一种土体的快速三轴固结剪切试验方法

摘要

本发明是一种土体的快速三轴固结剪切试验方法，属于土工试验技术领域。本发明主要对常规三轴试验的制样方法进行了改进，采取在圆柱形试样中心设置圆柱形砂芯的方法来加快试样的排水，试验的剪切速率根据试验固结成果采用理论公式确定，并采用一种修正方法对固结及剪切过程的试验数据进行了修正，试验所得应力应变曲线及模型参数与常规方法基本一致。本发明方法克服了常规三轴剪切试验方法试验周期长的缺陷，试验所需时间大大缩短，仅是常规方法的1/4～1/2，且试验成果真实、可靠，发明方法具有非常明显的优势，可在土工试验技术领域广泛推广。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种适于粘性土、掺砾石粘土等透水性较差土体三轴固结剪切试验的方法，属于土工试验技术领域。

背景技术

对于粘性土、掺砾石粘土的三轴固结剪切试验，由于粘性土渗透系数很低、排水极慢，按常规试验方法完成一个中三轴(直径Φ＝101mm)的固结排水剪试验常需要超过7天的时间；而对于大三轴(直径Φ＝300mm)，一个试验甚至需要1个多月的时间，完成一组(4～5个样)试验需要几个月的时间，效率极低。这不仅赶不上工程需要，而且长期加压对试验设备也是个难以实现的难点。近年来，我国高土石坝建设正在迅猛发展，而众多土石坝的心墙料都采用粘土或掺砾石粘土，测定其强度变形需进行三轴试验；对掺砾石粘土，既含有一定量的砾石，又含有相当大比例的粘性土，渗透系数很低，需要进行大型或中型三轴试验。常规三轴试验方法下进行的固结排水试验周期长，难以满足要求，因而，迫切需要一种新的、快速的试验方法解决此问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述常规三轴剪切试验方法试验周期长的缺陷，提出一种适用于粘性土及掺砾石粘土三轴固结不排水剪、固结排水剪的快速试验方法，其特点在于采用砂芯圆柱样进行试验，使试验得以快速完成，试验的剪切速率根据固结成果采用理论公式确定，并采用一种修正方法对固结及剪切过程的试验数据进行了修正。这种快速试验方法宜适用于大型或中型人工击实试样的三轴固结或剪切试验。

发明内容主要为：(1)对常规三轴试验的制样方法进行了改进，采取在圆柱形试样中心设置圆柱砂芯的方法来加快试样的排水，砂芯柱体的半径小于试样半径的1/5，砂芯柱体的砂粒成分为细砂～粗砂，即砂粒粒径为0.075mm～2mm，其填筑干密度比周围土体小或接近；(2)试验的剪切速率v(单位：cm/s)由公式v＝l/t_f确定，式中，l为试样的剪切距离(单位：cm)，t_f为试验剪切历时(单位：s)，t_f按照公式t_f＝20h²/(ηC_v)取值，其中，h为试样排水距离(单位：cm)，η为取决于排水条件的系数，当试样为一端排水η＝0.75，两端排水η＝3.0，C_v为试样消散系数(单位：cm²/s)；(3)在三轴试验的数据整理中，对试样高度、面积及排水量进行了修正，修正按照等应变方法且只针对试样的土体部分进行，其中，土体高度为土体体积与土体面积之比，土体面积为试样总横截面面积减去中心砂柱横截面面积后的面积，土体体积为总体积减去中心砂柱体积后的体积，土体部分的排水量为总排水量与砂芯部分排水量之差，试验过程认为土体与砂芯两者的排水量与各自的体积成正比。经过修正，得到的应力应变曲线及模型参数与常规试验基本一致。

本发明的优点：该方法避免了粘性土、掺砾粘土试样固结慢、剪切时间长的不利方面，保证了试验过程试样的充分固结及孔隙水压力的充分消散，同时也保证了测试精度和试验结果的可靠性。而其试验时间仅是传统试验的1/4～1/2。

附图说明

附图1是按本发明制样后的试样示意图。

附图2是制样干密度ρ_d＝2.04g/cm³、中型三轴CD试验下，本发明与常规方法的固结曲线V-logt成果对比图。

附图3是制样干密度ρ_d＝2.08g/cm³、大型三轴CD试验下，本发明与常规方法的固结曲线V-logt成果对比图。

附图4是制样干密度ρ_d＝2.04g/cm³、中型三轴CD试验下，本发明与常规方法的(σ₁-σ₃)-ε₁成果对比图。

附图5是制样干密度ρ_d＝2.04g/cm³、中型三轴CD试验下，本发明与常规方法的ε_v-ε₁成果对比图。

附图6是制样干密度ρ_d＝2.08g/cm³、大型三轴CD试验下，本发明与常规方法的(σ₁-σ₃)-ε₁成果对比图。

附图7是制样干密度ρ_d＝2.08g/cm³、大型三轴CD试验下，本发明与常规方法的ε_v-ε₁成果对比图。

具体实施方式

对照附图1，图中所示为按照本发明方法制成的一个中心部位含圆柱形砂芯的试样。图中所示，试样由圆柱形砂芯1和空心圆柱形的待试验土体2组成。

对照附图2、附图3，图2、图3分别为中三轴ρ_d＝2.04g/cm³、大三轴ρ_d＝2.08g/cm³的CD试验下本发明方法与常规方法的固结曲线V-logt成果对比图。图示表明，本发明方法试样的固结速度明显比常规方法试样快。取固结曲线发生拐点时的时间进行对比，中三轴试验下，常规方法试样固结所需时间约为100min，而本发明方法的试样固结时间仅为10min，后者为前者的1/10；大三轴试验下，常规方法试样固结所需时间约为4000min，而本发明方法的试样固结时间仅为300min，后者为前者的1/13；由此说明，本发明方法的试样快速排水效果明显，试样固结完成时间大大缩短。根据公式v＝l/t_f和t_f＝20h²/(ηC_v)，本发明方法的剪切速率可达到常规方法的2～4倍，发明方法的试验得以快速完成。

对照附图4、附图5，图4、图5分别为中三轴CD试验(制样干密度2.04g/cm³)下本发明方法与常规方法的(σ₁-σ₃)-ε₁和ε_v-ε₁成果对比图(图中数据均已经过修正方法修正)。图示表明，在4个围压(σ₃＝200kPa、500kPa、800kPa、1200kPa)下，本发明方法试样的(σ₁-σ₃)-ε₁和ε_v-ε₁曲线与常规方法基本一致。

对照附图6、附图7，图中所示分别为大三轴CD试验(制样干密度2.08g/cm³)下本发明方法与常规方法的(σ₁-σ₃)-ε₁和ε_v-ε₁成果对比图(图中数据均已经过修正方法修正)。图示表明，在4个围压(σ₃＝500kPa、1200kPa、1800kPa、2500kPa)下，本发明方法试样的(σ₁-σ₃)-ε₁和ε_v-ε₁曲线与常规方法基本一致。

实施例1

对于中三轴Φ₁₀₁(试样直径为101mm、高度为200mm)固结排水剪试验，分别按照常规方法和本发明方法各自制作了一组(4个样)掺砾粘土的试样，试验所用土料采用粘土料与砾石料按1∶1混合而成的掺砾料，其中，粘土料是对某土料筛去>5mm颗粒后的土料，砾石料级配为：10～20mm的颗粒占52％，5～10mm的颗粒占31％，<5mm的颗粒占17％。4个试样的制样干密度均为2.04g/cm³，含水率均为8.5％，试验围压分别为200kPa、500kPa、800kPa和1200kPa。其中，本发明方法的试样中心填充一条直径为13.2mm、高度为200mm的圆柱形砂芯，所填砂粒粒径为1～2mm，砂芯密度为1.6g/cm³。

由附图2，本发明方法试样排水固结达到稳定所需时间约是常规方法的1/10，根据公式v＝l/t_f和公式t_f＝20h²/(ηC_v)计算可得，本发明方法的试验剪切速率约为常规方法的3倍，试验时间大大缩短。

由附图4和附图5可知，本发明方法试验所得(σ₁-σ₃)-ε₁和ε_v-ε₁曲线与常规方法基本一致，相对误差最大不超过7％。

两种方法得到的Duncan-Chang模型参数示于表1，由表1可见，两种方法试验得到的内摩擦角值基本相等，其它模型参数也相差不大。

比较分析说明，与常规方法相比，本发明方法具有比较明显的优势，其试验过程固结排水快、试验完成时间短，所得成果与常规方法基本一致。

实施例2

对于大三轴Φ₃₀₀(试样直径为300mm、高度为600mm)固结排水剪试验，分别按照常规方法和本发明方法各自制作了一个掺砾粘土的试样，试验所用土料采用粘土料与砾石料按1∶1混合而成的掺砾料，其中，粘土料是对某土料筛去>5mm颗粒后的土料，砾石料级配为40～60mm的颗粒占23.75％，20～40mm的颗粒占33.25％，10～20mm的颗粒占20.78％，5～10mm的颗粒占17.22％，<5mm的颗粒占5％。4个试样的制样干密度均为2.08g/cm³，含水率均为8.5％，试验围压分别为500kPa、1200kPa、1800kPa和2500kPa。其中，本发明方法的试样中心填充一条直径为33.7mm、高度为600mm的圆柱形砂芯，所填砂粒粒径为0.25～1.0mm，砂芯密度为1.80g/cm³。

由附图3，本发明方法的试样排水固结达到稳定所需时间约是常规方法的1/13，根据公式计算，试样剪切时其剪切速率约为常规方法的3倍。

由附图6和附图7可知，本发明方法试验所得(σ₁-σ₃)-ε₁和ε_v-ε₁曲线与常规方法基本一致，相对误差最大不超过7％。

两种方法所得Duncan-Chang模型参数示于表2，由表2，两种方法试验得到的内摩擦角值基本相等，粘聚力c值相差不大，其它模型参数也基本一致。

大三轴对比试验表明，与常规方法相比，本发明方法试验过程固结排水快、试验完成时间短，表现出较大的优越性，其试验成果与常规方法基本一致。

以上各例证明，本发明方法消除了粘性土、掺砾粘土常规试验固结慢、剪切时间长的不利方面，尤其对大体积试样，保证了试样的快速固结及孔隙水压力的快速消散，同时也保证了测试精度和试验结果的可靠性。

表1 中三轴掺砾50％，ρ_d＝2.04g/cm³ CD试验Duncan-Chang模型参数

注：相对误差指两组数据差值的绝对值占常规方法数据绝对值的百分比。表2同此。

表2 大三轴掺砾50％，ρ_d＝2.08g/cm³CD试验Duncan-Chang模型参数