防止直剪試驗剪切盒傾斜的方法及初步驗證

董均貴,呂海波,鄭謹(jǐn)瑩

(1桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2桂林理工大學(xué)研究生院，廣西 桂林 541004;3桂林理工大學(xué) 管理學(xué)院，廣西 桂林 541004)

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防止直剪試驗剪切盒傾斜的方法及初步驗證

董均貴1,呂海波2,鄭謹(jǐn)瑩3

(1桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2桂林理工大學(xué)研究生院，廣西 桂林 541004;3桂林理工大學(xué) 管理學(xué)院，廣西 桂林 541004)

受直剪儀自身缺陷的影響，常規(guī)試驗試樣剪切過程中剪切盒會發(fā)生傾斜。對比研究剪切盒傾斜與不傾斜狀態(tài)下的抗剪強度,提出一種防止剪切過程中剪切盒傾斜的方法，對不同干密度和不同含水率試樣進(jìn)行直剪試驗，將試驗結(jié)果與常規(guī)試驗下的抗剪強度進(jìn)行對比分析。結(jié)果為：相同含水率下，抗剪強度隨干密度的增大而增大；相同干密度下，抗剪強度隨含水率增加而減??；2種試驗條件下抗剪強度曲線走勢一致，防止剪切盒傾斜條件下抗剪強度、內(nèi)摩擦角和粘聚力均高于常規(guī)試驗條件下的試驗結(jié)果。防止剪切盒傾斜方法增加了豎向荷載，導(dǎo)致抗剪強度偏高；防止剪切盒傾斜的試驗方法操作簡單、結(jié)果具有可靠性，為不同研究結(jié)果的對比提供相同試驗條件，具有一定的實用價值。

直剪儀；傾斜；限制傾斜；抗剪強度；豎向應(yīng)力

杠桿式直剪儀在土的抗剪強度試驗中被廣泛使用，由于直剪儀本身的缺陷，試驗過程中豎向壓力Fv并不是始終垂直于剪切面，而是與垂直方向存在一個夾角a，而且隨著豎向壓力Fv的增加，夾角a也隨之增大，這樣得出的抗剪強度與理論強度值偏差較大。諸多學(xué)者對減小直剪試驗誤差、改善試驗合理性做了大量研究。趙曉彥[8]等學(xué)者進(jìn)行了相同土樣三軸試驗強度與直剪試驗強度的對比，針對直接快剪試驗得到的土體抗剪強度參數(shù)(c、Φ)明顯高于三軸試驗結(jié)果的現(xiàn)象進(jìn)行了分析研究，認(rèn)為直剪試驗過程中法向力與剪切力不是始終保持垂直狀態(tài)，引起試樣的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致了抗剪強度參數(shù)偏高。詹金林[9]等學(xué)者注意到直剪試驗過程中有效剪切面積是隨剪切的進(jìn)行而減小的，并從理論上分析了有效剪切面積減小對剪切強度的影響，而現(xiàn)行規(guī)范推薦的計算方法并未考慮有效剪切面積減小因素，因此認(rèn)為現(xiàn)行直剪試驗的數(shù)據(jù)分析方法低估了土體的抗剪強度。劉海波等[10]根據(jù)直剪試驗過程中剪切面的變化，對剪切強度計算方法進(jìn)行了改進(jìn)，并與改進(jìn)前的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)合試驗實測數(shù)據(jù)驗證該改進(jìn)方法的可行性，結(jié)果顯示目前計算方法得到的抗剪強度明顯偏高。董云[11]等為分析直剪過程中剪切面積與抗剪強度的關(guān)系，借助剪切位移測量系統(tǒng)對直剪儀進(jìn)行改進(jìn)，考慮了豎向應(yīng)力偏心及顆粒運動引起剪切面起伏面積，分析建立新的計算模型，在一定程度上提高了直剪試驗精度。余凱[12]等利用單點面積修正和多點面積修正對直剪試驗過程中豎向應(yīng)力和剪切面積進(jìn)行修正處理，得到強度指標(biāo)高于未作修正的強度指標(biāo)。

上述研究大多是從理論角度分析證明誤差的存在性，尚未有直剪過程中剪切盒不發(fā)生相對傾斜和發(fā)生傾斜2種狀態(tài)下的試驗數(shù)據(jù)對比，對于不發(fā)生傾斜的剪切試驗缺少相關(guān)研究?；诖?，本文介紹了一種防止直剪試驗過程中上下剪切盒相對傾斜的方法，借助該方法進(jìn)行直剪試驗，對比分析了2種狀態(tài)下土體抗剪強度指標(biāo)間的關(guān)系。

1 試驗裝置及方法介紹

1.1 防止剪切盒傾斜方法

本方法是一種防止直剪試驗中上下剪切盒相對傾斜的方法，以解決上述引言中提出的問題，提高直剪試驗精度，改善試驗合理性，方便不同研究結(jié)果的對比。目前該方法已在申請國家發(fā)明專利，申請?zhí)枮椋?01610337267.9。

本方法需要對上剪切盒和蓋板進(jìn)行改造，并借助一個固定架(見圖1、圖2)來實現(xiàn)的，固定架由固定桿、軸承組成，軸承下表面與上剪切盒上緣光滑接觸，固定桿與直剪儀底板用螺栓剛性固定。將上下剪切盒與直剪儀底板之間在豎向固定，由于軸承可以自由轉(zhuǎn)動，使剪切盒可以發(fā)生水平方向位移。直剪試驗過程中，當(dāng)上剪切盒向上傾斜時就會受到軸承的豎向約束力，軸承不能發(fā)生豎向位移，因此剪切盒不會發(fā)生豎向傾斜。如果剪切過程中上剪切盒沒有向上傾斜的趨勢則不會受到軸承的豎向約束力。另外，對上剪切盒加高至約45 mm，增加蓋板的厚度至約35 mm，使蓋板在上剪切盒內(nèi)接觸良好，不會發(fā)生傾斜，防止直剪過程中試樣偏壓變形。本方法在使用時按試驗規(guī)程安裝直剪試樣，施加對應(yīng)的豎向壓力，移動固定桿至軸承下邊緣與上剪切盒剛好接觸，將固定桿與直剪儀底板固定，即可開始剪切試驗。

本方法中裝置材料簡單廉價、操作簡便、受力合理，能有效解決直剪試驗中上下剪切盒相對傾斜問題，有利于提高試驗精度，方便不同試驗結(jié)果對比。

圖1 固定架主視圖 圖2 固定架俯視圖

注：1-下剪切盒； 2-上剪切盒；3-軸承；4-固定桿；5-直剪儀底板；6-蓋板； 7-試樣。

1.2 直剪試驗方案設(shè)計

本試驗用土為取自廣西南寧市郊區(qū)的灰白色弱膨脹土，其主要特性參數(shù)見表1。

表1 南寧膨脹土特性參數(shù)

先配置設(shè)計含水率的土樣，采用靜壓制樣方式按設(shè)計干密度制樣，干密度分別設(shè)為1.4,1.6，1.8，含水率分別設(shè)為13%，16%，19%。設(shè)計3個不同干密度值與3個不同含水率值的交叉組合，共9種工況組合。由于試驗用土滲透系數(shù)小于106cm/s，參照《公路土工試驗規(guī)程》JTG E40-2007[13]相關(guān)規(guī)定，采用不固結(jié)不排水快剪試驗，剪切速率為0.8 mm/min,試樣在3～5 min內(nèi)剪切破壞。首先使用普通杠桿式直剪儀進(jìn)行允許上下剪切盒相對傾斜的直剪試驗，每個試樣破壞后，用精度為0.5 mm的鋼直尺測量上下剪切盒最大豎向相對位移值。然后利用上述1.1中的改進(jìn)裝置進(jìn)行防止上下剪切盒相對傾斜的直剪試驗，將2種條件下的直剪試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

2 直剪試驗

試驗前檢查直剪儀是否正常，標(biāo)定測力環(huán)。選取4個密度差不大于0.03 g/cm3的環(huán)刀試樣，按規(guī)程要求安裝好試樣，調(diào)節(jié)傳力桿處于水平狀態(tài)，施加豎向荷載后，立即開動直剪儀進(jìn)行直剪試驗。豎向應(yīng)力分別為100,200,300,400 kPa共4級荷載。試樣剪切試驗的實施方法及標(biāo)準(zhǔn)均嚴(yán)格按公路土工試驗規(guī)程(JTG E40—2007)執(zhí)行。剪切速度為0.8 mm/min，采集并處理試驗數(shù)據(jù)，剪切應(yīng)力峰值即為該級荷載下的抗剪強度。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 直剪試驗結(jié)果

回歸分析的最小二乘法是處理試驗數(shù)據(jù)誤差較小的方法[14]。以Excel為工具，借助最小二乘法對其抗剪強度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，允許剪切盒傾斜條件下直剪試驗強度參數(shù)見表2，限制剪切盒傾斜條件下直剪試驗強度參數(shù)見表3。

由表2可知，常規(guī)杠桿式直剪儀在試驗過程中上下剪切盒會發(fā)生不同程度的相對傾斜，其塑性豎向相對位移最大可達(dá)5.25 mm，嚴(yán)重影響試驗結(jié)果的可靠性。不同干密度與不同含水率交叉組合條件下，剪切盒豎向相對位移值波動較大，從而導(dǎo)致實際有效剪切面積存在差異。另外，由于試驗操作的差異性，不同試驗人員得到的上下剪切盒豎向相對位移也會有區(qū)別，因此在使用常規(guī)杠桿式直剪儀的前提下，對不同研究人員的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比統(tǒng)計分析往往比較困難。本文介紹的防止直剪試驗中上下剪切盒相對傾斜的方法，可以有效地限制試驗過程中上下剪切盒發(fā)生相對位移，為不同研究人員試驗數(shù)據(jù)的對比提供一個相同的試驗條件。根據(jù)表2、表3的試驗結(jié)果可以整理得出2種試驗條件下具有相似的剪切強度與含水率變化曲線(圖3～圖5)。由圖3～圖5可知在干密度一定的條件下，隨著含水率的增加，強度逐漸減小,這與已有研究結(jié)論[15]相同。分析原因是，含水率的增加導(dǎo)致土顆粒的水膜變厚，顆粒之間有隔離的趨勢，孔隙壓力增大，有效應(yīng)力減小，從而導(dǎo)致強度降低。強度與干密度的關(guān)系曲線分別如圖6～圖8所示。一定含水率條件下，隨著干密度的增大，強度也相應(yīng)增大。因為在含水率相同條件下，干密度越大，試樣中土顆粒的含量越大，顆粒直剪越緊密，剪切破壞時需要克服的阻力就越大，因而剪切強度越大。

表2 允許剪切盒傾斜條件下直剪試驗強度參數(shù)

表3 限制剪切盒傾斜條件下直剪試驗強度參數(shù)

圖3ρd=1.4強度曲線 圖4ρd=1.6強度曲線 圖5ρd=1.8強度曲線

圖6ω=13%強度曲線 圖7ω=16%強度曲線 圖8ω=19%強度曲線

3.2 強度參數(shù)變化規(guī)律

根據(jù)表2、表3，以直剪試驗過程中豎向應(yīng)力為橫坐標(biāo)，以試樣剪切破壞時的剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，繪制τ-σ直線，直線的傾角為土的內(nèi)摩擦角Φ，直線在縱坐標(biāo)軸上的截距為土的粘聚力c。試樣破壞應(yīng)力隨豎向應(yīng)力的變化關(guān)系分別如圖9～圖17所示。

從圖9～圖17中可以看出，各組直剪試驗數(shù)據(jù)線性相關(guān)性良好，2種剪切條件下強度曲線走勢相同，數(shù)據(jù)可靠性較高。使用本文介紹的防止直剪試驗中上下剪切盒相對傾斜的方法得到的試驗結(jié)果，與常規(guī)直剪試驗結(jié)果具有良好的一致性，也證明了該試驗方法具有可行性。限制剪切盒發(fā)生傾斜條件下的剪切強度明顯都高于未限制剪切盒傾斜條件下的剪切強度。不同的含水率和不同干密度條件下，限制剪切盒傾斜對強度提高程度不同。在干密度較小時(ρd=1.4)，出現(xiàn)c值為負(fù)值的情況。分析原因認(rèn)為，制樣過程中試樣不能保證完全均勻，一組試樣的4個試樣存在軟硬程度上的差異，當(dāng)試驗順序正好是軟、軟、硬、硬時，就容易出現(xiàn)直剪曲線Φ值偏高、c值為負(fù)值的情況。粘聚力隨干密度變化曲線如圖18所示。

圖9ω=13%，ρd=1.4 圖10ω=13%，ρd=1.6 圖11ω=13%，ρd=1.8

圖12ω=16%，ρd=1.4 圖13ω=16%，ρd=1.6 圖14ω=16%，ρd=1.8

圖15ω=19%，ρd=1.4 圖16ω=19%，ρd=1.6 圖17ω=19%，ρd=1.8

參考圖9～圖18，結(jié)合表2、表3可知：無論是傾斜條件還是限制傾斜條件，在給定含水率下，干密度越大，粘聚力值c越大。干密度越大說明土顆粒所占的比重越大，靜壓制樣過程中需要施加一定壓力，荷載作用下土體發(fā)生一定程度固結(jié)，顆粒間距減小。當(dāng)相鄰兩顆?？拷揭欢ǔ潭葧r，雙電層重疊，形成公共結(jié)合水膜，通過陽離子將兩顆粒相互吸引，增加了顆粒間的粘聚力。另外，顆粒間距的減小，也有利于顆粒接觸點間形成一些化合健，對提高粘聚力也有一定作用。而在干密度一定的條件下，隨著含水率的變化，粘聚力c值沒有顯著的變化。對于內(nèi)摩擦角Φ值而言，干密度一定時，隨含水率的增大而呈減小趨勢。含水率增大，土顆粒間的水膜增厚，顆粒間相互滑動的阻力減小。當(dāng)含水率較低時(13%)，Φ值隨干密度的增大而增大；當(dāng)含水率較高時(16%，19%)，隨著干密度的增大，Φ值先表現(xiàn)為輕微的增加然后大幅降低。出現(xiàn)Φ值先升后降的現(xiàn)象，是因為試驗所用土為膨脹土，當(dāng)含水率較低時，膨脹土的膨脹性表現(xiàn)尚不明顯，因此表現(xiàn)出與普通粘土相似的性質(zhì)，即隨干密度增大，內(nèi)摩擦角增大；而當(dāng)含水率增大到一定值時，膨脹土的膨脹性充分表現(xiàn)出來，通過晶層擴張使顆粒間水膜急劇增厚，Φ值隨之減小。

3.3 2種剪切條件下強度參數(shù)對比分析

限制剪切盒傾斜和未限制剪切盒傾斜2種條件下Φ值對比曲線如圖19所示。從圖19可以看出不傾斜條件下的Φ值高于傾斜條件下的Φ值，其中因試驗誤差原因出現(xiàn)少數(shù)2個點的Φ值波動。對于粘聚力指標(biāo)(圖20)，限制傾斜條件下的c值均高于傾斜條件下的c值。

常規(guī)直剪試驗試樣受力如圖21所示，限制傾斜直剪試驗試樣受力如圖22所示。分析認(rèn)為：相比與常規(guī)直剪試驗，防止直剪試驗中上下剪切盒相對傾斜的方法中試樣的受力存在一定差別(圖22)。

2種剪切條件下，試樣都受到豎向荷載Fv和水平剪切荷載Fh、測力環(huán)提供的水平荷載Fh1。而在限制上下剪切盒相對傾斜的試驗方法中，當(dāng)上剪切盒有向上傾斜的趨勢時，固定架上的軸承就會提供一個向下的約束力Fv1。豎向約束力Fv1一方面減弱了杠桿式直剪儀帶來的試樣偏壓程度，另一方面增加了豎向荷載，使上下剪切盒直剪的摩擦力增大。另外，當(dāng)試樣發(fā)生剪切位移后，豎向約束力Fv1通過上剪切盒部分轉(zhuǎn)加在試樣上，導(dǎo)致粘聚力和內(nèi)摩擦角比常規(guī)直剪試驗數(shù)據(jù)偏高。

雖然2種剪切條件下抗剪強度指標(biāo)存在差異，但是數(shù)據(jù)變化走勢相同，且偏差正負(fù)性高度一致，這也證明了本文介紹的防止直剪試驗中上下剪切盒相對傾斜的方法的可行性。

4 結(jié)束語

1)干密度和含水率對強度有重要影響，含水率一定的條件下，強度隨干密度的增大而增大；給定干密度下，含水率越高，強度越低。

2)常規(guī)杠桿式直剪儀試驗過程中上下剪切盒會發(fā)生顯著的相對傾斜，其傾斜角度大小與試樣干密度、試驗含水率和剪切豎向應(yīng)力有關(guān)；不同試驗人員操作的差異也會影響上下剪切盒的相對傾斜角度。防止直剪試驗中上下剪切盒相對傾斜的方法，能有效限制直剪試驗中上下剪切盒相對傾斜，減小試驗誤差，方便不同人員進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)的對比。

3)采用防止直剪試驗中上下剪切盒相對傾斜的方法，試驗結(jié)果與常規(guī)直剪試驗結(jié)果一致性良好，強度及c、Φ值的變化規(guī)律是相似的，試驗數(shù)據(jù)規(guī)律明顯，證明該方法具有可行性，可進(jìn)一步研究和運用。

4)使用防止直剪試驗中上下剪切盒相對傾斜的方法進(jìn)行試驗，試樣的豎向荷載存在一定程度的增加，其粘聚力和內(nèi)摩擦角比常規(guī)直剪試驗結(jié)果偏高。

5)本文的研究僅僅是從機械構(gòu)造角度進(jìn)行改進(jìn)，限制了直剪試驗過程中上下剪切盒的相對傾斜，提供了一個較為可靠的共同試驗條件。對于如何從根本上解決直剪過程中試樣豎向荷載偏壓的問題，筆者也嘗試借鑒原位測試方法對室內(nèi)直剪試驗進(jìn)行改進(jìn)，具體實現(xiàn)方法仍有待進(jìn)一步深入研究。

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(責(zé)任編輯 吳鴻霞)

Method and Preliminary Verification for Preventing Shear Box Tilt of Direct Shear Test

DongJungui1，LvHaibo2,ZhengJinying3

(1School of Civil Engineering,Guilin University of Technology,Guilin Guangxi 541004;2Graduate School,Guilin University of Technology,Guilin Guangxi 541004;3School of Management,Guilin University of Technology,Guilin Guangxi 541004)

Influenced by the defects of the direct shear apparatus,the shear boxes tilts in the process of the conventional test.The shear strength under the condition of tilted and non tilted was studied.This paper presented a method to avoid the tilt of the shear boxes in the shearing process,direct shear tests were done in different dry density and moisture content,and the results have been compared with that analyzed by conventional test.The shear strength increased with the increase of dry density under the same moisture content. At the same dry density,shear strength decreased while the moisture content increased; The shear strength curved under two different kinds of shear conditions coincided well with each other.Strength parameters(angle of internal friction and cohesion values) under the condition of preventing tilt were higher than those obtained from conventional test.Limiting shear box tilt ,which increased the vertical load,resulted higher shear strength;The method provided a same test condition for the comparison of results obtained from different studies.Due to the advantages of simple operation,reliable result,the method for preventing shear box tilt has certain research value.

direct shear apparatus;inclination;limit inclination;shear strength;vertical stress

2016-06-13

董均貴,助理工程師,碩士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.05.012

TU443

A

2095-4565(2016)05-0056-07