薄弱层面剪切强度特性的三轴测试方法

摘要

薄弱层面剪切强度特性的三轴测试方法，试验设备采用三轴剪切仪，通过特定的试样制备方法实现测试目的：(1)试样制备-1：在含有薄弱层面原状土样上沿垂直方向的45度夹角切取土柱；(2)试样制备-2：将土柱削成规定的直径；(3)取出试样，按规定的高度将两端削平、称量；并取余土测定含水率；(4)试样饱和；(5)进行试验；(6)数据分析：以法向应力σ为横坐标，剪应力τ为纵坐标；将不同围压条件下得到的正应力σn与破坏剪切应力τn(，)，相连直线的倾角为内摩擦角φ，直线上纵轴上的截距为粘聚力C；得到检测结果。本发明特殊的土样制备方法和分析方法，保证了薄弱层面上剪切应力与应变的均匀性，有效地解决了直剪仪试验中的主要问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测试方法，具体涉及一种薄弱层面剪切强度特性的三轴测试方法。

背景技术

岩土薄弱层面是岩土工程破坏中最常见的原因之一。掌握了解薄弱层面的剪切力学强度特性往往成为解决这类问题的关键。然而准确地测试岩土材料薄弱层面剪切力学强度却没有很好地解决，目前国内外常用的方法是直剪仪试验。但直剪仪试验方法存在几个较为关键的问题，一.通过钢环强行控制剪切面的位置；二.试样的剪切应力沿剪切面不均匀；三.沿剪切面剪切应变不均匀；四.不能控制排水条件；五.剪切过程中主应力方向发生偏转变化。由此，试验结果往往分散较大，影响结果的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种薄弱层面剪切强度特性的三轴测试方法。该方法的特点是利用三轴试验中土样受力变形的特点提出来的，即采用特殊的土样制备方法，把薄弱层面放在三轴试验的最大剪切面上，使三轴仪产生的最大剪应力恰好作用在薄弱层面上，通过最大受力条件的自然选择，使滑动破坏沿薄弱层面展开，而且在平衡条件的保证下，滑动面上的剪应力与法向应力均匀一致。与直剪仪的钢环推动不同，三轴试验时土样外只有一层橡皮膜，不会产生剪切变形不均匀的问题。从而保证了薄弱层面上剪切应力与剪切应变的均匀性，另外三轴仪的排水条件是可以控制的，这样就有效地解决了直剪仪试验中的主要问题。

完成上述发明任务的方案是，一种薄弱层面剪切强度特性的三轴测试方法，其特征在于，试验设备采用三轴剪切仪，通过特定的试样制备方法，实现测试目的，测试步骤如下：

(1).试样的制备-1

在含有薄弱层面原状土样上，沿与该薄弱层面垂直方向的45度夹角，切取土柱，使薄弱层面与土柱的轴向成45度夹角；

所述步骤(1)中的“45度夹角，切取土柱”构成本方法中“特定的试样制备方法”。

(2).试样的制备-2

将步骤(1)得到的土柱削成规定的直径；

(3)、取出试样，按规定的高度将两端削平、称量；并取余土测定试样的含水率；

(4)、试样饱和；

一股可采用抽气饱和法。视试样本身及工程要求，决定试样是否进行饱和，如不立即进行试验和饱和时，宜将试样暂存于保湿缸内。

(5).进行试验，试验步骤包括：

(5)-1在压力室底座上依次放上不透水板、试样、不透水板和试样帽，在试样外套上橡皮膜，并将橡皮膜两端与底座及试样帽用橡皮圈扎紧；放上压力罩，将活塞对准试样中心，并均匀地拧紧底座连接螺母；向压力室内注满纯水，拧紧排气孔，并将活塞对淮测力计和试样顶部。

(5)-2施加周围压力，其大小应与工程实际荷载相适应；

(5)-3转动手轮并转动活塞，当测力计有微读数时，表示活塞与试样帽接触，将测力计和轴向位移计读数调至零位；

(5)-4选择剪切应变速率，启动马达，合上离合器，开始剪切。试样每产生0.2～0.3％的轴向应变测记一次测力计和轴向变形值。当测力计读数出现峰值时，剪切应继续进行到轴向应变为15％～20％；

(5)-5试验结束，关电动机，关周围压力阀，打开排气孔，排除压力室内的水，拆除试样，称量、测定试样含水率；

(6).数据分析

以法向应力σ为横坐标，剪应力τ为纵坐标。将不同(一股应大于4组)围压条件下得到的正应力σ_n与破坏剪切应力τ_n()，用直线相连，该直线的倾角为内摩擦角φ，直线上纵轴上的截距为粘聚力C；以此得到检测结果。

更优化和更具体地说，本发明的具体操作步骤是：

(1).试样的制备-1

取含有薄弱层面原状土样，先用钢丝锯沿薄弱层面的垂直方向切取一厚度为50mm～60mm的土块，用三角板画出与薄弱层面夹角为45度的平行线，线间距为50mm～60mm左右，沿画好的线，用钢丝锯切取一50×50×125mm的土柱；

(2).试样的制备-2

将土柱放在切土盘上下圆盘之间，用钢丝锯或切土刀紧靠侧板，由上往下细心切削，边切削边转动圆盘，直至土样被削成规定的直径为止，切削时应避免扰动；

(3).取出试样，按规定的高度将两端削平、称量；并取余土测定试样的含水率；试样的两端面应平整，互相平行，侧面垂直，上下均匀；

(4).试样饱和；

一股可采用抽气饱和法。视试样本身及工程要求，决定试样是否进行饱和，如不立即进行试验和饱和时，宜将试样暂存于保湿缸内。

(5).试验步骤包括：

(5)-1在压力室底座上依次放上不透水板、试样、不透水板和试样帽，在试样外套上橡皮膜，并将橡皮膜两端与底座及试样帽用橡皮圈扎紧。放上压力罩，将活塞对准试样中心，并均匀地拧紧底座连接螺母。向压力室内注满纯水，拧紧排气孔，并将活塞对淮测力计和试样顶部。

(5)-2施加周围压力，其大小应与工程实际荷载相适应；

(5)-3转动手轮并转动活塞，当测力计有微读数时，表示活塞与试样帽接触，将测力计和轴向位移计读数调至零位。；

(5)-4选择剪切应变速率，启动马达，合上离合器，开始剪切。试样每产生0.2～0.3％的轴向应变测记一次测力计和轴向变形值；当测力计读数出现峰值时，剪切应继续进行到轴向应变为15％～20％；

(5)-5试验结束，关电动机，关周围压力阀，打开排气孔，排除压力室内的水，拆除试样，称量、测定试样含水率；

(6)、数据分析，

以法向应力σ为横坐标，剪应力τ为纵坐标。将不同(一股应大于4组)围压条件下得到的正应力σ_n与破坏剪切应力τ_n()，用直线相连，该直线的倾角为内摩擦角φ，直线上纵轴上的截距为粘聚力C；以此得到检测结果。

本发明的检测方法是采用：薄弱面层面与加力方向呈45度角。通过测试薄弱斜面上正应力σ_n与剪切应力τ_n，得出薄弱层面的强度参数c、φ值。

以上方法的工作原理是：

土的剪应力与法向应力之间的关系可以用库仑方程表示为：

τ＝C+σ_ntgφ

式中：τ_n、σ_n分别为作用在某一面上的剪应力与法向应力。在三轴试验中，它们与大主应力σ₁、小主应力σ₃及该斜面与大主应力的夹角α有如下的关系：

$\left(\begin{array}{c}{\sigma }_n=\frac{1}{2}({\sigma }_1+{\sigma }_3)+\frac{1}{2}({\sigma }_1-{\sigma }_3)\cos 2\alpha \\ {\tau }_n=\frac{1}{2}({\sigma }_1-{\sigma }_3)\sin 2\alpha \end{array}\right)$

当薄弱层面与大主应力的倾角α为45度时，在薄弱层面上

${\sigma }_n=\frac{1}{2}({\sigma }_1+{\sigma }_3)\}$

${\tau }_n=\frac{1}{2}({\sigma }_1-{\sigma }_3)$

可以看出，本发明的方法，使最大剪应力作用在薄弱层面上，最大化地发挥了作用力的效力，计算分析简单明了。

根据不同围压条件下得到的正应力σ_n与破坏剪切应力τ_n，分别点在坐标图上，用直线相连诸点，该直线的倾角为内摩擦角φ，直线上纵轴上的截距为粘聚力C。

本发明采用特殊的土样制备方法，使薄弱层面与土柱的轴向成45度夹角，之前无方法；同时采用相应的分析方法，比原来的摩尔园方法更为简单。本发明与直剪仪的钢环推动不同，三轴试验时土样外只有一层橡皮膜，不会产生剪切变形不均匀的问题。从而保证了薄弱层面上剪切应力与剪切应变的均匀性，另外三轴仪的排水条件是可以控制的，这样就有效地解决了直剪仪试验中的主要问题。

具体实施方式

实施例，薄弱层面剪切强度特性的三轴测试方法，试验方法：

试样直径与常规三轴试验相同，一股采用的试样直径为φ35mm，试样高度为试样直径的2-2.5倍。

试样的制备

(1).取含有薄弱层面原状土样，先用钢丝锯沿薄弱层面的垂直方向切取一厚度为50mm-60mm的土块，用三角板画出与薄弱层面夹角为45度的平行线，线间距为50mm-60mm左右，沿画好的线，用钢丝锯切取一50×50×125mm的土柱。

(2).将土柱放在切土盘上下圆盘之间，用钢丝锯或切土刀紧靠侧板，由上往下细心切削，边切削边转动圆盘，直至土样被削成规定的直径为止，切削时应避免扰动。

(3).取出试样，按规定的高度将两端削平、称量。并取余土测定试样的含水率。试样的两端面应平整，互相平行，侧面垂直，上下均匀。

(4).试样饱和。

一股可采用抽气饱和法。视试样本身及工程要求，决定试样是否进行饱和，如不立即进行试验和饱和时，宜将试样暂存于保湿缸内。

(5).试验步骤。

(5)-1在压力室底座上依次放上不透水板、试样、不透水板和试样帽，在试样外套上橡皮膜，并将橡皮膜两端与底座及试样帽用橡皮圈扎紧。放上压力罩，将活塞对准试样中心，并均匀地拧紧底座连接螺母。向压力室内注满纯水，拧紧排气孔，并将活塞对淮测力计和试样顶部。

(5)-2施加周围压力，其大小应与工程实际荷载相适应。

(5)-3转动手轮并转动活塞，当测力计有微读数时，表示活塞与试样帽接触，将测力计和轴向位移计读数调至零位。

(5)-4选择剪切应变速率，启动马达，合上离合器，开始剪切。试样每产生0.2-0.3％的轴向应变测记一次测力计和轴向变形值。当测力计读数出现峰值时，剪切应继续进行到轴向应变为15％-20％。

(5)-5试验结束，关电动机，关周围压力阀，打开排气孔，排除压力室内的水，拆除试样，称量、测定试样含水率。

(6).数据分析

以法向应力σ为横坐标，剪应力τ为纵坐标。将不同(一股应大于4组)围压条件下得到的正应力σ_n与破坏剪切应力τ_n()，用直线相连，该直线的倾角为内摩擦角φ，直线上纵轴上的截距为粘聚力C；以此得到检测结果。