盒与框架连为一体，试验时推动上剪切盒使试样受剪。 垂f l f 荷载 格 图1 1 0 新型现场直剪试验方法 9 第一章绪论 1 4 本文的主要工作 本文基于前人的工作，在对直剪试验做一个系统的总结的基础上，针对常规 直剪仪不能克服摩擦力影响等问题，开发研制了一种现场和室内两用的直剪试验 仪，并利用新试验仪研究南水北调中线工程膨胀岩试验段的膨胀性岩土的强度特 性，分析原状试样的剪切特性。主要内容如下： ( 1 ) 介绍了直剪试验的发展情况，总结了其存在的l 、口j 题，主要存在试样的应 力应变分布的不均匀性、垂直压力的不稳定性、试样与剪切盒内壁存在摩擦力、 有效剪切面积逐渐减小等问题。 ( 2 ) 详细介绍了新研制开发的现场和室内两用直剪试验仪的结构组成、工作 原理和主要特点。 ( 3 ) 通过新试验仪与常规改进直剪仪所做的对比试验，验证新试验仪的可行 性和可靠性；并用应力剪胀理论来独立考查新试验仪所测得的试验数据，以进一 步检验新试验仪的性能。 ( 4 ) 应用平面有限单元法来分析直剪试验的剪切性状，模拟分析试样与剪切 盒内壁之间的摩擦力对试验结果的影响；模拟计算试样的剪切过程，得到试样的 应力应变关系。 ( 5 ) 利用新试验仪对南水北调中线工程的膨胀性岩土强度特性进行研究分 析，特别对原状样的剪切性状进行了分析，并指出新研制试验仪在测定包含裂隙 等具有结构性和表层滑坡的岩土体强度方面的优势。 l o 第二章新型直剪试验仪的研制开发 第二章新型直剪试验仪的研制开发 2 1 新型直剪试验仪研制的背景与过程 笔者的导师在同本丌发了一种新型现场直剪试验方澍2 9 j ，如图1 1 0 所示， 该试验法用一格子状的剪切框代替通常直剪试验仪中的上剪切盒，并取消下剪切 盒。将剪切框直接埋于要测定强度的地基中，在剪切框内的试样上先放上一块厚 钢板，再在钢板上根据所需要的垂直荷载堆上重铁块。水平方向上用一链条拉动 剪切框，使试样受剪。剪切力用连接在链条上的荷载计量测。在钢板的后侧中央 部位设置一水平位移计，用于测量试样的剪切位移，同时在钢板的前后对角线上 各设置一垂直位移计，试样的垂直位移取2 只垂直位移计读数的平均值。该试验 法采用链条拉动剪切框使试样受剪，克服了剪切盒内壁与试样之间的摩擦力的影 响；另外，采用1 2 0 伽1 2 0 c m 的剪切框，特别适合于现场测试大粒径堆石填料 ( 粒径2 0 3 0 c m ) 的抗剪强度。文献 2 8 ，2 9 ，3 1 详细介绍了该试验法的原理和意义。 此新型试验法已在日本用于多个工程的抗剪强度测试，在国内应用于江苏宜兴抽 水蓄能电站上库工程中，测试其碾压堆石料的抗剪强度，试验取得了满意的效果。 新型现场大直剪试验的丌发很好的解决了常规剪切试验对大粒径堆石料无 能为力的缺陷，同时也很好的克服了试样与剪切盒壁之间的摩擦力的影响。但该 试验法属于大型现场试验，需要一定的人力、物力等，不适合快速测试土体的强 度指标。根据该试验法的思想，考虑开发一种便于快速测试现场土体强度的小型 剪切试验仪。基于这个想法开始了本文所述的试验仪的研制开发工作，最初的设 计本意是用于现场试验的试验仪，在具体设计时考虑到最好使其也能应用于室内 重塑土样的试验，于是第一张设计图“出炉”了，并联系南京土壤仪器厂有限公 司加工出第一台试验仪，如图2 1 的照片所示，其结构组成与工作原理见2 2 的 详细介绍；室内试验测试效果良好，第三章将详细介绍。但该试验仪还是比较笨 重，不便于搬运，主要是其外部框架和底板过于沉重。为了减轻试验仪的重量， 在第二份设计中，把原来的没有实际作用的底板去掉，同时改变外部框架的结构 形式，即把原来的钢板材料的箱形框架改用 块槽钢焊接而成的框架，其它部分 不变，如图2 2 的照片，结构组成与工作原理见2 2 的介绍。 河海大学硕士学位论文 图2 1 第一版试验仪 图2 2 第二版试验仪 2 2 新型直剪试验仪的结构组成及其工作原理 新研制的直剪仪结构主要有：水平张拉受剪系统、移动式垂直加荷系统、取 样设备及量测设备，如图2 1 和2 2 所示。 第二章新型直剪试验仪的研制开发 2 2 1 水平张拉受剪系统 水平张拉受剪系统由剪切框、钢链条、拉力传感器和转动手轮组成，如图2 2 、 图2 3 、图2 4 和图2 5 所示。钢链条的一端连在剪切框上，另一端连接在荷载计 上，荷载计连接在转动手轮上，手轮固定于框架上。摇动手轮，钢链条将张拉剪 切框使试样受剪，设计的剪切位移最大可达4 0 m m ，荷载计用于量测水平张拉力 的大小，水平张拉力的反力由外框架提供。采用钢链条拉动剪切框，不会限制试 验过程中由于试样体积的变化而带动剪切框的垂直升降，这样在试样与剪切框壁 之间就不存在相对位移，因而可以消除侧壁摩擦力的影响。 图2 3 新研制直剪仪的结构图( 立视图) 图2 4 新研制直剪仪的结构图( 俯视图) 1 4 河海大学硕十学位论文 滚轮 滚轴 图2 5 新研制直剪仪的结构图( 侧视图) 2 2 2 移动式垂直加荷系统 移动式垂直加荷系统包括传力板、传力柱、杠杆、横梁、拉杆、滑枕和滚轮， 如图2 2 、图2 3 、图2 4 和图2 5 所示。两根横梁拉杆分别固定连接在由两块滚 轮导轨及镶嵌在滚轮导轨中的两个滚轮所组成的两个滑枕上，细部图2 6 所示； 经测试滚轮与导轨间的摩擦系数为o 0 2 7 ，满足自由滑动的要求。垂直荷载通过 杠杆施加，杠杆装在横梁上，外框架、底座、拉杆、横梁等自身构成垂直力的反 力系统。拉动剪切框使试样受剪过程中，垂直加衙系统沿滑枕与试样剪切同步移 动，确保了垂直压力不会偏心。 图2 6 滑枕详图 下滑块 第二章新型直剪试验仪的研制开发 2 2 3 取样设备 新研制的直剪仪采用“十”字形剪切框代替常规直剪仪的上剪切盒。研究表明 【1 4 2 9 】：剪切框内“十”字架的作用有：一是能使剪切面上试样的应力变形更加均匀， 二是对剪切框有加筋作用，减小剪切框的变形。目前，剪切框的净空几何尺寸为： 长宽高= 1 4 1 c m 1 4 1 c m 2 5 c m ，剪切面积2 0 0 c m 2 。取样设备由刚性框( 相当于 下剪切盒) 和剪切框( 相当于上剪切盒) 组成，见图2 7 。刚性框的宽度与剪切框相 同，即1 4 1 锄，长度大于剪切框的长度，为1 6 锄，高度为5 c m 。刚性框的长度 大于剪切框长度的目的是使在试验过程中保持剪切面积不变，不会因为上、下剪 切盒的错开而使有效剪切面积减小，也是保持正应力稳定的一种措施。刚性框的 下端外部四个面均为刀口形状，以便于容易切入原状地基中取原状样。现场取原 状样的步骤为( 参见图2 8 ) ：在试验现场先将刚性框埋入地基中，待刚性框埋入 至地基表面时，将剪切框放在刚性框上，再将二者一起压入地基中直至剪切框表 面略低于地基表面，最后把包含刚性框和剪切框的土体整体挖出，剥掉二者外侧 的土体，并用钢丝锯或削土刀沿刚性框底面把试样修平，最终试样如图2 8 ( d ) 和 图2 9 ；若进行室内试验，对于已取回实验室的大体积原状样，试样制备与现场 试验相同；对于室内重塑样，则先将刚性框与剪切框叠合在一起，把所需的一定 质量的土样压入( 或分层压入) 两者之内，然后将制备好的试样放入底座里。 i ；：芋| i 笺纛蓉：篡麓震缸 | 星奠i 篓曼r 一。琴葫胡 遵l i 割j i 誊围 1 6 萨爹弱昏| | ) ：“鬻溺 ( d )鬃幻 河海大学硕士学位论文 2 2 4 量测设备 一 耋榉 豳 图2 9 制备好的试样( 剪切方向) 量测设备包括荷载计、水平位移计和垂直位移计，见图2 1 0 。荷载计用于量 测水平张拉力( 剪力) ，水平位移计用于量测试样的剪切位移，垂直位移计用于 量测试样的高度变化( 反映试样的胀缩变形) 。荷载计与位移计连接到一个数据 采集仪上，实现数据自动采集与存储。 图2 1 0 位移计与荷载计 2 3 新型直剪仪的主要特征 水平张拉系统、垂直加荷系统全部连接在一个外框架上，即外框架提供了水 平力与垂直力的反力，见图2 1 或图2 2 。外框架长与宽分别为6 0 c m 和3 0 c m 。 新试验仪的主要特征如下： ( 1 ) 用“十”字形剪切框代替常规直剪仪的上剪切盒，使剪切面上试样的应力 变形更加均匀； ( 2 ) 采用柔性绳链张拉剪切框使试样受剪，剪切框在剪切过程中能够随试样 1 7 垫|縻蘑 切喀 鳍 第三章新研制试验仪的试验应用 强度九定义为剪切面上的平均剪应力t ，与平均垂直应力6 ，之比，即： t a n 九= 卫 ( 3 一1 ) v 定义为竖向应变增量与切向应变增量之比( 假定所有的剪胀均发生在剪切带 厚度l 内) ，即： t 鲁= 一荔= 一蛊 伊2 ， 其中h 、d 分别为竖向位移和剪切位移。 平面应变摩擦角矽。是指莫尔应力圆的切线倾角，在临界状态写作蛾， s i n 驴希 因此，直剪试验中四个重要的参数口3 1 就是：九、叭虹和如，。 3 1 2 直剪试验的相关背景理论 ( 3 3 ) c o l e ( 1 9 6 7 ) 和s t r o u d ( 1 9 7 1 ) 的研究表明【2 3 】，对于理想的弹塑性材料，塑性 极限破坏状态的主应力方向与主塑性应变增量的方向是一致的，不少学者对此进 行了研究【1 5 ，4 0 4 3 1 。j e w e l l ( 1 9 8 7 ) 对砂样的单剪试验过程进行准确、细致的测量后 发现，伴随着初始剪切荷载而产生的主轴旋转过程中应力主轴滞后于应变增量主 轴，当试样中产生较大的塑性应变后，应力主轴就会逐渐接近并且几乎与应变增 量主轴同步，即会发生所谓的“共轴现象15 1 。在单剪和直剪试验中，水平方 向郜足一个无应变的平面。 图3 1 是单剪试验的变形示意刚1 4 1 ，根据单剪试验试样水平方向是无应变 的( 试样的长度不变) ，即d 。= o ，得到莫尔增量应变圆，由此可以得到主应变增 量： 幽：如w + ( 墅盟) 孥 ( 3 4 ) “ c o s 沙z 如，础川等) 警 ( 3 - 5 ) 2 0 第三章新研制试验仪的试验应用 3 1 3 流动法则 流动法则是表述剪应力与体积变化关系，目前描述砂士特性有三个主要流动 法则。 ( 1 ) t a y l o r ( 1 9 4 8 年) 提出对于砂土的直剪试验，存在以下关系式【4 5 ： t a n 九= s i n 丸，+ t a n ( 3 一l o ) ( 2 ) r o w e ( 1 9 6 2 年) 根据应力剪胀理论提出下面流动法则 4 6 】： s i n 矽矿罢鍪掣 ( 3 一l1 ) 。 i + s l n 妒fs l n 在共轴的条件下，d i e t z ( 2 0 0 0 年) 推导出另一公式： t a n 九：竺纽竺唑 ( 3 一1 2 ) c o s 考虑到共轴及水平方向的零应变条件，r o w e ( 1 9 6 9 年) 提出： t a n 九= t a n 。c o s 丸， ( 3 1 3 ) ( 3 ) b o l t o n ( 1 9 8 6 年) 提出了一个经验性流动法则【4 7 1 ： 。= 九。，+ 0 8 ( 3 一1 4 ) 3 1 4 应力剪胀方程 松冈元( h m a t s u o k a ) 教授1 9 7 4 年推导出粒状材料在潜在滑动面上的应力剪 胀关系f 4 8 1 如下： 二：旯( 一掣) + ( 3 一1 5 ) o nn 7 其中九、“是假定恒定的参数，t 舾n 为滑动面上的剪应力与正应力之比，一d n d y 为滑动面上正应变与切应变增量的梯度，剪缩为正，剪胀为负。 第一章所述的直剪试验中试样的应变是不均匀的，而刘斯宏等【4 9 ，5 0 1 采用铝棒 ( 其比重为2 6 5 ，与土颗粒比重相当，用于模拟土体的平面应变性状) 堆积体所 作的直剪试验，发现在一定的区域内试样的变形相对均匀，其变形类似于单剪试 验，这个区域通常被称为剪切带。所以，只要知道剪切带的厚度l 就可以用下式 河海大学硕十学位论文 计算平面的剪切应变7 和正应变、： y = d ，占= 乃三 ( 3 1 6 ) 其中h 、d 分别为量测的竖向位移和水平剪切位移。 因此在直剪试验中式( 3 一1 5 ) 变为下列形式： 吾纠( _ 刍叫 ( 3 1 7 ) 怕是剪切面上的剪应力与正应力之比，( 一d h d d ) 是竖向位移与水平位移增量的 梯度。 3 2 新研制试验仪的实施步骤 新研制试验仪具体的从取样到试验操作的实施步骤如下： 1 试样制备，见图2 8 所示： a 现场试验：在试验现场选择较为平整的场地，先将一刚性框埋入地基中， 待刚性框完全埋入至地基时，将刚性框外侧部分土体挖出；将剪切框放在刚 性框上，再将二者一起压入地基中直至剪切框表面略低于地基表面，最后把 包含刚性框和剪切框的土体整体挖出，剥掉二者外侧的土体，并用钢丝锯或 削土刀沿刚性框底面把试样修平，这样就完成了现场试验的取样。称量所取 得的试样质量，计算其密度大小； b 室内试验：对于已取回实验室的大体积原状样，试样制备与现场试验同， 对于重塑样，则先将刚性框与剪切框叠合在一起，把所需的一定质量的土样 压入( 或分层压入，) 两者之内，这样就制备了一个重塑样； 2 将取得包含剪切框和刚性框的土样放入固定在外框架上的刚性框底座罩，并 用刚性框固定螺钉顶紧刚性框； 3 将杠杆安装在横梁上，根据试验压力需要在吊盘上加一定质量的砝码； 4 安装量测设备：如图3 3 所示，在传力板的两对角上架设两支垂直位移计， 量测垂直位移；在剪切框沿受剪方向中央部位或传力板沿受剪方向中央部位 上架没水平位移计，量测剪切位移；把拉力传感器一端连接在手轮推动杆上， 另一端连接在钢链条连接件上，量测水平拉力，链条一端连在链条连接件上， 另一端连接在剪切框的链条挂钩上； 第三章新研制试验仪的试验应用 5 把位移计和拉力传感器分别连接到数据采集盒上，再把数据采集盒连接到微 机上，设置好数据采集的参数，以均匀的速率摇动手轮，进行剪切，试验过 程中实现数据的自动采集； 6 试验结束后，旋动支柱螺母，把包含传力板、传力柱及杠杆的整体加压设备 提起，松动刚性框固定螺钉，拿出包含刚性框和剪切框的试样； 7 数据整理：剪切面上的正应力o 、剪应力t 按下式计算： 盯：g ! ! 兰9 2 + 仃，( 3 一1 8 )盯= 2 + 仃，l j l 石， 彳 彳：三 ( 3 1 9 ) 彳= l j l 了， 彳 其中：g l 为传力板与传力柱的总质量，g 2 为所加砝码的质量( 杠杆比为l ：2 4 ) ， 盯，为杠杆白重对试样产生的压力，t 为拉力传感器量测的水平拉力，a 为剪 切面面积。 图3 3 新研制试验仪的试验照片 2 4 河海大学硕士学位论文 3 3 干砂试验 室内试验干砂试样的颗粒组成如图3 4 所示，控制试样的密度为1 5 5 9 锄3 。 试验采用的是快剪试验法，手轮转动速率为4 转分钟( 剪切速率约为 o 8 m m m i n ) 。不同垂直压力下的剪应力与剪切位移的关系如图3 5 ( a ) 所示。 现主要从以下三方面对新型直剪试验的性能进行分析。 ( 1 ) 与室内常规改良直剪试验结果的对比 室内常规直剪试验采用的是图1 9 ( a ) 所示的改良型直剪仪，其剪切盒直径 为6 1 8 咖，高度为2 0 哪，其所用试样与新型直剪试仪所用的砂样的颗粒组成、 初始状态相同，剪切速率相同。改良型常规直剪仪所测试的结果如图3 5 ( b ) 所 示。图3 6 是干砂试验的强度包络线，常规改良直剪仪所测得内摩擦角由= 3 4 6 。， 新研制的直剪仪所测试的内摩擦角由= 3 4 3 0 ，可见两种试验仪的所测得结果基本 一致。由于常规直剪试验应用的经验较丰富，技术较成熟，因此新型直剪仪所测 得数据是可靠的。 o 1 。 f l 】 t i l l l 、。 1 01 0 1 颗粒粒径m m 图3 4 干砂试样的颗粒组成 2 5 踟 知 加 永山求陋删峰巢叫g巢眯巾 第三章新研制试验仪的试验应用 蓟切位移m m 12345 翦切化移m m 6 ( a )( b ) 图3 5 干砂试验的剪应力与剪切位移的关系：( a ) 新型直剪试验的结果；( b ) 改良犁常规直剪 试验的结果 r 倒 ：脉 迥 鹫 垂直压力k p a 图3 6 室内干砂试验的强度包络线 ( 2 ) 流动法则的验证 图3 7 ( a ) 是干砂新型直剪仪所测得的垂直位移与剪切位移的关系，可见砂样 在四种压力下随剪切位移增加均呈先略有减缩而后剪胀的特性，压力越小剪胀性 越大，试验结果符合一般的规律。 流动法则可以相对独立的考查试验结果的可信度，是用于评价直剪试验结果 的一种有效的手段，为检验试验数据的一致性提供了重要的标准。鉴于常规直剪 仪的使用较为成熟，且本章的重点是检验新型直剪仪的剪切性能，常规卣剪仪所 测数据是用来验证新型直剪试验数据准确与否的一种途径，故不再对常规直剪试 验结果进行详细分析，只对新型直剪仪所测得结果进行分析和考查。 2 6 河海大学硕士学位论文 由r o w e ( 1 9 6 2 年) 提出的流动法则( 见式( 3 1 2 ) ) 和t a y l o r 提出的流动法则 ( 见式( 3 一1 0 ) ) 对新型直剪仪所测得结果进行验证。分别由式( 3 一1 2 ) 和( 3 1 0 ) 算出临界摩擦角统与试验测得的临界摩擦角进行对比，如图3 7 ( b ) 临界摩擦 角与j 下应力的关系，各压力下试验测得的与流动法则算出的结果吻合较好，只在 7 5 k p a 下测试值比计算值大了4 。左右。 g 。0 扣 矗 瞄 o r 钧； 葑一回 量3 6i ! 测，。、 磐。j or o w e ( 1 9 6 2 ) _ 。l t a y l o r 囊4 2 实测羹4 6 ob o l t a o n u 霎。：t a y l 。r 蠢4 4 一t a y l 。r鱼 一 味 厶 争宫： 三 第三章新研制试验仪的试验廊l l l ( 3 ) 应力剪胀方程的验证 根据试验测得数据算出在到达峰值之前的应力比衫6 和应变增量的梯度 ( d 姜萋d d ) ，图3 9 是t 6 与d 薹差d d ) 关系，二者基本呈直线关系，符合m 奏i s u o k a ( 1 9 7 4 年) 的应力剪胀关系( 见式3 1 7 ) 。 2 5 k p a 7 5 k p a o 10 0 5oo 0 5o 1o 1 5o 2 一d h d d 图3 9 室内干砂新型直剪试验的应力比与应变增量梯度之间的关系 3 4 室内粗砂试验 室内对含砾粗砂进行了新型直剪试验，控制试样密度为1 8 2 9 锄3 ，颗粒组 成见图3 1 0 。与3 3 所述的室内干砂试验相似，采用快剪的试验方法，粗砂试 样在不同垂直压力下的剪切曲线如图3 ! ! ( a ) 图所示。与之相同的初始状态下用 图1 9 ( a ) 所示的改良直剪仪作了对比试验，试验方式与此相同，其在不同垂直 压力下的剪切曲线如图3 ；( b ) 图所示。 两种试验的强度包络线见图3 1 2 ，常规改良直剪仪所测得的内摩擦角 由= 3 4 3 。，新型直剪仪所测得的内摩擦角巾= 3 3 7 。，二者基本一致，由此可见新型直 剪仪所测得的数据是准确可靠的。 图3 13 是根据粗砂新型直剪试验数据所得出的剪应力到达峰值 线上，而与垂直压力 大小无关，试验结果符合应力剪胀方程( 见式3 1 7 ) ，说明试验是可靠的。 2 8 河海大学硕士学位论文 c 廿 曳 r 趟 猕 葶 3 j u 求 衄 删 蜓 岛 艇 巢 眯 m - = f 、 。f i l i 一 佩、 1 010 1o 0 1 颗粒粒径m m 图3 1 0 粗砂的颗粒组成 剪切位移栅 1 5 0 蛊1 2 5 卫 妄1 0 0 器7 5 5 0 2 5 碟： - i ：、餐m 。矗鼎 3 4 5 剪切位移m m 图3 1 l 粗砂剪切应力与剪切位移关系曲线：( a ) 新型直剪仪速测结果；( b ) 常规改良直剪仪 所测结果 垂直压力n 瑚 图3 1 2 室内粗砂试样的强度包络线 2 9 印 嬲 o 、， 2 l 第三章新研制试验仪的试验应用 e 。l i 釜。 叵0 碰 o 0 o2468l o 剪切位移m m o 5 0 k p a 口1 0 0 k p 8 o 40 6 图3 1 3 室内粗砂新型直剪试验：( a ) 竖向化移与剪切位移的关系；( b ) 廊力比与应变增量梯 度之间的关系 3 5 现场土体的测试 前面3 3 和3 4 详细分析了用新型直剪试验仪测定无粘性土抗剪强度所得数 据的可靠性，为进一步检验新试验仪的性能，现对现场土体进行测试以证实其可 靠性。现场土体为河海大学校内的一片壤土，如图3 1 4 的照片所示。土体呈棕 黄色，含有较多砂砾石，试样的颗粒组成如图3 1 5 所示。清除其表面的虚土， 用3 2 中所述的现场取样方式取得原状样。称量每个试样的质量，算出土体的天 然密度为1 8 2 9 c m 3 ，采用3 2 所述的方法进行装样测试，测试采用快剪的方式， 即手轮转速为4 转m i n ( 剪切速率约0 8 m m m i n ) 。剪切结束后测试土样的含水 率为1 9 0 4 。 为验证测试的准确与否，在同一片场地用环刀切取了原状样，进行常规改良 直剪仪的试验，试验也采用快剪的方式进行。两种试验在不同垂直压力下的剪应 力与剪切位移之间的关系如图3 1 6 ，二者的剪切性状相似，由于试样含有砂砾 石，曲线呈硬化状，表现出的抗剪强度也较高。图3 1 7 是两种试验的强度包络 线，各点基本在一条直线上，常规改良直剪仪所测得的抗剪强度指标：凝聚力 c = 3 5 k p a ，内摩擦角由= 3 4 5 0 ；新型直剪仪测得的抗剪强度指标：凝聚力c = 3 3 5 k p a ， 内摩擦角由= 3 5 9 0 ，两种试验结果吻合的较好，说明新研制试验仪的取样测试方 法可行。 图3 1 8 ( a ) 是新型直剪仪测得的在不同垂直压力下竖向位移与剪切位移之 间的关系，体积变化是呈先剪缩后剪胀的性状，符合一般的规律，在低垂直压力 河海大学硕士学位论文 ( 特别是2 5 k p a ) 下试样剪胀显著。3 1 8 ( b ) 是根据新型直剪仪测得的数据整 理的在剪应力到达峰值之前的应力比，c 舾与位移增量梯度( 一d h d d ) 之间的关系， 各点基本在一条直线上，而与垂直压力无关，符合m a t s u o k a ( 1 9 7 4 ) 提出的应力剪 胀关系( 见式( 3 1 7 ) ) ，说明试验仪性能可靠。 o 图3 1 4 校内一壤_ 十场地 1 0o 10 0 1 颗粒粒径m m 幽3 1 5 现场试验十样的颗粒组成 加 96“求陋删峰梨g涎橥球-上f 河海大学硕士学位论文 3 6 小结 本章介绍了直剪试验的相关理论，流动法则和应力剪胀关系可以独立的考查 试验数据的可靠性，是一种很好的验证试验数据准确性的途径。通过对室内干砂、 粗砂和现场土体的新型直剪仪试验和常规改良直剪仪的对比试验，重点介绍了新 研制试验仪的使用效果和性能。采用了流动法则和应力剪胀关系对室内干砂的新 型试验仪试验所得数据进行分析，结果显示所测数据很好地符合了这些理论；对 粗砂和现场土体的试验进行了应力剪胀分析，结果同样表现了试验仪较好的性 能。 本章的相关理论分析和对比试验验证及分析表明新研制的这套试验技术( 包 括取样、测试和开发的试验仪) 是可行的，能够应用于土体抗剪强度的量测，能 够方便快速的测试出现场土体的强度参数。第五章将介绍应用该试验仪现场测试 南水北调中线工程中膨胀性岩土的抗剪强度。 第四章直剪试验的有限元模拟 4 1 引言 第四章直剪试验的有限元模拟 由于试样变形的不均匀性，直剪试验只能得到试样的剪切位移，而不能得到 试样的应变。因此，一些学者利用数值计算的方法来获取直剪试验的试样变形情 况。d m p o t t s & p r v a u g h a n ( 1 9 8 7 年) 及g t d o u n i a s & d m p o t t s ( 1 9 9 3 年) 采用有限元的方法对直剪试验进行模拟计算，分析了由剪切盒及剪切盒与传力板 的不同连接导致的试样应力不均匀性的影响1 3 9 ，5 1 1 。刘斯宏等【1 4 2 1 1 对粒状体材料的 直剪试验进行过离散单元法的数值模拟，分析剪切盒内壁摩擦力对试验结果的影 响，并提出了剪切盒内壁摩擦力对抗剪强度影响的修正公式。周志刚等【5 2 】用有 限元的方法分析了直剪试验剪切盒的尺寸效应，基于计算的结果，剪切盒的r h ( 内径高) 越小，侧壁摩擦力对剪切面上的j f 应力分布影响就越大。 本文采用有限元的方法模拟直剪试验，得到试样的应力应变分布，并说明剪 切盒内壁与试样之间的摩擦力( 简称侧壁摩擦力) 对剪切面上应力大小和分布的 影响。具体包括如下两方面： ( 1 ) 模拟试侧壁摩擦力对剪切面上的正应力和剪应力的影响情况； ( 2 ) 模拟新研制直剪试验试样的剪切过程，获得其应力应变关系曲线，并选 取典型状态点进行应变分析。 4 2 计算模型、参数选取和模拟方式 4 2 1 计算模型 土体在力的作用下会产生不可恢复的塑性变形，其应力应变呈高度非线性的 关系，不少学者提出了很多土体非线性的应力应变关系，即本构模型，主要有两 大类思路：一是弹性非线性模型，即把土体看作是弹性的，只是土体的弹性常数 ( e 、v ) 不再视为常数，而是看作随应力状态而改变的变量；另一是弹塑性本 构模型，它把总的变形分成弹性变形和塑性变形两部分，利用h o o k e 定律计算 弹性变形部分，用塑性理论计算塑性变形部分。对于塑性变形部分，要做三方面 第四章直剪试验的有限元模拟 d u n c a n 等1 9 8 0 年提出体积模量岛的表达式5 5 】： e ：k 耽( 旦) 小 p d 式中：k b 一体积模量基数： ( 4 7 ) m 一体积模量指数。 以上是加载过程的弹性模量，对于土体这样的材料，卸倚过程的弹性模量( 回 弹模量) 一般不等于加载的弹模。根据卸荷曲线，d u n c a n 等假定回弹模鼍e 。， 不随( 6 l - 0 3 ) 变化，仪随6 3 而变【1 0 】，其表达式如下： 色，：k 。，见( 旦) ” ( 4 8 ) p d 式中：k 。，一回弹模量基数； n 。，一回弹模量指数。 d u n c a n c h a n g 的e - b 模型参数( r f 、k 、n 、k b 、m 、c 、巾及k 。，、n u ，) 可以 通过三轴试验得到。 本章有限元计算采用d u n c a n - c h a n g 的e b 模型。 4 2 2 计算参数 针对直剪试验试样的有限元计算，为了对各种工况进行比较分析，各种工况 取用相同的模型参数。该参数是某粉砂质黏性土的参数，见表4 1 所示。 表4 1e b 模型参数 4 2 3 模拟方式 直剪试验试样看作处于平面应变状态，因此本章有限元计算把直剪试验试样 离散为有限个平面应变等参单元。以常舰室内试样为例进行分析，其网格图如图 4 1 所示。常规直剪试验是试样顶部受到垂：直压力p 的作用，上剪切盒同定，推 动下剪切盒使试样受剪；剪切过程中若试样体积发生变化，则在试样与剪切上盒 河海大学硕士学位论文 之间会产生摩擦力f 作用，以试样发生剪胀( 摩擦力f 向下) 为例进行说明，为 分析不同侧壁摩擦力对剪切面上正应力的影响，用不同的摩擦系数“表示，摩擦 系数取值为：p = o ( 无摩擦力) 、p = 0 1 、p = 0 3 、“= o 5 。 t p 11 11 11 1 111111 1r1 1 1 111 1 r 1 h 一_ hh - _ - 一 h一 一 * h hhhh_hh h l l 一_ 一一 f i i i 。、：? i f l ， 哆? 洌 i l 图4 1 常规室内试样的有限元网格及加荷示意图 4 3 有限元法模拟直剪试验的结果分析 4 3 1 侧壁摩擦力对剪切面上正应力和剪应力的影响 为分析试验过程中试样与剪切盒内壁之问产生的摩擦力对试样结果的影响， 对常规室内试样进行了二维平面应变状态的有限元计算，采用不同的摩擦系数来 反映侧壁摩擦力的大小，分别取摩擦系数：“= 0 ( 无摩擦力) 、0 1 、0 - 3 、o 5 。见 图4 1 所示试样的网格和受力情况，试样长为6 4 c m ，高为2 c m 。受力情况：统 一采用垂直压力p = 1 0 0 k p a ；逐级施加水平荷载t ( 分布压力t ) ，统一取用第八 级下的试样受力状态进行分析；根据施加的水平力施加相应的摩擦力f ，仁t 。 在不同的摩擦系数p 下剪切面上的正应力分布见图4 2 ，图4 3 是不同摩擦系 数u 下剪切面上的平均j 下应力大小。从二图中可以得到以下几方面认识：a 剪切 面上正应力分布趋势是中间较均匀( 基本在1 0 0 k p a 附近) ，两边较大；b 摩擦力 对正应力分布的影响基本在试样的右侧，随摩擦系数的增大，正应力增加的较多， 在= 0 时，右侧正应力比平均值略有减小，而在= 0 1 、0 3 、o 5 时，均比平均值 大；c 图4 3 证实了侧壁摩擦力f 的存在对正应力大小的影响。 图4 4 和图4 6 侧壁摩擦力的存在对剪切面上的剪应力的影响。侧壁摩擦力 f 对剪应力分布并无大的影响，不同摩擦系数“下剪应力的分布趋势基本相同； 河海大学硕七学位论文 在应力应变曲线上( 图4 8 ) 取a 、b 、c 三点，分析它们在各自状态下整个 试样的变形情况。图4 9 是试样的竖向应变。分布图( 除去了在初始垂直压力作 用下的垂直向沉降，即v 是剪切过程中体积的变化) ，点a 是应力达到峰值之前 的某一状态，点b 是剪应力达到峰值时的状态，点c 是应力达到峰值之后的某个 状态。从竖向应变。分布看：v 分布很不均匀，左边上下剪切盒两端分界部位 较大，其他部分较小；但在最终达到破坏的区域里，。又相对较为均匀。 图4 1 0 是试样的剪切应变y 。，分布情况：剪切应变的发展从试样两端上下剪 切盒分界部位开始的，并逐步向中间发展；剪切应变分布很不均匀，在试样两边 较大，特别足在左边，而中问较小，这也与图4 5 的情况相对应，在峰值点b ， 最大1 ，x y 达4 0 ，而中间一般为1 左右，这说明即使达到峰值( 破坏) 时，中间 部分的应变也不大，这可能与计算参数( 本章计算参数为粉砂质黏性土) 的选择 有较大关系。在点c 的状态，即试样破坏之后，除左端特别大以外，整个试样的 应变分布又较为均匀，这也证实了p o t t s 等学者的观剧3 9 j ，即尽管在到达峰值以 前变形高度不均匀，在最终破坏区域里却比较均匀。 从以上的分析，可以这样来描述直剪试验的过程：在顶部施加一定垂直压力 的试样，在水平方向受到上、下剪切盒的互相错动作用( 剪切力的作用) ，试样 两端受到挤压首先发生变形，即剪切的发展是从试样的两端开始的；随着剪切力 的加大，两端的变形也逐渐变大，塑性变形区域逐渐增加，变形逐步向中间扩展； 当剪切力增加到土体所能承受的能力时，即达到峰值强度时，剪应力不再增加， 而变形迅速发展，特别足中间部分的变形发展的很快，并在最终的破坏区域旱， 变形达到相对均匀的状态。 4 1 e 姜 第四章直剪试验的有限元模拟 毛3 。暑 2 o 4 ( a ) 1 0 1 2 x ，c m 24 ( b ) 1 01 2 x ，c m 目 敲；： 雕| 阁o 0 1 3 闷 | o 0 0 8 圊： 卜1 h 一0 0 0 7 l _ _ o 0 1 2 目 融三： l ；= | ；：_ i 闷o 0 2 5 泌o