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探究砂土的工程力学性质研究中第六代ASIS装置的应用
摘要：土的直剪试验是确定土体强度的重要试验,所得土体的基本强度参数对于所处地区拟建建筑的工程材料选择及工程设计具有至关重要的意义,国内实验室大多使用的传统直剪装置仍需手动加载,切向与法向应力所受影响因素较多,人为导致试验失败机率相对较大。俄罗斯ASIS装置(6代)采用计算机控制气压装置自动增加载荷,所得强度参数由计算机实时显示,信息自动化优势明显,所受影响因素相对较少,所得试验数据更加准确。该文以两个砂土样本为主要研究对象,利用ASIS装置研究砂土的内摩擦角及粘结力等工程力学性质及其相互影响关系。
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1、直剪试验原理
1.1研究目的
利用ASIS装置进行直剪试验,研究砂土的物理力学性质及其影响因素。
1.2直剪试验的优缺点
(1)优点:
对于研究砂土、粘土和砾石等的物理力学性质,速度快,成本低;易于准备土壤样品和仪器。
(2)缺点:
不能测孔隙压力,水平切面是固定的,测量时并不考虑土壤的初始应力状态。
1.3直剪实验可测得数据
具体情况见表1。
1.4试验原理
库仑定律:土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力σ的线性函数,即τ=σtgφ+c(见图1)。图1中σ为法向应力;τ为剪切力;φ为内摩擦角;c为粘结力。
2、试验装置介绍
2.1试验仪器及运行原理——ASIS装置(俄罗斯)
ASIS试验装置(见图2)来自俄罗斯,1991年第一代ASIS装置的发明,标志着俄罗斯工程地质中剪切试验部分已过渡到电子时代,经过多年发展,该装置至今已更新至第六代(见图3),现代ASIS装置可由一台终端电脑连接分别进行不同相应装置,可同时进行直剪试验、单轴压缩、三轴压缩等相关工程力学试验。
表1直剪实验可测得数据
图1土的抗剪强度(τ)与法向应力(σ)的关系[6-7]
图2ASIS单平面动剪装置,剪切变形可达25mm
图3仪器组成原理图(I.Kh.Idrisov,2017)
2.2测试方法
利用ASIS装置,得到样品的相应强度参数。该装置具有固定剪切面,剪切设备启动时,样品的一部分相对于另一部分发生单平面的切向运动。试验时机动装置可通过传导装置直接连接电脑PC端,在软件中可得到样品的实时剪切荷载及变形等相关数据。因此相对老式手动加载设备,ASIS装置计算机自动化、所得数据精确性的优势更加明显。
图4剪切应力与变形的关系(样品No.1)
图5剪切应力与变形的关系（样品No.2)
图6在松散和压实条件下,土的抗剪强度(τ)与变形(e)的关系
土的抗剪能力定义为在法向应力不变的条件下,沿着固定平面,切向应力切割土的能力。但是为了确定样品中凝聚力(C)的值,要在切向力不变、法向荷载不同的条件下,至少进行3次测试[10]。
3、样品制备及试验条件
将所研究砂土样本放于温度约为21℃,湿度为25%～35%的实验室内,在空气中进行自然干燥,24h后得到所需自然风干砂土样品。
此次试验共两个砂土样本,首先通过粒度测定,对两个砂土样本进行命名分类。试验结果显示样品No.1为中砂(粒径大于0.25mm的颗粒超过总质量的50%),样品No.2为粗砂(粒径大于0.5mm的颗粒超过总质量的50%)。
剪切试验条件为在松散和压实状态下分别对两个砂土样本进行法向载荷为100kPa、200kPa、300kPa,剪切速度为1mm/min的直剪试验。
4、试验结果
利用ASIS装置进行直剪试验,通过数据处理后,得到两样本的剪切应力与变形关系图及每个样本分别在松散及压实状态下得到的内摩擦角及粘聚力等力学数据。具体试验结果情况见图4、图5、表2。
5、结论
(1)砂土的直剪试验最主要影响因素为切向与法向应力。
(2)砂土样本所承受的法向载荷越大,所需切向应力越大。
(3)由表2发现,在松散状态下,两砂土样本试验所得内摩擦角及粘聚力几乎相等,这说明对于砂土,在成分粒径相差不大的情况下,其在松散状态下的工程力学性质近似相等。而在压实状态下,试验结果为φ2<φ5(43°<57°),c2>c5(68kPa>6kPa),即砂土粒径越大,其粘聚力越小,内摩擦角越大。
(4)由图4、图5可知,样品No.2的压缩速度相对样品No.1较快,即砂土粒径越大,其压缩速度相对较快。且由图4、图5可得结论图(图6)。
(5)在图6所示的土的抗剪强度和变形的相应关系中,在压实土中,剪切应力(τ)在达到最大值时(τmах),土体抗剪强度达到最高峰值,此时也是土体结构破坏开始之时。在经历过一系列破坏后,剪切应力(τ)达到最小值时(τmин),也是土体结构破坏的终值点。且压实土的土体结构强度临界值总高于同样条件下的松散土。
(6)由图6中1号曲线中ab段可知,在静态载荷模式下,达到极限载荷后切向应力不再下降,因为这种状态是在恒定切向应力最大值下连续剪切变形所得。
参考文献:
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期刊名称：应用力学学报
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主管单位：国家教育部
主办单位：西安交通大学
出版地方：陕西
专业分类：科学
国际刊号：1000-4939
国内刊号： 61-1112/O3
创刊时间：1984年
发行周期：双月刊
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2020-07-04
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