專利名稱：：一種土體的快速三軸固結(jié)剪切試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種適于粘性土、摻礫石粘土等透水性較差土體三軸固結(jié)剪切試驗(yàn)的方法，屬于土工試驗(yàn)
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：對(duì)于粘性土、摻礫石粘土的三軸固結(jié)剪切試驗(yàn)，由于粘性土滲透系數(shù)很低、排水極慢，按常規(guī)試驗(yàn)方法完成一個(gè)中三軸(直徑O^01mm)的固結(jié)排水剪試驗(yàn)常需要超過(guò)7天的時(shí)間；而對(duì)于大三軸(直徑O:300mm)，一個(gè)試驗(yàn)甚至需要l個(gè)多月的時(shí)間，完成一組(4~5個(gè)樣)試驗(yàn)需要幾個(gè)月的時(shí)間，效率極低。這不僅趕不上工程需要，而且長(zhǎng)期加壓對(duì)試驗(yàn)設(shè)備也是個(gè)難以實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。近年來(lái)，我國(guó)高土石壩建設(shè)正在迅猛發(fā)展，而眾多土石壩的心墻料都采用粘土或摻礫石粘土，測(cè)定其強(qiáng)度變形需進(jìn)行三軸試驗(yàn)；對(duì)摻礫石粘土，既含有一定量的礫石，又含有相當(dāng)大比例的粘性土，滲透系數(shù)很低，需要進(jìn)行大型或中型三軸試驗(yàn)。常規(guī)三軸試驗(yàn)方法下進(jìn)行的固結(jié)排水試驗(yàn)周期長(zhǎng)，難以滿足要求，因而，迫切需要一種新的、快速的試驗(yàn)方法解決此問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)方法試驗(yàn)周期長(zhǎng)的缺陷，提出一種適用于粘性土及摻礫石粘土三軸同結(jié)不排水剪、固結(jié)排水剪的快速試驗(yàn)方法，其特點(diǎn)在于采用砂芯圓柱樣進(jìn)行試驗(yàn)，使試驗(yàn)得以快速完成，試驗(yàn)的剪切速率根據(jù)固結(jié)成果采用理論公式確定，并采用一種修正方法對(duì)固結(jié)及剪切過(guò)程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正。這種快速試驗(yàn)方法宜適用于大型或中型人工擊實(shí)試樣的三軸固結(jié)或剪切試驗(yàn)。
發(fā)明內(nèi)容主要為(1)對(duì)常規(guī)三軸試驗(yàn)的制樣方法進(jìn)行了改進(jìn)，采取在圓柱形試樣中心設(shè)置圓柱砂芯的方法來(lái)加快試樣的排水，砂芯柱體的半徑小于試樣半徑的1/5，砂芯柱體的砂粒成分為細(xì)砂粗砂，即砂粒粒徑為0.075mm2mm，其填筑干密度比周圍土體小或接近；(2)試驗(yàn)的剪切速率v(單位cm/s)由公式v^/f,確定，式中，/為試樣的剪切距離(單位cm)，z,為試驗(yàn)剪切歷時(shí)(單位s)，？/按照公式,,=2(^/(0取值，其中，//為試樣排水距離(單位:cm)，；;為取決于排水條件的系數(shù)，當(dāng)試樣為一端排水r0.75，兩端排水。=3.0，q為試樣消散系數(shù)(單位cm2/s);(3)在三軸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)整理中，對(duì)試樣高度、面積及排水量進(jìn)行了修正，修正按照等應(yīng)變方法且只針對(duì)試樣的土體部分進(jìn)行，其中，土體高度為土體體積與土體面積之比，土體面積為試樣總橫截面面積減去中心砂柱橫截面面積后的面積，土體體積為總體積減去中心砂柱體積后的體積，土體部分的排水量為總排水量與砂芯部分排水量之差，試驗(yàn)過(guò)程認(rèn)為土體與砂芯兩者的排水量與各自的體積成正比。經(jīng)過(guò)修正，得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線及模型參數(shù)與常規(guī)試驗(yàn)基本一致。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)該方法避免了粘性土、摻礫粘土試樣固結(jié)慢、剪切時(shí)間長(zhǎng)的不利方面，保證了試驗(yàn)過(guò)程試樣的充分固結(jié)及孔隙水壓力的充分消散，同時(shí)也保證了測(cè)試精度和試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。而其試驗(yàn)時(shí)間僅是傳統(tǒng)試驗(yàn)的1/4~1/2。附圖1是按本發(fā)明制樣后的試樣示意圖。附圖2是制樣干密度^二2.04g/cm3、中型三軸CD試驗(yàn)下，本發(fā)明與常規(guī)方法的固結(jié)曲線r-log成果對(duì)比圖。附圖3是制樣干密度^二2.08g/cm3、大型三軸CD試驗(yàn)下，本發(fā)明與常規(guī)方法的固結(jié)曲線K-logZ成果對(duì)比圖。附圖4是制樣干密度^二2.04g/cm3、中型三軸CD試驗(yàn)下，本發(fā)明與常規(guī)方法的(A-cO-A成果對(duì)比圖。附圖5是制樣干密度A^2.04g/cm3、中型三軸CD試驗(yàn)下，本發(fā)明與常規(guī)方法的&、成果對(duì)比圖。附圖6是制樣干密度^二2.08g/cm3、大型三軸CD試驗(yàn)下，本發(fā)明與常規(guī)方法的^-A)-A成果對(duì)比圖。附圖7是制樣干密度^二2.08g/cm3、大型三軸CD試驗(yàn)下，本發(fā)明與常規(guī)方法的^-^成果對(duì)比圖。具體實(shí)施例方式對(duì)照附圖1，圖中所示為按照本發(fā)明方法制成的一個(gè)中心部位含圓柱形砂芯的試樣。圖中所示，試樣由圓柱形砂芯1和空心圓柱形的待試驗(yàn)土體2組成。對(duì)照附圖2、附圖3，圖2、圖3分別為中三軸^=2.04g/cm3、大三軸^=2.08g/cm3的CD試驗(yàn)下本發(fā)明方法與常規(guī)方法的固結(jié)曲線F-logf成果對(duì)比圖。圖示表明，本發(fā)明方法試樣的固結(jié)速度明顯比常規(guī)方法試樣快。取固結(jié)曲線發(fā)生拐點(diǎn)時(shí)的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，中三軸試驗(yàn)下，常規(guī)方法試樣固結(jié)所需時(shí)間約為100min，而本發(fā)明方法的試樣固結(jié)時(shí)間僅為10min,后者為前者的1/10;大三軸試驗(yàn)下，常規(guī)方法試樣固結(jié)所需時(shí)間約為4000min，而本發(fā)明方法的試樣固結(jié)時(shí)間僅為300min，后者為前者的1/13;由此說(shuō)明，本發(fā)明方法的試樣快速排水效果明顯，試樣固結(jié)完成時(shí)間大大縮短。根據(jù)公式v-^^^^zo/^^),本發(fā)明方法的剪切速率可達(dá)到常規(guī)方法的24倍，發(fā)明方法的試驗(yàn)得以快速完成。對(duì)照附圖4、附圖5，圖4、圖5分別為中三軸CD試驗(yàn)(制樣干密度2.04g/cm3)下本發(fā)明方法與常規(guī)方法的(^-c^-A和、-q成果對(duì)比圖(圖中數(shù)據(jù)均已經(jīng)過(guò)修正方法修正)。圖示表明，在4個(gè)圍壓(^二200kPa、500kPa、800kPa、1200kPa)下，本發(fā)明方法試樣的(q-)-q和-s,曲線與常規(guī)方法基本一致。對(duì)照附圖6、附圖7，圖中所示分別為大三軸CD試驗(yàn)(制樣干密度2.08g/cm3)下本發(fā)明方法與常規(guī)方法的(A-&)-&和、-&成果對(duì)比圖(圖中數(shù)據(jù)均已經(jīng)過(guò)修正方法修正)。圖示表明，在4個(gè)圍壓(fj3二500kPa、1200kPa、1800kPa、2500kPa)下，本發(fā)明方法試樣的(q-^-s^P^-e,曲線與常規(guī)方法基本一致。實(shí)施例1對(duì)于中三軸Ouu(試樣直徑為101mm、高度為200mm)固結(jié)排水剪試驗(yàn)，分別按照常規(guī)方法和本發(fā)明方法各自制作了一組(4個(gè)樣)摻礫粘土的試樣，試驗(yàn)所用土料采用粘土料與礫石料按1:l混合而成的摻礫料，其中，粘土料是對(duì)某土料篩去〉5mm顆粒后的土料，礫石料級(jí)配為10~20mm的顆粒占52%，5~10mm的顆粒占31%，<5mm的顆粒占17%。4個(gè)試樣的制樣干密度均為2.04g/cm3，含水率均為8.5%，試驗(yàn)圍壓分別為200kPa、500kPa、800kPa和1200kPa。其中，本發(fā)明方法的試樣屮心填充一條直徑為13.2mm、高度為200mm的圓柱形砂芯，所填砂粒粒徑為12mm，砂芯密度為1.6g/cm3。由附圖2，本發(fā)明方法試樣排水固結(jié)達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間約是常規(guī)方法的1/10，根據(jù)公式v-^和公式,^2(^/(/7C;)計(jì)算可得，本發(fā)明方法的試驗(yàn)剪切速率約為常規(guī)方法的3倍，試驗(yàn)時(shí)間大大縮短。由附圖4和附圖5可知，本發(fā)明方法試驗(yàn)所得(q-^)-￡1和、曲線與常規(guī)方法基本一致，相對(duì)誤差最大不超過(guò)7%。兩種方法得到的Duncan-Chang模型參數(shù)示于表1，由表1可見(jiàn)，兩種方法試驗(yàn)得到的內(nèi)摩擦角p值基本相等，其它模型參數(shù)也相差不大。比較分析說(shuō)明，與常規(guī)方法相比，本發(fā)明方法具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，其試驗(yàn)過(guò)程固結(jié)排水快、試驗(yàn)完成時(shí)間短，所得成果與常規(guī)方法基本一致。實(shí)施例2對(duì)于大三軸O，(試樣直徑為300mm、高度為600mm)固結(jié)排水剪試驗(yàn)，分別按照常規(guī)方法和本發(fā)明方法各自制作了一個(gè)摻礫粘土的試樣，試驗(yàn)所用土料采用粘土料與礫石料按l:l混合而成的摻礫料，其中，粘土料是對(duì)某土料篩去〉5mm顆粒后的土料，礫石料級(jí)配為4060mm的顆粒占23.75%，2040mm的顆粒占33.25%，10~20mm的顆粒占20.78%，5~10mm的顆粒占17.22°/。，<5mm的顆粒占5。/。。4個(gè)試樣的制樣干密度均為2.08g/cm3，含水率均為8.5%，試驗(yàn)圍壓分別為500kPa、1200kPa、1800kPa和2500kPa。其中，本發(fā)明方法的試樣中心填充一條直徑為33.7mm、高度為600mm的圓柱形砂芯，所填砂粒粒徑為0.25~1.0mm，砂芯密度為1.80g/cm3。由附圖3，本發(fā)明方法的試樣排水固結(jié)達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間約是常規(guī)方法的1/13，根據(jù)公式計(jì)算，試樣剪切時(shí)其剪切速率約為常規(guī)方法的3倍。由附圖6和附圖7可知，本發(fā)明方法試驗(yàn)所得^-^-a和-a曲線與常規(guī)方法基本一致，相對(duì)誤差最大不超過(guò)7%。兩種方法所得Duncan-Chang模型參數(shù)示于表2，由表2，兩種方法試驗(yàn)得到的內(nèi)摩擦角^值基本相等，粘聚力c值相差不大，其它模型參數(shù)也基本一致。大三軸對(duì)比試驗(yàn)表明，與常規(guī)方法相比，本發(fā)明方法試驗(yàn)過(guò)程固結(jié)排水快、試驗(yàn)完成時(shí)間短，表現(xiàn)出較大的優(yōu)越性，其試驗(yàn)成果與常規(guī)方法基本一致。以上各例證明，本發(fā)明方法消除了粘性土、摻礫粘土常規(guī)試驗(yàn)固結(jié)慢、剪切時(shí)間長(zhǎng)的不利方面，尤其對(duì)大體積試樣，保證了試樣的快速固結(jié)及孔隙水壓力的快速消散，同時(shí)也保證了測(cè)試精度和試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。表1中三軸摻礫50%，Pf2.04g/cm3CD試驗(yàn)Duncan-Chang模型參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>注相對(duì)誤差指兩組數(shù)據(jù)差值的絕對(duì)值占常規(guī)方法數(shù)據(jù)絕對(duì)值的百分比。表2同此。表2大三軸摻爍50%，Pf2.08g/cm3CD試驗(yàn)Duncan-Chang模型參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1.一種土體的快速三軸固結(jié)剪切試驗(yàn)方法，其特征是采用砂芯圓柱樣進(jìn)行試驗(yàn)，砂芯圓柱樣中心設(shè)置由砂粒填充而成的砂芯圓柱體，砂芯圓柱體以外為待試驗(yàn)土體，砂芯圓柱體的半徑小于試樣半徑的1/5，砂芯圓柱體的砂粒成分為細(xì)砂～粗砂，即砂粒粒徑為0.075mm～2mm，其填筑干密度比周圍土體小或接近；試驗(yàn)的剪切速率根據(jù)試驗(yàn)固結(jié)成果采用理論公式確定，剪切速率v(單位cm/s)由公式v＝l/tf確定，式中，l為試樣的剪切距離(單位cm)，tf為試驗(yàn)剪切歷時(shí)(單位s)，tf按照公式tf＝20h2/(ηCv)取值，其中，h為試樣排水距離(單位cm)，η為取決于排水條件的系數(shù)，Cv為試樣消散系數(shù)(單位cm2/s)；采用一種修正方法對(duì)試樣高度、面積和排水量進(jìn)行了修正，修正按照等應(yīng)變方法且只針對(duì)試樣的土體部分進(jìn)行，其中，土體高度為土體體積與土體面積之比，土體面積為試樣總橫截面面積減去中心砂柱橫截面面積后的面積，土體體積為總體積減去中心砂柱體積后的體積，土體部分的排水量為總排水量與砂芯部分排水量之差。全文摘要本發(fā)明是一種土體的快速三軸固結(jié)剪切試驗(yàn)方法，屬于土工試驗(yàn)
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。本發(fā)明主要對(duì)常規(guī)三軸試驗(yàn)的制樣方法進(jìn)行了改進(jìn)，采取在圓柱形試樣中心設(shè)置圓柱形砂芯的方法來(lái)加快試樣的排水，試驗(yàn)的剪切速率根據(jù)試驗(yàn)固結(jié)成果采用理論公式確定，并采用一種修正方法對(duì)固結(jié)及剪切過(guò)程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正，試驗(yàn)所得應(yīng)力應(yīng)變曲線及模型參數(shù)與常規(guī)方法基本一致。本發(fā)明方法克服了常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)方法試驗(yàn)周期長(zhǎng)的缺陷，試驗(yàn)所需時(shí)間大大縮短，僅是常規(guī)方法的1/4～1/2，且試驗(yàn)成果真實(shí)、可靠，發(fā)明方法具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，可在土工試驗(yàn)
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廣泛推廣。文檔編號(hào)G01N3/24GK101441209SQ20081024397公開(kāi)日2009年5月27日申請(qǐng)日期2008年12月19日優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日發(fā)明者朱俊高,陳志波申請(qǐng)人:河海大學(xué)