利用第六代ASIS裝置研究砂土的工程力學(xué)性質(zhì)

李臣正

摘? 要：土的直剪試驗是確定土體強度的重要試驗，所得土體的基本強度參數(shù)對于所處地區(qū)擬建建筑的工程材料選擇及工程設(shè)計具有至關(guān)重要的意義，國內(nèi)實驗室大多使用的傳統(tǒng)直剪裝置仍需手動加載，切向與法向應(yīng)力所受影響因素較多，人為導(dǎo)致試驗失敗機率相對較大。俄羅斯ASIS裝置（6代）采用計算機控制氣壓裝置自動增加載荷，所得強度參數(shù)由計算機實時顯示，信息自動化優(yōu)勢明顯，所受影響因素相對較少，所得試驗數(shù)據(jù)更加準確。該文以兩個砂土樣本為主要研究對象，利用ASIS裝置研究砂土的內(nèi)摩擦角及粘結(jié)力等工程力學(xué)性質(zhì)及其相互影響關(guān)系。

關(guān)鍵詞：直剪試驗? 強度參數(shù)? ASIS裝置? 砂土

中圖分類號：TU411.3 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）05（c）-0044-04

Abstract： The direct shear test of soil is an important test to determine the strength of the soil. The basic strength parameters of the obtained soil are of vital importance to the selection of engineering materials and engineering design of the proposed building.The traditional direct shearing devices used in domestic laboratories still need to be manually loaded. The tangential and normal stresses are affected by many factors， and the probability of artificial failure is relatively large.The Russian ASIS device （6th generation） uses computer-controlled air pressure device to automatically increase the load. The obtained strength parameters are displayed by the computer in real time. The information automation has obvious advantages， and the affected factors are relatively few. The obtained test data is more accurate.This paper takes sand as the main research object， and uses the ASIS device to study the engineering mechanical properties of sand such as internal friction angle and cohesion.

Key Words： Direct shear test; Strength parameters; ASIS device; Sand

1? 直剪試驗原理

1.1 研究目的

利用ASIS（Автоматизированная система испытаний в строительстве）裝置進行直剪試驗，研究砂土的物理力學(xué)性質(zhì)及其影響因素。

1.2 直剪試驗的優(yōu)缺點

（1）優(yōu)點：對于研究砂土、粘土和礫石等的物理力學(xué)性質(zhì)，速度快，成本低;易于準備土壤樣品和儀器。

（2）缺點：不能測孔隙壓力，水平切面是固定的，測量時并不考慮土壤的初始應(yīng)力狀態(tài)。

1.3 直剪實驗可測得數(shù)據(jù)

具體情況見表1。

1.4 試驗原理

庫侖定律：土的抗剪強度是剪切面上的法向總應(yīng)力σ的線性函數(shù)，即τ=σtgφ+c（見圖1）。圖1中σ為法向應(yīng)力;τ為剪切力;φ為內(nèi)摩擦角;c為粘結(jié)力。

2? 試驗裝置介紹

2.1 試驗儀器及運行原理——ASIS裝置（俄羅斯）

ASIS試驗裝置（見圖2）來自俄羅斯，1991年第一代ASIS裝置的發(fā)明，標志著俄羅斯工程地質(zhì)中剪切試驗部分已過渡到電子時代，經(jīng)過多年發(fā)展，該裝置至今已更新至第六代（見圖3），現(xiàn)代ASIS裝置可由一臺終端電腦連接分別進行不同相應(yīng)裝置，可同時進行直剪試驗、單軸壓縮、三軸壓縮等相關(guān)工程力學(xué)試驗。

2.2 測試方法

利用ASIS裝置，得到樣品的相應(yīng)強度參數(shù)。該裝置具有固定剪切面，剪切設(shè)備啟動時，樣品的一部分相對于另一部分發(fā)生單平面的切向運動。試驗時機動裝置可通過傳導(dǎo)裝置直接連接電腦PC端，在軟件中可得到樣品的實時剪切荷載及變形等相關(guān)數(shù)據(jù)。因此相對老式手動加載設(shè)備，ASIS裝置計算機自動化、所得數(shù)據(jù)精確性的優(yōu)勢更加明顯。

土的抗剪能力定義為在法向應(yīng)力不變的條件下，沿著固定平面，切向應(yīng)力切割土的能力。但是為了確定樣品中凝聚力（C）的值，要在切向力不變、法向荷載不同的條件下，至少進行3次測試[10]。

3? 樣品制備及試驗條件

將所研究砂土樣本放于溫度約為21℃，濕度為25%～35%的實驗室內(nèi)，在空氣中進行自然干燥，24h后得到所需自然風(fēng)干砂土樣品。

此次試驗共兩個砂土樣本，首先通過粒度測定，對兩個砂土樣本進行命名分類。試驗結(jié)果顯示樣品No.1為中砂（粒徑大于0.25mm的顆粒超過總質(zhì)量的50%），樣品No.2為粗砂（粒徑大于0.5mm的顆粒超過總質(zhì)量的50%）。

剪切試驗條件為在松散和壓實狀態(tài)下分別對兩個砂土樣本進行法向載荷為100kPa、200kPa、300kPa，剪切速度為1mm/min的直剪試驗。

4? 試驗結(jié)果

利用ASIS裝置進行直剪試驗，通過數(shù)據(jù)處理后，得到兩樣本的剪切應(yīng)力與變形關(guān)系圖及每個樣本分別在松散及壓實狀態(tài)下得到的內(nèi)摩擦角及粘聚力等力學(xué)數(shù)據(jù)。具體試驗結(jié)果情況見圖4、圖5、表2。

5? 結(jié)論

（1）砂土的直剪試驗最主要影響因素為切向與法向應(yīng)力。

（2）砂土樣本所承受的法向載荷越大，所需切向應(yīng)力越大。

（3）由表2發(fā)現(xiàn)，在松散狀態(tài)下，兩砂土樣本試驗所得內(nèi)摩擦角及粘聚力幾乎相等，這說明對于砂土，在成分粒徑相差不大的情況下，其在松散狀態(tài)下的工程力學(xué)性質(zhì)近似相等。而在壓實狀態(tài)下，試驗結(jié)果為φ2<φ5（43°<57°），c2>c5（68kPa>6kPa），即砂土粒徑越大，其粘聚力越小，內(nèi)摩擦角越大。

（4）由圖4、圖5可知，樣品No.2的壓縮速度相對樣品No.1較快，即砂土粒徑越大，其壓縮速度相對較快。且由圖4、圖5可得結(jié)論圖（圖6）。

（5）在圖6所示的土的抗剪強度和變形的相應(yīng)關(guān)系中，在壓實土中，剪切應(yīng)力（τ）在達到最大值時（τmах），土體抗剪強度達到最高峰值，此時也是土體結(jié)構(gòu)破壞開始之時。在經(jīng)歷過一系列破壞后，剪切應(yīng)力（τ）達到最小值時（τmин），也是土體結(jié)構(gòu)破壞的終值點。且壓實土的土體結(jié)構(gòu)強度臨界值總高于同樣條件下的松散土。

（6）由圖6中1號曲線中ab段可知，在靜態(tài)載荷模式下，達到極限載荷后切向應(yīng)力不再下降，因為這種狀態(tài)是在恒定切向應(yīng)力最大值下連續(xù)剪切變形所得。

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