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T0147-1993粗粒土三轴压缩试验

关键字: T0147-1993粗粒土三轴压缩试验日期: 2021-2-8 16:43:27 点击 12925 次

JTG 3430—2020《公路土工试验规程》----28 粗粒土三轴压缩试验

T0147-1993粗粒土三轴压缩试验

1 目的和适用范围
1.1 本试验适用于测定最大粒径为60mm粗粒土的抗剪强度指标参数。
1.2 根据路面基层的受力状态和使用条件，本试验采用应变控制式试验，试样在不饱水、不固结和不排水情况下测定抗剪强度参数。
2 仪器设备
2.1 粗粒土三轴压缩试验仪（见图T 0147-1）包括：
2.1.1 试验主机：由主机架、油缸、压力室和压力移动滑车组成。仪器轴向最大允许使用荷载为500kN。
2.1.2 操作控制屏：由侧压力（或称周围压力）恒定系统、体变量测装置、电器控制组件等组成。
2.1.3 液压站：由液压油箱、液压泵和无级调速系统组成。
2.1.4 空气压缩机。
图T 0147-1 三轴压缩仪控制系统 1-空压机；2-电接点压力表；3-水罐；4-定值器；5-蓄能器；6-标准压力表；7-油封管；8-体变管；9-压力室；10-试件；11-放水口
2.2 附属设备包括：
2.2.1 压力室起吊装置（电动葫芦）。
2.2.2 标准测力计（量程为10t、30t 各一套）。
2.2.3 轴向应变测量装置（表架和量程为5cm的百分表）。
2.2.4 对开成型筒（图T 0147-2）及承膜筒。
2.2.5 击实设备。
2.2.6 电子秤：称量100kg，感量50g。
2.2.7 电子秤：称量5kg，感量1.0g。
2.2.8 电子天平：感量0.01g。
2.2.9 烘箱、瓷盘（盆）、铝盒各若干。
2.2.10 橡皮膜若干。
2.2.11 扭力扳手和活动扳手等工具。
2.2.12 圆孔筛（孔径按试验要求确定）。图T0147-2 对开成型筒
3 仪器检查
3.1 检查轴向加压系统及侧压力恒压系统等运行是否正常。
3.2 检查体变测量系统运行是否正常。
3.3 检查压力室的密封性、传压活塞在轴套内滑动是否正常，管路、接头、阀门等是否畅通、不漏气。 3.4 检查橡皮膜是否完好。
3.5 标定无级调速阀上的刻度与油缸上升速度的关系。
3.6 检查蓄能器水位标高，其标高不应高于蓄能器高度的1/3，亦不得低于水面指示管.水罐内水位应高于罐高的3/4。
3.7 测力计使用超过半年或温差过大时，应重新标定。
3.8 安装测力计时，应根据试件最大破坏荷载，选用适当量程。
4 试样
4.1 试样准备
4.1.1 取样进行筛分。筛的孔径按试验材料类型不同分别选用。经筛分的试料分组称量，堆放备用；并计算通过各级筛孔的质量百分数。如果需要准确控制试样的级配组成时，对含黏土的粒料材料，黏着的细粒土不易分散，可将粗料中的各级粒料用水洗过筛烘干备用。对不含黏土的粒料材料，则将全部试料依次过筛备用。
4.1.2 根据工程需要，从粗料（粒径大于5mm）和细料（粒径小于0.5mm）中分别取代表性试样进行石料磨耗和液限、塑限等物理性质试验。
4.1.3 测定颗粒粒径小于0.5mm 细料和粒径大于0.5mm 各级粒料材料的天然含水率。
4.1.4 对超过仪器允许粒径的颗粒含量的处理，可采用下述方法：
若超过粒径颗粒含量小于5%时，可采用剔除法，即把超径颗粒剔除。
若超过粒径颗粒含量大于5%时，则采用等质量代换法处理，方法是按仪器允许的全部粗料（从粒径为5mm 至最大粒径之间的粗料）按比例等质量代换超径颗粒含量。新的级配
组成可按下式计算：
     100-pm
 pi=----------(p0i-p5)+p0i   （T 0147-1）
        Pm-p5
式中： pi——代换后某粒径的粒料通过百分数（%）；
P5 —— 原级配中粒径为5mm 的粒料通过百分数（%）；
pm ——原级配中粒径为60mm 的粒料通过百分数（%）；
p0i ——原级配中某粒径粒料的通过百分数（%）。
4.1.5 分级确定粒径为0.5～60mm 的某级粒料的饱和吸水率（wa），即将粒径为0.5～60mm 的风干后的某级粒径（质量为ms）浸泡至吸水饱和，再把表面揩干，然后称湿质量（m）。
某级粒料的饱和吸水率为：
       m-ms
Wa=------------× 100 （T 0147-2）
        ms
4.2 试件制备
4.2.1 试件尺寸：试件直径为30cm，高度60cm；若试件压缩量较大时，试件高度可采用75cm。
4.2.2 根据试件体积和密度要求，计算每个试件需要材料的干质量。为防止试样粗细颗粒分离，要求试件密实度均匀一致，试样应分层装填（一般分6 层）。按材料组成要求分层计算所需的试料，分层配料。粒径小于0.5mm 的细粒另置，大于0.5mm 的各级粒料可放一
堆。
4.2.3 计算试件每层装填试料的需要加水量：
Mw=（wd-w1）ms+Σ（wid-wil）mi    （T 0147-3）
式中： mw ——试件需要的加水量（kg）；
w d ——细粒的设计含水率（%）；
w1 ——细粒的天然含水率（%）；
wid、wil——0.5～60mm 粒料中某级粒料的设计含水率和天然含水率（%）；
ms ——细料的干质量（kg）；
mi ——0.5～60mm 粒料中某级粒料的干质量（kg）；
n——0.5～60mm 粒料按相邻筛孔孔径划分的级数。
4.2.4 把水加到粒径大于0.5mm 的粒料中，充分拌和，然后掺入细粒继续拌和，直至拌匀为止。
4.2.5 将拌好的试料放入盘（盆）内，用塑料薄膜盖严，待用。为避免差错，应任意抽查复称其中一份，每份试料质量应为试件总湿质量的1/6。
4.2.6 在压力室试样底座上加盖板，扎好橡皮膜，安装成型筒。将橡皮膜外翻套在成型筒上，让橡皮膜顺直，使之与成型筒壁紧贴。
4.2.7 逐层装入试料，每装一层，先用细钢钎捣实，再用击实法或振动击实法使试料达到要求的密实度（用高度控制其密实度）。然后将表面刨松，再装第二层。依此类推，直至最后一层。
4.2.8 整平试件顶面，加上盖板和试件帽，卸除对开成型筒，用钢尺量测试件的实际高度。测量误差不得大于±2mm。再套上完好的橡皮膜，并将两头扎紧。
4.2.9 制件结束后，扫清底盘。
4.2.10 安装压力室，用扭力扳手旋紧和底盘连接的螺栓，然后往压力室内加满水，旋紧加水孔螺帽，置压力室于剪切试验仪机座上，静置24h，使试件内水份充分渗润。
5 试验步骤
5.1 合上电源开关，接通电源。总电源指示灯亮，指示电源接通。
5.2 将钮子开关扳向油缸上升位置。按油缸起动按钮，逆时针旋转无级调速阀，压力室在油缸推动下快速上升。当与测力计下端接近时，顺时针旋动调速阀，使油缸缓慢上升，直到测力计百分表指针微动即关机。调整测力计百分表指针为零。
5.3 将电接点压力表调至高于所需周围压力200kPa 左右，定值器旋至截止位置（反时针），其余阀门处于关闭状态。按空压机按钮，压力上升到调定压力后，自动停止。此时打开标准侧压力表开关SK5，缓缓调整定值器至所需侧压力为止（侧压力分别采用100kPa、150kPa、200kPa、250kPa）。稳定后，记录体变管读数。
5.4 逆时针旋开加压截止阀SK3，压力便自动加入压力室，可见体变管内油液面下降（表示试件压缩）。与此同时，逆时针旋开油封开关。
5.5 待侧压力稳定后（即体变管液面不动），此时记录测力计百分表读数，重新调整测力计百分表为零，并记录体变管读数。
5.6 按下油缸起动按钮，然后旋动（逆时针方向）无级调速阀到规定位置，使剪切速率为1.5mm/min。此时试件开始剪切。
5.7 剪切开始阶段，试件每产生1.0mm 的垂直变形，测记轴向压力和垂直变形、体变各一次。当应力-应变曲线接近峰值时，应适当加密读数。一般应按每产生0.5mm 的垂直变形记录一次读数。当轴向测力计百分表数读不再上升或有明显减小时，表明已出现峰值，继续测读1～2 次读数，即可停机。若没有出现峰值，则当相邻两级的应力差小于5kPa 时，即可关机。
5.8 当采用一个试件作四级侧压力的剪切试验时，侧压力由小到大，分级进行。在第一级侧压力作用下，施加轴向压力进行剪切，当轴向测力计百分表不再上升或相邻两级应力差小于5kPa 时关机。立刻施加第二级侧压力。稳定10min 后，再施加轴向压力进行剪切，当轴向测力计百分表不再上升或相邻两级应力差小于5kPa 时关机。如此继续进行第三、第四级侧压力作用下的剪切试验，直至试件剪损为止。
5.9 试验进行中，若因试件剪胀，体变管内油液面向上推至顶点时，应将内管水排除，才能继续剪切。排除内管水时，首先关闭SK3，后再开SK1，让内管水经SK1 阀排出。当内管水面达到所需的位置，再关阀SK1。待压力稳定后，再旋开SK3，继续剪切。（注意：排水时，应停止剪切，并使试件悬停于原处。）
5.10 试验进行中，若体积压缩很大，致使体变管内管油液面下降至底部。此时应先关闭SK3，后旋开SK4。水罐内压力大于周围压力，罐内水自动加入体变管内，将外管之水压回蓄能器。此时恒压系统压力升高，然后将放水阀SK2 适当旋开放气，补水到所需位置。先关闭SK4，后关闭SK2，待恒压系统压力平衡稳定后，再旋开SK3，继续剪切。（注意：在补水时，应停止剪切，并使试件悬停于原处）。
5.11 剪切试验结束后，关闭侧压力阀SK3 及油封阀。把钮子开关扳向油缸下降位置，按下油缸起动按钮，使油缸迅速下降。打开排气阀放气。打开压力室加水孔和排水孔螺帽，排除压力室内的水。卸除压力室与底座的连接螺栓。吊起压力室，揩干试件周围的余水。脱去橡皮膜，描述试件的破坏情况。卸下试件，从中部取样，测定含水率。必要时，结合含水率试验，取烘干后试样进行颗粒分析，以了解颗粒的剪损情况。
6 结果整理
6.1 计算试件的最大主应力ρ1和应变ε1
6.1.1 计算轴向荷载P：
P= CR     （T0147-4）
式中： P —— 轴向荷载（N）；
C —— 测力计校正系数（10N/0.01mm）；
R —— 测力计百分表读数（0.01mm）。
6.1.2 计算轴向应变ε1：
    △h
ε1=---------  （T 0147-5）
       h0
式中：△h—— 试件的轴向变形（cm）；
H0 ——试件的初始高度（cm）。
6.1.3 计算试件剪切过程中的体积变化△V ：
△V=△V1+△V2   （T 0147-6）
式中：△V1—— 从体变管测读的体积变化量（压缩为负，膨胀为正）（cm3）；
△V2 —— 柱塞在剪切过程中伸入压力室而引起的体积变化量（为负值）（cm3），
        πd²
△v3=-----------.△h=44.2△h   （其中柱塞直径d = 7.5cm）。
         4
6.1.4 校正后的试件截面积a A ：
h h
       V0+△V
Aa=---------------- （T 0147-7）
    h0-△h

式中： V0 —— 试件的初始体积（cm3）。
6.1.5 应力差：
            P
σ1-σ3=------------  （T 0147-8）
            Aa
式中：σ3 —— 侧压力（kPa）；
6.1.6 最大主应力σ1：
        P
σ1=----------+σ3    （T 0147-9）
        Aa
6.2 计算抗剪强度c、φ值
6.2.1 确定试件剪切破坏极限值1max  。
6.2.2 c、φ可分别采用作图法或计算法求解。
（1）作图法
以主应力为纵坐标，剪应力为纵坐标。在横坐标上，以21max3点为圆心，以21max3为半径，画莫尔圆。再作这几个莫尔圆的包线。包线的倾角即为内摩擦角 ，包线与纵坐的截距即为黏聚力c ，如图0147-3 所示。
（2）计算法
注：相关系数要求达到0.99 以上。式中：
n ——试件的个数或侧压力的级数；1max 3 bm
1max—— 各级侧压力作用时，最大主应力极限值的平均值；
3—— 四级侧压力的平均值。
6.3 本试验记录格式如表T 0147-1 和表T 0147-2。
表 T 0147-1 粗粒土大三轴试验记录（一）
工程名称              试验者
土样编号                计算者
土样说明                校核者
试验日期
试件编号试验时试件状态材料配比粗骨料70%细骨料20%质量（kg） 93.3成型条件分层击实高度h0 （cm） 59.9细粒设计相对含水率（w/wL）0.5 直径d （cm） 30加荷速度（mm/min） 1.5 面积A0 （cm2） 706.86侧压力σ3（kPa） 50→100→150→200 体积V0 （cm3） 42340.82测力计标定系数C（10N/0.01mm）11.9048 干密度ρd （g/cm3） 2.2
表 T 0147-2 粗粒土大三轴试验记录（二）轴向荷载轴向应变试件体积变化校正后面积
(cm2)应力差(102kPa)𝜎1− 𝜎2=𝑃𝐴主应力(102kPa)𝜎1测力计百分表读数(0.01mm)R轴向荷载10NP=CR百分表读数(0.01mm)Δh应变ε体变管读数(cm3)ΔV体变管读数差(cm3)Δ𝑉1= Δ𝑉1− Δ𝑉10柱塞进入压力室体积(cm3)Δ𝑉2= 44.2× Δℎ体变(cm3)ΔV0 0 -300σ3=100kPa-4=0 -660
106 1261.91 100 0.0017 –690 –390 –4.42 –394.42 701.44 1.80 2.80
168 2000.00 200 0.0033 –680 –380 –8.84 –388.84 702.71 2.85 3.85
211 2511.91 300 0.0050 –650 –350 –13.26 –363.26 704.32 3.57 4.57
239 2845.26 400 0.0067 –605 –305 –17.68 –322.68 706.19 4.03 5.03
259 3083.34 500 0.0083 –560 –260 –22.10 –282.10 708.06 4.35 5.35
274 3261.92 600 0.0100 –515 –215 –26.52 –241.52 709.94 4.59 5.59
285 3392.87 700 0.0117 –460 –160 –30.94 –190.94 711.99 4.77 5.77
294 3.500.01 800 0.0134 –410 –110 –35.36 –145.36 713.97 4.90 5.90
301 3583.35 900 0.0150 –360 –60 –39.78 –99.78 715.95 5.01 6.01
304 3619.06 1000 0.0167 –310 –10 –44.20 –54.20 717.94 5.04 6.04
σ3=150kPa304 3619.06 1015 0.0169 –555 –255 –44.86 –399.86 713.95 5.07 6.57
7 报告
7.1 土的性状描述。
7.2 土的抗剪强度指标c、Φ值。

条文说明

1 本规程列入了粗粒土大三轴压缩试验，以测定粒料材料的抗剪强度参数（c，φ），为柔性路面设计提供参数。
2 仪器轴向最大允许使用荷载为500kN，试样的最大使用侧压力为σ3=1500kPa，分别采用液压和气压作为轴向和侧向压力源。试件尺寸有两种规格，即Φ30cm×60cm和Φ30×75cm，一般多用前者，后者仅在试件压缩较大时采用，通常试件高度为直径的2—2.5倍即可。由于压力室较重，操作时需用起吊装置，如电动葫芦。测定粗粒土的抗剪强度参数时，所加荷载要比普通三轴仪大得多，因此标准测力计的量程般为100～300kN。测量轴向变形时，需用大量程（达5cm）百分表。
3 试验前应对仪器的加压系统、体变量测系统、压力室、传压活塞、橡皮膜和蓄能器水位标高等进行检查，标定无级调速阀上的刻度与油缸上升速度的关系。
4 试验用材料的最大粒径过大或过小，都不能真实反映粒料材料试验结果的可靠性。根据国内外经验，试件的最大允许粒径以不超过试件直径的1/5为宜。
对超径材料的处理，一般有三种方法：
（1）简单剔除法：剔除超径颗粒，把余下部分按100％计。但这样做的结果，改变了原样品的级配组，细粒含量相对增加，从而改变了原样品的性质。因此，这种方法只适用于超径颗粒含量很少（小于5％）的情况。
（2）几何相似法：按几何相似条件等比例将原级配缩小。这样做，虽然保持了级配的均匀系数不变，但却改变了粗细颗粒的级配组成，与原级配相比，细粒含量增加，不能模拟原样品的性质。因此，本规程未采用这种方法。
（3）等质量代换法：按仪器允许的全部粗料（从粒径为5mm至最大粒径之间的粗料）按比例等质量代换超径颗粒含量。这样，既保持了粗料的骨架作用和粗细料的含量不变，又保持粗粒级配的连续性和近似。因此，本试验采用这种方法处理超径颗粒。
按试件尺寸和设计干密度，计算试件需要的材料总质量。为使试样沿试件高度方向分布均匀和便于击实，制备试件时试样采用分层装填击实法。为防止试件在装填时发生粗细颗粒分离，各层所需的试样用量应分层备料。比较试验表明，试件成型方式不同，骨料的破碎程度亦不同，静压法的碎石破碎率要比击实法大一倍左右。因此，本试验的成型方法采用击实法。
试验证明，试料的含水率是影响试验结果的重要因素。当试料的总含水率增加1％～2％时，将降低8％～28％，c值将降低68％～97％。总含水率增加，导致细料含水率的明显改变，细料可由硬塑状态改变成软塑状态。因而如何控制试料的含水率就成为试验的主要问题。根据细料的物理特性，用相对含水率能较正确地反映细料的性质。同时还应考虑粒料材料的饱和吸水量。对粒径小于0.5mm的土，应测定其液限和塑限。粒径大于0.5mm的粒料，还应分别测定各级粒组材料的饱和吸水量。然后按试验设计含水率计算整个试件中粒料材料和土的加水量。
6 求解c、φ值时，作图法和计算法均可采用，一般宜用前者，或两者并列，以便相互校核。本试验示例结果为：作图法，c =40kPa，φ=40°；计算法，c=33kPa，φ=40.53°，r=0.9995。可见，作图法和算法所得c、φ值接近。

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