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T0178-2007粗粒土直接剪切试验

关键字: T0178-2007粗粒土直接剪切试验日期: 2021-2-5 19:45:26 点击 11872 次

JTG 3430—2020《公路土工试验规程》----27 粗粒土直接剪切试验

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2.测试方法：
☞【T0178-2007粗粒土直接剪切试验】

T0178-2007粗粒土直接剪切试验

1 目的和适用范围
本试验采用应力控制式或应变控制式大型直接剪切仪测定粗、巨粒土的抗剪强度参数。
2 仪器设备
2.1 应力控制式大型直剪仪：由上剪切盒、下剪切盒、传压板、滚珠排、垂直加压框架和水平加压支座等组成，如图T 0178-1。
2.1.1 剪切盒：形状宜采用方形，剪切盒尺寸：边长宜为最大粒径的8～12 倍，上、下盒的总高度宜为最大粒径的4～8倍。
2.1.2 加荷设备：双向油压千斤顶2 台和稳压装置。
2.2 百分表：量程30mm，分度值0.01mm。
2.3 其他设备：真空泵（附真空测压表）、饱和器（附金属真空缸）、粗筛一套（筛孔孔径分别60、40、20、10、5、2mm）、磅砰（感量250g）、电子秤、水平尺、拌和工具、恒湿设备与击实锤。
图T0178-1 大型直剪仪示意图
1-上反力横梁；2-千斤顶；3-试样；4-传压板；5-上剪切盒；6-固定销；7-水槽；8-透水板；9-滚轴排；10-下剪切盒；11-开缝装置；12-进水孔；13-水平加荷支座；14-下反力横梁
3 试验步骤
3.1 制备和安装
3.1.1 按本规程T 0102 试验进行备料。根据试验要求的干密度、含水率和试样尺寸，计算并称取试验所需的土样数量。对无黏性粗颗粒土，为防止颗粒分离，也可根据装填层数，分层称取试验所需的土样。
3.1.2 将下剪切盒吊放在滚轴排上，并在下剪切盒上安放开缝环及钢珠[控制剪切开缝尺寸为（1/3～1/4） max d ]，然后将上剪切盒放上，务使上、下盒同心，并用固定插销定位。3.1.3 将称好的试样拌匀后分层装入剪切盒内（层次可根据高度与层缝错开的原则而定，一般为3 或5 层）。每一层应击实至要求的高度。对黏质粗颗粒土，每层表面刨毛后，再填第二层。重复上述步骤至最后一层，整平表面。
3.1.4 试样如需饱和，对无黏性粗颗粒土，宜用水头饱和法；对黏质粗颗粒土宜用真空饱和法。
3.1.5 在试样面上依次放上透水板、传压板、垂直千斤顶和传压板等，并与液压稳定器管路连接。要求安装对中，传压板应用水平尺校平。上、下反力钢梁应水平。然后安装2～4 个垂直百分表，徐徐开动垂直千斤顶，使各部接触。记录变形初始读数。
3.1.6 安装水平千斤顶和水平百分表，务使水平千斤顶的着力线通过剪切面的中心。徐徐开动水平千斤顶，使其与下剪切盒的着力点接触（即水平百分表开始微动）即停止。
3.1.7 每组试验应制备4 至5 个试样，其密度差值不得大于0.03g/cm3，含水率差值不得大于1%。在不同压力下进行试验，各级垂直压力级差大致相同。
3.2 快剪试验（Q）
3.2.1 按本试验3.1.5 的规定安装试样和定位，但在试样上、下面接触处，安放与透水板厚度相等的不透水钢板。在试样上一次施加额定的垂直荷载，使其在整个试验过程中保持恒定。
3.2.2 拔除上、下剪切盒的固定销并取掉开缝环。记录垂直、水平千斤顶、百分表等的读数。随即开动水平千斤顶，施加水平荷载，每30s 加一级，并测读1 次水平百分表和垂直百分表的读数。起始水平荷载按垂直荷载的7%～10%施加。当某级水平荷载下的剪切位移超过前一级剪切位移的1.5～2.0倍时，改为按5%施加。每施加一级水平荷载，测读垂直和水平百分表各一次。
当水平荷载读数不再增加或剪切变形急剧增长时，即认为已剪损。若无上述两种情况出现，应控制剪切变形达试样直径的1/15～1/10，方可停止试验。应控制试样在5～10min内达到剪切破坏。
3.2.3 试验结束后，尽快卸去百分表、水平荷载、垂直荷载和加荷设备。视需要对剪切面作简要描述。取剪切面附近的试样，测定其剪切后含水率与颗粒级配。
3.3 固结快剪试验（CQ）
3.3.1 按本试验3.2.1 的规定进行试样安装和定位。但试样上、下两面的不透水板换放细铜丝布和透水钢板。
3.3.2 在试样上施加垂直荷载后，如每小时垂直变形小于0.03mm，则认为变形稳定。测记此时垂直百分表读数。
3.3.3 试样达到固结稳定后，按本试验3.2.2 和3.2.3 的规定进行剪切。
3.4 慢剪试验（S）
3.4.1 按本试验3.2.1 的规定进行试样安装和定位。但试样上、下两面的不透水板改放细铜丝布和透水钢板。
3.4.2 按本试验3.3.2 的规定进行试样固结。
3.4.3 试样达到固结稳定，拔除上、下剪切盒固定销并取掉开缝环。检查垂直千斤顶、水平千斤顶、百分表等，记录其读数。开动水平千斤顶，施加水平荷载，每隔1min 测记1次水平百分表读数和垂直百分表读数。若1min 内剪切变形不超过0.01mm，则施加下一级水平荷载。起始水平荷载每级按垂直荷载的7%～10%施加，当某级水平荷载下的剪切位移超过前一级剪切位移的1.5～2.0 倍时，改为按5%施加。
当水平荷载读数不再增加或剪切变形急剧增长，即认为已剪损。若无上述两种情况出现，应控制剪切变形达试样直径的1/5～1/10，方可停止试验。
3.4.4 试验结束后，按本试验3.2.3 的规定拆除试样，并测定其剪切后含水率与颗粒级配。
4 结果整理
4.1 按下列公式计算垂直压力和剪应力：
       Pv+△P 
P=---------------- （T 0178-1）
         A
       Ph-F 
T=------------- （T 0178-2）
        A
Pv= CvRv             （T 0178-3）
Ph=ChRh                  （T 0178-4）
式中：P、t——分别为垂直压力和剪应力（kPa）；
Pv、Ph——分别为垂直荷载和水平荷载（kN）；
Cv、Ch——分别为垂直千斤顶和水平千斤顶上压力表的率定系数（kN/kPa）；
Rv、Rh——分别为垂直和水平千斤顶压力表读数（kPa）；
F——某垂直压力下仪器摩擦力（kN）；
P ——附加垂直荷载，包括透水板、传压板和千斤顶的重力，千斤顶以上的设备重力不计在内（kN）； A——试样面积（m2）。
4.2 以剪应力和垂直变形为纵坐标，水平位移为横坐标，分别绘制某级垂直压力下剪应力 与水平位移L 关系曲线和垂直变形s与水平位移L 关系曲线，见图T 0178-2和图T0178-3。
图T 0178-2 剪应力与水平位移关系曲线图T 0178-3 水平位移与垂直变形关系曲线
4.3 取剪应力 与水平位移L 关系曲线上峰值或稳定值作为抗剪强度。如无明显峰值，取水平位移达到试样直径1/15～1/10 处的剪应力作为抗剪强度S。
4.4 以抗剪强度S 为纵坐标，垂直压力P 为横坐标，绘制抗剪强度S 与垂直压力P的关系线，如图T0178-4所示。直线的倾角为粗颗粒土的内摩擦角φ，直线在纵坐标轴上的截距为粗颗粒土的黏聚力c 。图T 0178-4 抗剪强度与垂直压力关系曲线
4.5 本试验记录格式如表T 0178-1。
表 T 0178-1 粗颗粒土直接剪切试验记录表
工程名称              钻孔编号               试验者
制样日期               计算者               校核者
试验方法快剪（Q）固结快剪（CQ）慢剪（S）
垂直压力 p= kPa 试样面积A= m2
固结时间 t= h 开缝尺寸t1 mm
剪切速率S= mm/min 摩擦力F= kN
初始干密度ρd= g/cm3 千斤顶率定系数：
风干含水率w= % Cv= kN/kPa
破坏剪应力τ= kPa Ch= kN/kPa
水平压力表读数（kPa）剪应力τ（kPa）垂直压力表读数（kPa）水平位移（0.01mm）垂直形（0.01mm）百分表读数ΔL 累计增量ΣΔL百分表读数ΔL 累计增量ΣΔL1 2 平均 1 2平均20.0 5.3 5.9 5.6632 81.2 83.3 82.374.5 121.6 122.1 121.9101.3 204.9 205.2 205.1112.8

261.3 265.8 263.6116.3 322.1 323.5 322.8119.6 384.9 383.1 384.0123.1 433.8 432.7

433.3126.6 483.7 482.3 483.0131.1 551.6 552.7 552.2135.8 622.9 623.6 623.3141.5

711.1 712.3 711.7146.3 792.7 791.4 792.1150.9 843.3 843.9 843.6144.6 885.9 886.4

886.2140.5 924.6 925.2 924.9135.6 953.8 954.2 954.0备注
5 报告
5.1 土的性状描述。
5.2 粗粒土的抗剪强度指标c、φ值。

条文说明

2 对粗颗粒土进行直剪试验时，试样尺寸取决于最大粒径。根据国内外现有资料，统计了各试验研究单位所用试样尺寸与最大粒径的比值。
由统计分析可知：试样直径与最大粒径的比值（D/dmax）变化范围较大，为4～12.5。其中径径比为7.5～10的统计数为64%，径径比小于7.5的占25%，径径比大于10的占11%；
径比的变化为1.5～10，其中高径比为4～8的占53%，高径比大于8的占17%，高径比小于的占30%。以上各单位采用的比值较集中为：径径比为7.5～10，高径比为4～8。
不同的径径比和不同的高径比，对粗颗粒土的内摩擦角的影响如图T 0178-5、图T 0178-6。为此确定试样尺寸与最大粒径关系时，同时考虑高径比，推荐径径比为8～12，高径比为4～8。图T0178-5～D/dmax关系曲线图T0178-6～H/dmax关系曲线
3.1.2 粗颗粒土在剪切过程中，颗粒的位置不断调整，在剪切区产生错动、翻滚和剪损现象。在直剪仪中，试样受剪力盒约束及剪切面固定，因此，剪切时粗粒要发生翻滚和错动较困难，导致颗粒剪破，剪切过程中伴随着明显的剪胀，使测得的强度偏高。为此，在上、下剪切盒之间开一定的缝隙。开缝的目的在于避免颗粒剪破，使试样沿弱面剪切。但开缝过大，也不恰当，因剪切区侧限作用过小，试样易从剪切缝挤出；开缝过小，不能消除约束的影响。根据国内资料综合分析，粗颗粒土直剪试验的开缝尺寸推荐（1/3～1/4） max d 作为其使用标准。
3.1.3 试样制备选用以下方法：
1 击实法。采用与室内击实试验相同的功能分3～5层及层缝交错法将试料击实至控制密度。
2 振捣法。对砂砾石等无黏性粗颗粒土采用机械振捣到控制密度。
3 静压法。用千斤顶施加静压力，分层将试料压实到控制密度。
3.1.4 试样饱和常用的方法有真空抽气饱和法、毛细管饱和法和浸水饱和法。根据实践，真空抽气饱和法的饱和度最高，效果最好，适用于含黏质土的粗颗粒土；毛细管饱和法次之，可用于无黏性粗颗粒土；浸水饱和法易使气体封闭在土内，并造成细粒在水的作用下，向下移动，淤填孔隙，使试样密度不均匀，饱和效果最差，一般不宜使用。
3.2.1 粗颗粒土在高压情况下，抗剪强度与垂直压力呈非线性关系，不符合库仑方程的直线关系。因此，在设备出力允许条件下，采用的最大垂直压力符合建筑物或地基中的受力情况；如限于仪器设备能力达不到要求的出力时，在提交试验资料时予以说明。
3.2.2～3.2.4 水平剪切力施加方法。根据国内的情况，水平剪切力的施加方法有以下三种。
（1）应变控制法。按水平位移计读数的等速递增作为标准。
（2）时间控制法。采用液压稳压器均匀推动水平千斤顶施加水平剪切力，控制试样在3～5min（有的单位控制在5～10min）内剪损。
（3）应力控制法。按水平压力计读数递增水平剪切力。本规程推荐应力控制法。剪切速率的大小直接关系到试样排水，是影响抗剪强度的主要因素之一。对应力控制法来说，剪切速率指水平荷载分级大小和加荷快慢这两个问题。
①水平荷载分级大小。分级施加水平荷载主要在于求得较规律的t~△L关系曲线。目前国内外采用的分级方法有以下两种：其一是按估计的最大剪切力的百分数分级。大多数单位采用0.1 h max P 和0.05hmax P 两级（ h max P 为最大剪应力）。美国ASTM.D3080—72在固结排水条件下土的直剪试验标准方法中，规定应力控制法的水平剪应力的增量约等于0.1估计最大剪应力，当达到估算破坏力的50%～70%时，减少增量至0.05hmax P 。其二是按施加的垂直压力的百分数分级，国内大多数单位采用0.1vP或0.05vP两级（vP为垂直压力）。不论采用哪种分级方法，水平剪切力施加不得少于10级，开始可按0.1vP施加，加至破坏力的50%～70%后可减至0.05vP。
②水平荷载施加速率。快剪试验（包括固结快剪试验）主要是求剪切过程中含水率保持不变时的抗剪强度，要求在较短时间内剪损。大部分单位采用快剪剪损历时控制在5～10min内，每30s施加一级，但剪损总历时不应超过10 min，使试样含水率变化最小，以符合快剪要求。
慢剪试验要求在剪切过程中试样的孔隙压力完全消散，因此，试验要有充分的排水时间。关于施加水平剪切力的时间间隔，目前无统一规定。美国水道试验站规定，每加一级水平剪切力，固结度至少要达到95%。法国中央土木试验室试验法则只有原则规定，即用最慢的剪切速率进行剪切，施加水平荷载，原则上要求在每级荷载下变形达稳定为止。但为了操方便，本规程规定，每1min内位移小于0.01mm时再施加下一级荷载。
3.3.2 目前对试样在垂直荷载作用下达到稳定的控制标准，大多数单位用每小时变形不大于0.01～0.05mm。本规程规定在垂直荷载作用下，每小时垂直变形不大于0.03mm为变形稳定标准，这与原大型固结试验的变形稳定标准一致。
4.3 粗颗粒土直剪试验中现行破坏标准有以下两种，即：极限强度标准和剪切位移标准。据调查统计，国内许多单位采用极限强度标准作为破坏标准，即以t~△L关系曲线上的峰值或稳定值作为破坏值。该值的概念与极限平衡理论相符，本规程推荐采用极限强度标准。但粗颗粒土剪切试验中，有时没有明显的峰值，国内外资料建议采用相应于下列变形时的剪应力作为破坏值。
（1）塑性材料△Lmax＞(1/15)D 
（2）半脆性材料△Lmax =（1/15）D
（3）脆性材料△Lmax =（1/15）～（1/20）D
本规程建议在剪切试验过程中无峰值或稳定值时，可用△Lmax值为（1/15-1/10）D作为确定破坏值的标准。

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