便携式现场和室内两用直剪仪的研制

便携式现场和室内两用直剪仪的研制

0试验结构方向和试验方法岩石工程的大多数失稳是由于切割破坏。正确测量岩石材料的抗切割强度参数对土木工程设计中的岩石工程具有重要意义。目前,常用的抗剪强度参数测定方法有三轴试验与直剪试验,其中,直剪试验由于其操作简便、适用范围广而应用最为普遍。直剪试验还有一个很大的优点是所测得的抗剪强度参数能基本代表整个滑动面上的平均值,用于土石边坡圆弧滑动稳定计算更为合理。图1为土坡圆弧滑动中三轴试验及直剪试验所对应的应力状态。由于最大主应力σ1的方向与滑动面的方向呈45°-ϕ/2,图中左上部分的σ1几乎是垂直方向,应力状态与三轴压缩试验相对应;而右下部分的σ1几乎是水平方向,应力状态与三轴伸长试验相对应;在滑弧中部,滑动面几乎水平,应力状态与直剪试验相对应。然而,长期以来,直剪试验由于存在试样应力变形分布不均匀、试样与剪切盒内壁之间的摩擦等问题而备受质疑,不少学者对此进行了大量的研究,提出了许多改进方法。文献介绍了一种改进试样应力变形分布不均匀的方法,其主要思路是使直剪试验中试样剪切带内的应力变形状态更加接近于单剪试验。对于试样与剪切盒内壁之间的摩擦问题,文献介绍了3种解决方法,如图2所示。第1种方法是把上剪切盒与量力环间的刚性接触改为具有低摩擦系数的滚轴排接触(图2(a))。第2种方法是将试样受剪方式由刚性顶推剪切盒的方式改为用柔性绳索拉动剪切盒的方式(图2(b))。滚轴排接触与柔性绳索张拉的目的是让上剪切盒在试样剪切过程中能随试样的体积变化而上下自由运动,试样与上剪切盒间无相对位移产生,从而减小或消除试样与剪切盒内壁之间的摩擦。第3种方法是在施加垂直力的反向设置荷载计,量测得到剪切面上真实的垂直力(图2(c)),该法是目前日本土力学与基础工程学会推荐的方法。本文在图2(b)所示方法的基础上研制了一种便携式现场和室内两用直剪仪,它不仅解决了常规直剪仪中试样与剪切盒内壁间摩擦影响问题,而且采用移动式垂直加荷系统,克服了剪切过程中正应力的偏心问题。其最大优点是简便,且室内、现场两用。1张拉受剪、水平张拉及量测设备新研制的便携式现场和室内两用直剪试验仪,包括取样设备、水平张拉受剪系统、移动式垂直加荷系统、长方形框架及量测设备等。整套仪器装置可装入一个箱型框内,搬运方便。1.1试样的制备过程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:“十”字形剪切框能使剪切面上试样的应力变形更加均匀。图3为用离散单元法模拟新型直剪试验时剪切框内有无“十”字形结构的对比结果。可见,设置“十”字形结构后,受剪区域内试样的位移更为均匀。“十”字形剪切框的大小根据试样的最大粒径与加荷的稳定性而定,一般要求大于5倍的试样最大粒径。本文使用的“十”字形剪切框面积为200cm2,净空几何尺寸:长×宽×高=14.1cm×14.1cm×2.5cm。取样设备由刚性框和剪切框组成,二者均由高强度钢板制成,具有足够的刚度。刚性框的高度为5cm,其面积大于剪切框的面积(长度为16cm,宽度与剪切框相同),这样可以保证试验过程中剪切面的面积不变。为了便于在原状地基中取原状样,刚性框与剪切框的下端外部4个面均为刀口形状。现场取原状样的步骤为(参见图4):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,将十字型剪切框放在刚性框上,再将二者一起压入地基中直至十字型剪切框表面略低于地基表面,最后把包含刚性框和十字型剪切框的土体整体挖出,剥掉二者外侧的土体,并用钢丝锯沿刚性框底面把试样锯平;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,然后放入刚性框的底座里,用与常规直剪仪制备重塑样的方法制备。1.2钢链条与钢链条的连接水平张拉受剪系统由剪切框、钢链条、荷载计和转动手轮组成,参见图5和图6。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,转动手轮固定于箱形框架上。通过钢链条张拉剪切框使试样受剪,设计的剪切位移最大可达40mm,荷载计用于量测水平张拉力的大小。1.3齿轮和旋转风4.1包括传力板、传力柱、杠杆、横梁、拉杆、滑枕及滚轮,如图6所示。两根横梁支柱分别固定连接在由两根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。经测试滚轮与导轨间的摩擦系数为0.027,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。拉动剪切框使试样受剪过程中,垂直加荷系统沿滑枕与试样剪切同步移动,确保了施加于试样上的垂直压力不会偏心。1.4量测设备的选用水平张拉系统、垂直加荷系统全部连接在一个铁制的长方形框架上。框架长与宽分别为60cm和30cm。量测设备包括荷载计、水平位移计和垂直位移计。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记录。1.5检测结果分析新型直剪仪的特征如下:(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一起上下自由运动,试样与剪切框内壁间无相对位移,从而克服了常规直剪仪中剪切盒内壁摩擦对剪切面上正应力的影响,测试的结果准确可信。(3)用杠杆施加垂直压力,保证了垂直压力的稳定,可进行真正意义上的定压试验。(4)移动式垂直加荷系统随剪切位移的发生而同步移动,保证了施加到试样上的垂直压力在剪切过程中不会偏心。(5)由于剪切框的面积略小于刚性框的面积,剪切过程中试样受剪面积保持不变。(6)用剪切框直接取原状样,即方便,又最大限度地降低了对试样的扰动。(7)按同样的原理,可以制作更大规模的试验仪,以测定较大粒径或含有裂隙结构的原状样。目前,30cm×30cm×5cm的剪切框及其相应的部件正在加工制作中。2现场试验的取样方式及试验结果的对比为验证新研制直剪仪的可行性,分别在室内对一干砂试样及在现场对一黏质砂土原状土样进行了试验,并与图1(a)所示的室内用滚珠接触的改良型常规直剪仪试验结果作了对比。图7为两种试样的颗粒级配曲线。室内干砂试样的干密度为1.55g/cm3。现场土体呈棕黄色,含水率为19.04%,天然密度为1.82g/cm3。现场试验的取样方式如图4所示。现场土的改良型常规直剪仪室内试验的取样方式与此相似,即在现场先把环刀压入土体中,然后把它挖出来,清除环刀周围的土粒,修平环刀的底面。图8、图9分别为室内干砂试样及现场土样的新研制直剪仪与改良型常规直剪仪试验结果的对比。本次对比试验所施加的垂直压力有所不同,这对于像堆石之类的粗粒料在高压力下容易发生颗粒破碎的试样来说,高、低压力下试验结果会有所不同,但对于本次试验用的黏性土和中细砂土则基本没有影响,因为不存在颗粒破碎问题,强度包络线基本为直线。从图8、图9可知,对于室内干砂试样,改良型常规直剪仪所测试的内摩擦角ϕ=34.6°,新研制的直剪仪所测试的内摩擦角ϕ=34.3°;对于现场试样,改良型常规直剪仪测得的强度指标为:黏聚力c=35kPa,内摩擦角ϕ=34.5°;新研制的直剪仪测得的为:c=33.5kPa,ϕ=35.9°。由此可见,无论是室内干砂样还是现场原状土样,新研制直剪仪与改良型常规直剪仪所测试的结果相当接近,表明新研制直剪仪的取样测试方法可行,结果可信。3抗剪强度参数与试样高度的关系应用新研制的试验仪对南水北调中线工程新乡璐王坟试验段的膨胀性黏土岩、泥灰岩和渠底砂岩进行了现场试验研究。限于本文的篇幅只简要给出部分泥灰岩的试验成果,详细的试验成果和分析将另文说明。泥灰岩呈灰白色,部分含有灰绿色、棕色斑条,含有碎石、块石等颗粒,有隐形节理裂隙等结构面。自由膨胀率在40%~67%之间,呈中等偏弱的膨胀性。试验取用的泥灰岩第一组试样MU1的含水率为17.2%,干密度为1.75g/cm3;第2组试样MU2含水率为15.4%,干密度为1.70g/cm3。在渠道开挖后的坡面按前述的方法切取整体性原状试样。考虑到膨胀性岩土边坡的失稳破坏主要是浅层的滑坡,故本次试验采用较小的垂直压力,以获得浅层岩土体的准确抗剪强度参数。试验采用快剪的方式进行,图10(a)、(b)是两组试样的剪应力与剪切位移之间的关系曲线。可见,剪应力随剪切位移的发展而快速增加,而当剪应力到达峰值后有所减少,在较大正应力下剪应力减小的较小,而在低正应力下减小的较多,特别是外加垂直荷载为零时,试样完全被剪为上下两块,所以在此正应力下试样剪应力达到峰值后迅速减小,剪切位移也迅速的发展。强度指标上,两组试验所得的内摩擦角几乎相同,这与一般的认识相吻合,即同一种原状泥灰岩试样,内摩擦角理应是相当的;试样MU1的黏聚力小于试样MU2的黏聚力,原因在于MU1试样的含水率比MU2的高,这也与一般的非饱和膨胀岩土的黏聚力随含水率的增大而减小相吻合。剪切过程中部分试样的剪切面并不水平,原因是试样包含节理等薄弱面,剪切总是尽量从薄弱部分发展。这种沿试样薄弱面剪切是室内扰动样与小型原状样无法得到的。因此,该试验仪在测定浅层滑动与包含节理裂隙等薄弱面岩土体