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        試驗操作步驟對無側(cè)限抗壓強度試驗數(shù)據(jù)的影響探討

        2021-01-20 08:44:02張洪霞
        關(guān)鍵詞:凡士林側(cè)限讀數(shù)

        張洪霞

        (中鐵第五勘察設(shè)計集團(tuán)有限公司東北分院,黑龍江 哈爾濱150001)

        土在外力作用下在剪切面單位面積上所能承受的最大剪應(yīng)力稱為土的抗剪強度,是由顆粒間的內(nèi)摩擦力以及由膠結(jié)物和水膜的分子引力所產(chǎn)生的黏聚力共同組成。土工試驗是工程勘察的重要組成部分,在工程設(shè)計和施工中有著非常重要的意義。其結(jié)果能對工程的勘察效果產(chǎn)生重大影響。無側(cè)限抗壓強度試驗是土的力學(xué)試驗之一,是土重要力學(xué)基本內(nèi)容,可提供土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),供設(shè)計計算時使用,它操作簡單,適用廣泛;它是指土樣在側(cè)面不受限制、無側(cè)向壓力條件下,抵抗垂直壓力的極限強度,它可以估價土的承載力和抗剪強度。土的靈敏度指無側(cè)限抗壓強度與其重塑土(密度與含水量就與原狀土相同)的無側(cè)限抗壓強度之比。靈敏度反映土的受結(jié)構(gòu)振動影響的程度,靈敏度越大,結(jié)構(gòu)擾動影響越明顯。它可以用來評價土的結(jié)構(gòu)性。影響土的強度的因素較多,如土的類型、密度、含水量、深度及受力條件等等。根據(jù)現(xiàn)有的測試設(shè)備和技術(shù)條件,準(zhǔn)確測定土的抗剪強度指標(biāo)是比較困難的,也只作近似模擬。它可以用來評價地基穩(wěn)定性;計算路堤、土壩、擋土墻等斜坡穩(wěn)定性以及擋土建筑物土的壓力,都需要土的抗剪強度指標(biāo)。試驗室測定土的抗剪強度指標(biāo)的儀器有直接剪切儀、三軸壓縮儀及無側(cè)限壓力儀,本文著重研究應(yīng)用無側(cè)限壓力儀測定無側(cè)限抗壓強度試驗步驟中影響數(shù)據(jù)的主要原因,探求試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,真實性,可靠性。

        1 試驗原理

        無側(cè)限抗壓強度試驗是指在不加任何側(cè)向壓力的情況下,對圓柱體試樣施加軸向壓力,直至試樣剪切破壞為止,它是抵抗垂直壓力的極限強度。試樣破壞時的軸向壓力以qu 表示。本試驗適用于測定自重下不變形的飽和粘性土。

        2 試驗裝置

        應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀。應(yīng)變控制式就是在試驗過程中,一定時間內(nèi)控制試樣產(chǎn)生一定的變形,測定與此變形相應(yīng)的應(yīng)力。它能較準(zhǔn)確的測出峰值和終值強度,目前廣為采用,如圖1。

        圖1 應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀及重塑筒

        圖2 切土盤及切土試樣

        3 試驗步驟

        ①將削好的試樣立即稱量,準(zhǔn)確至0.1 克。同時取削下的余土測定含水率。用卡尺測量高度及上、中、下各部位直徑。計算試件平均直徑。在試件端抹一薄層凡士林,為了防止水分蒸發(fā),試件的側(cè)面也可抹一層薄凡士林。②將制備好的試件放在加壓板上,轉(zhuǎn)動手輪,使其與上加壓板剛剛好接觸,調(diào)測力計百分表讀數(shù)為零點。③以軸向應(yīng)變1%-3%/min 的速度轉(zhuǎn)動手輪(6-12r/min),使試驗在8-10min 內(nèi)完成。軸向應(yīng)變在3%以前,每0.5%軸向應(yīng)變記讀百分表讀數(shù)一次,軸向應(yīng)變達(dá)3%以后,每1%軸向應(yīng)變記計百分表讀數(shù)一次。④當(dāng)百分表達(dá)到峰值或讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定了,再繼續(xù)剪3%-5%軸向應(yīng)變值即可停止試驗。如讀數(shù)沒有穩(wěn)定值,則軸向應(yīng)變達(dá)20%的即可停止試驗。⑤試驗結(jié)束后,迅速反轉(zhuǎn)手輪,取下試件,描述土樣破壞情況。剪切前、后試樣如圖(三、四)⑥測定靈敏度,將破壞后的試件去掉表面凡士林后,再加少許土,包以塑料布,用手捏搓,破壞其結(jié)構(gòu),重塑土與重塑前尺寸、密度相等,然后立即重復(fù)②至⑥步驟進(jìn)行試驗。

        圖3

        圖4

        4 試驗指標(biāo)

        4.1 D0= (D1+2D2+D3)/4 ;D0- 試件平均直徑(cm);D1、D2、D3-試件上、中、下各部位的直徑(cm)。

        4.2 △h=n*△L-R ;△h 為軸向變形,n 為螺桿上升轉(zhuǎn)數(shù),△L 為螺桿上升轉(zhuǎn)的垂直距離,R 為測力計讀數(shù)。

        4.4 試樣面積校正As=A0/1-1 ; A0為試驗前的試樣面積,As 為較正后試樣面積。

        4.5 抗壓強度qu=10C*R/As ; C 為量力環(huán)率定系數(shù),R 為測力計讀數(shù);10 為單位換算系數(shù)。

        4.6 靈敏度St=qu/qu'; qu 原狀試樣的無側(cè)限抗壓強度,qu'為重塑土無側(cè)限抗壓強度。

        4.7 抗剪強度S=qu/2。(表1)

        5 試驗步驟過程中對數(shù)據(jù)的影響的因素及探討

        表1 無側(cè)限試驗記錄簡表

        5.1 試樣制備的影響,此試驗的制樣是關(guān)鍵,室內(nèi)試驗適用于飽和的無裂隙的粘性土,同時需要具有兩個條件,一個是在不排水的條件下,要求試驗時有一定的應(yīng)變速率,在較短的時間內(nèi)迅速完成試驗,另一個是試樣在自重作用下不變形。如土樣在野外取樣,通過運輸至試驗室時與其所處于的地層、深度、結(jié)構(gòu)、環(huán)境狀態(tài)等等是基本一致的,這種狀態(tài)下測得的試驗數(shù)據(jù)才能客觀反映土的原始的真實的力學(xué)性能?,F(xiàn)實取土、運樣過程中往往存在設(shè)備或是人為的操作影響,運輸中防震、防曬等原因,使土樣在到達(dá)試驗室時,表現(xiàn)為土樣包裝的部分缺失和損壞、土樣的形變,甚至失水等等。使土樣增加了脆性,必定影響試驗數(shù)據(jù)。外業(yè)人員直接鉆取的圓柱體土樣(一般80mm×200mm),經(jīng)過原狀土分樣器后分三個扇形土柱,放在切土盤(如圖二)上切成39.1mm×20mm 圓柱體,切土過程中,一定用切土刀緊靠側(cè)板,由上往下細(xì)心切削,同時轉(zhuǎn)動圓盤,也要避免擾動,較軟的土用力均勻且不要太大,較硬的土,一點點削,一二分鐘即可結(jié)束。對天然土樣,土樣中含有各種不確定的雜質(zhì),比如含有鐵錳結(jié)核、鈣質(zhì)結(jié)核、貝殼、碎石、樹根等。裸露出的部分,可以剃除,有凹坑的用削下的余土填補。不同的人在制樣過程中的處理方式是不一樣的,也會對數(shù)據(jù)有一定的影響。

        5.2 凡士林的影響。要求此試驗時有一定的應(yīng)變速率,在較短的時間內(nèi)完成試驗,制好的試樣,試件抹一薄層凡士林,凡士林一方面防止水分蒸發(fā),另一方面也是為了保證試件與上下平面緊緊相貼。使試樣數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。土樣量多時,制樣人員可以將制好的試樣抹一薄層凡士林放在恒溫箱里養(yǎng)生、備用。

        5.3 試樣飽和的影響試樣飽和是重要問題,土樣的飽和度愈小,土的孔隙內(nèi)殘留氣體也就愈多,由于氣體因孔隙水壓的變化面脹縮,因而飽和度的影響成為一個不確定的因素,為了保證試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度,要求試樣必須飽和,采用真空氣飽和法是比較有效的方法。由于某些較為密實的土體飽和處理做的不夠徹底,在實驗開始時還存在氣體在其中,將影響數(shù)據(jù)。

        5.4 實驗過程中的影響。試驗過程,針對不同的試樣,控制剪切速率,根據(jù)試樣的軟硬程度選用不同的量程的測力計,快速準(zhǔn)確調(diào)測力計百分表,可以使讀數(shù)更加準(zhǔn)確,真實。讀數(shù)人員應(yīng)熟練,做到手疾眼快,迅速計下讀數(shù)。使試驗在8-10 分鐘內(nèi)完成,防止試驗過程中試樣發(fā)生排水現(xiàn)象及表面水分的蒸發(fā),影響試驗數(shù)據(jù)。試樣受壓破壞時候,有脆性和塑性破壞兩種,脆性破壞一定有明顯的裂隙在,軸向壓力具有峰值。塑性破壞的,軸向應(yīng)力一定無峰值,選取軸向壓力15%的為破壞值,但試驗應(yīng)進(jìn)行到軸向應(yīng)變達(dá)到20%,重塑試樣的取值標(biāo)準(zhǔn)與原狀試樣相同。試驗人員一定注意觀察讀數(shù),特別是峰值。土質(zhì)不均勻的,脆性和塑性不明顯,20%應(yīng)嚴(yán)格控制,有時可以稍延長一小段時間觀察,甚至達(dá)到23%。但一定保證在10 分鐘試驗結(jié)束,結(jié)束后取下試樣,描述試樣破壞后的形狀,破壞點,破壞程度,并畫簡易圖,增加數(shù)據(jù)的可靠性。

        5.5 重塑土制樣的影響。重塑試樣除了不具有原狀試樣的結(jié)構(gòu)外,應(yīng)保持與原狀試樣相同的密度和含水率,尺寸。天然結(jié)構(gòu)的土經(jīng)重塑后,它的結(jié)構(gòu)粘聚力已全部消散,但就放置一段時間后,它可以恢復(fù)一部分,放置的時間越長,恢復(fù)的程度愈大,需要測定靈敏度時,重塑試樣應(yīng)立即進(jìn)行。靈敏度的重塑土制備過程中,將破壞的后的試件立即去掉表面凡士林,再加削掉的少許土,包以塑料布防止失水,用手捏搓,破壞它的結(jié)構(gòu),放入重塑筒內(nèi),用金屬墊板,將試樣擠成與其原狀土樣一樣的圓柱形,使重塑土與重塑前尺寸、密度、含水量相等。捏搓過程中,視土的情況,均勻用力,塑料布一定嚴(yán)密,防止水蒸發(fā)。做到重塑土與重塑前密度相等,否則將影響靈敏度的數(shù)據(jù)。

        6 針對上述各影響的改進(jìn)方法或注意事項

        6.1 野外取樣、送樣應(yīng)最接近原狀樣,若原狀樣發(fā)生了變化,在試驗室可以截取中間的部分。飽和軟土試樣預(yù)固結(jié)后再進(jìn)行試驗。制樣過程中快速準(zhǔn)確,嚴(yán)格按照規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,避免土體的擾動,削刀、切刀在使用前應(yīng)該沖洗擦拭干凈保證刀韌光澤并充分烘干,在一二分鐘完成,立即涂抹凡士林。

        6.2 在實際操作中,對土樣按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求進(jìn)行飽和后,要測試土樣飽和后的含水率、密度及飽和度,以確定試驗土樣完全飽和。

        6.3 重塑土制備過程中,加土后塑成圓柱體,可以通過重新測量質(zhì)量,與原質(zhì)量保持一樣的方法解決做到重塑土與重塑前密度相等。試驗過程中試驗人員一定提高技能,增加基礎(chǔ)知識,增強熟練程度,積累經(jīng)驗。

        結(jié)束語

        土的抗剪強度是構(gòu)筑物和建筑物安全穩(wěn)定的重要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),是研究土的強度特性的重要指標(biāo)之一,抗剪強度過高或過低都會影響工程。無側(cè)限抗壓試驗是三軸壓縮試驗的一種特殊形式,一種特例,也可以用三軸壓縮儀進(jìn)行試驗,圍壓力為零,測定飽和粘土的不排水強度。由于飽和粘土在取樣操作中和試樣制備過程中應(yīng)力的釋放,粘聚力的消散,不排水強度常常偏大一些,但它操作簡單,可以快速應(yīng)用。本文對土工試驗室中無側(cè)限抗壓強度試驗步驟中的各方面影響進(jìn)行了分析和討論,盡量降低影響,消除不利因素。在實際試驗中,嚴(yán)格按規(guī)范規(guī)章要求試驗,在遵從實驗操作規(guī)程的同時,將上述改進(jìn)方法應(yīng)用在實際操作里,取得了很好的效果,一定程度上減小了誤差,進(jìn)一步保證了土工實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、真實性和可靠性。

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