钻孔剪切试验及其在黄土中的应用

钻孔剪切试验是一种通过在钻孔侧壁上进行直剪试验来测定土体黏聚力和内摩擦角的原位测试方法。阐述和总结了钻孔剪切试验的基本原理、试验和数据处理方法。为了评估钻孔剪切试验测定黄土抗剪强度指标的适用性,采用Iowa钻孔剪切试验仪实测了不同深度黄土的抗剪强度指标,并与室内三轴剪切试验（CU）和直剪试验结果进行了对比。试验结果显示,钻孔剪切试验用于测定黄土的抗剪强度指标时,抗剪强度与法向压力具有较好的线性相关性;试验黄土的钻孔剪切试验应力-应变关系曲线为应变软化型;钻孔剪切试验结果与室内三轴剪切试验（CU）和直剪试验结果相比,黏聚力降低,内摩擦角增大;均质黄土地层的钻孔剪切试验数据离散性相对较小,可采用“整体”破坏包线法对抗剪强度指标进行统计。     

土体抗剪强度参数的钻孔剪切试验方法初探

介绍了一种通过钻孔剪切试验测定土体抗剪强度参数的原位测试新方法,从试验原理、试验设备和试验数据处理分析方法等方面对钻孔剪切试验进行了总结。为验证钻孔剪切试验的工程适用性,采用美国Iowa钻孔剪切试验仪分别对非饱和黄土及饱和黄土的抗剪强度指标进行了实测。试验结果表明,钻孔剪切试验可快速、直接地得到黄土的抗剪强度参数,试验数据的线性相关性较高。针对现有钻孔剪切试验中存在的问题,建议了今后的研究方向。     

考虑应力历史的饱和土抗剪强度测试方法探讨

通过直剪试验和三轴试验,研究了超固结状态和正常固结状态土强度指标的差异性。抗剪强度指标在大于和小于前期固结压力的压力段明显不同,试验资料整理时应分别确定抗剪强度指标。剪切前,试样在其自重固结压力（重塑土为预固结压力）下作预处理,比较了在垂直压力或围压小于前期固结压力和大于前期固结压力两个压力段的强度指标,前者不固结不排水剪黏聚力c小于后者,内摩擦角φ大于后者;固结不排水剪黏聚力c大于后者,内摩擦角φ小于后者。重塑土强度试验模拟的应力历史很难真实反映实际工况土体的强度特性,室内试验应尽量使用原状土进行抗剪强度测试。室内试验确定土的抗剪强度指标时,应先确定地基土的前期固结压力、K0状态参数,按工程实际应力状态确定。     

黄土−砂浆块界面剪切特性试验及本构模型研究

构筑物与土体接触面力学行为是岩土工程研究的热点之一。基于一系列直剪试验,研究不同法向压力、土体含水率条件下黄土?水泥砂浆块界面剪切特性。结果表明,(1) 在土体含水率为9.2和13.1%条件下,法向压力为50、100 kPa时黄土?沙浆块界面剪切应力?位移曲线表现为应变软化型,且可分为峰值前、峰值后及残余阶段三部分,在法向压力为200、300 kPa时表现为应变硬化型;在土体含水率为17.1、20.8%条件下,不同法向压力时黄土?砂浆块界面剪切应力?位移曲线均为应变硬化型;(2) 黄土?砂浆块界面的抗剪强度包络线符合摩尔?库仑准则,随着含水率的增大,界面黏聚强度降低显著,摩擦强度略有增加,整体抗剪强度降低。当土体含水率由9.2%增加至20.8%时,界面黏聚力由41.5 kPa下降至3.6 kPa,界面摩擦系数由0.50增大至0.58。用非线性模型对界面剪切应力?位移曲线关系进行拟合,结果表明非线性模型可较好反映黄土?砂浆块界面的剪切特性。     

连云港海相软土不排水强度特征

连云港地区软土为碱性环境下沉积的非均质海积软土,软土抗剪强度具有固有各向异性。采用三轴不固结不排水剪切（UU）试验、无侧限抗压强度（UTC）试验、快剪试验和原位十字板剪切（FVT）试验4种方法,对连云港地区软土的不固结不排水抗剪强度特征进行了研究。结果表明：土体水平剪切面强度最低,竖直面抗剪强度最高;土体制样采用垂直方向的切取试样方式时,土体强度最高。根据三轴UU试验得出的黏聚强度和内摩擦角基于土体单元极限平衡理论恢复了土体剪切破坏时的应力状态,计算出土体实际抗剪强度。三轴UU试验得出的抗剪强度平均值约为13.13 kPa,试样破裂面与水平面的夹角在45.1°~45.7°区间最为集中。UTC试验测得的土体平均抗剪强度近似等于三轴UU试验测得的平均抗剪强度。FVT试验测得软土抗剪强度平均值为19.72 kPa,与三轴UU试验和UTC试验得出的抗剪强度平均值相比高了约6.60 kPa,这种现象与室内试验试样的机械扰动、土体应力状态改变和剪切面特征有关。     

重塑上海淤泥质粘土直剪试验

直剪试验是测定土体抗剪强度常用的方法。通过对重塑上海第4层淤泥质粘土分别进行固结快剪和慢剪试验,对慢剪和快剪的剪应力和剪切位移曲线以及慢剪和快剪的抗剪强度曲线进行分析,并对其剪应力与剪切位移关系曲线进行归一化分析,拟合得到各竖向压力下τ·S-S的归一化方程,进而统一了各竖向压力下τ/P.S-S的归一化方程,并通过抗剪强度曲线图可得到抗剪强度参数粘聚力(c)和内摩擦角(φ);抗剪强度和剪切破坏时与剪切面上的含水率有较好的线性关系。     

大型原位直剪试验设备改进研制与应用

大型原位直剪试验的试样尺寸大,对土体扰动小,是获取岩土体强度参数的有效方法。中国科学院武汉岩土力学研究所在参考室内、现场两用大型直剪仪后,又改进研制了一套大型原位剪切设备。与传统原位直剪设备不同,该设备采用上、下两个刚性剪切盒,可完成尺寸为50 cm×50 cm×41 cm,最大粒径为5 cm的原位土体试样的剪切试验。该直剪设备组装方便,采用高精度传感器可自动采集数据,更适合于复杂的现场试验环境。介绍了该设备的结构组成、工作原理、技术优点。结合实例详细介绍了大型原位直剪试验的试验方法及注意事项。将此大型原位直剪设备应用于向家坝库区两个滑坡现场试验,得到了滑坡滑带、滑体的原位抗剪强度参数,分析了不同试样大型原位直剪试验剪切曲线的特点,进一步论证了该直剪设备的优良工作性能。     

饱和土体原位大型剪切试验方法与实践

由于室内剪切试验结果存在试样结构性扰动和尺寸效应等带来的不确定性问题,且以往的常规原位大型剪切试验是针对天然状态土体,不能获得饱和土体的强度参数,导致岩土结构稳定性分析和工程设计中大多采用反演方法求取强度参数,而很少直接运用这些试验参数.在本次试验方法研究中,试验仪器仍然采用常规的天然土体原位大型剪切试验仪器,针对土体饱和问题,设计了“制样后饱和法”和“饱和后制样法”2种浸水饱和装置,并采用这2套装置在甘肃省黑方台地区进行了7个饱和黄土原位大型剪切试验.结果表明,2种饱和方法都能够使土样饱和,“饱和后制样法”容易达到饱和,试验历时短,但对试样扰动大,甚至导致试样在制样时破坏,试验成功率低;“制样后饱和法”达到饱和历时稍长,对试样扰动小,试验成功率高.与原位天然大剪试验相比,粘聚力c值由44.65kPa下降至17.35kPa,φ值由14.18°降至11.95°;与室内饱和固结快剪相比,饱和黄土原位大剪的c值增加约4kPa,φ值增加3°左右.     

黄土边坡开挖后强度变化规律研究

在室内对52个原状土样进行卸荷条件下的直剪试验,测定不同先期固结压力下卸荷土体在不同滞留时间的抗剪强度值,试验结果表明:不同先期固结压力下原状土体卸荷后,在相同的卸荷滞留时间下卸荷后土体的抗剪强度随着先期固结压力的增大而增大;当先期固结压力为200 KPa时,土体的抗剪强度是随着滞留时间的增加而减小的,在卸荷5～7 d后强度就不再明显下降。利用试验结果以某高速公路高边坡为研究对象进行了稳定性分析。     

固结与不固结条件下黄土-混凝土接触面剪切试验

黄土与结构物相互作用时其在法向应力下的固结程度和实际工况有关。控制土样初始含水率和排水条件,利用大型直剪仪开展黄土与混凝土接触面剪切试验。结果表明,固结条件下的剪应力比不固结条件下的剪应力大,且其差值随土样初始含水率的增加而增大;接触面剪应力-剪切位移关系呈弱软化、弱硬化和强硬化3种形式;固结条件下法向应力较低时接触面抗剪强度随土样初始含水率的增加先增大后减小最后趋于恒值,固结条件下法向应力较高时及不固结条件下接触面抗剪强度随土样初始含水率的增加而减小最后趋于恒值;随着土样初始含水率的增加,固结和不固结条件下接触面粘聚力均先增大后减小,而接触面内摩擦角均减小最后趋于恒值。因此,固结和不固结条件下黄土与混凝土接触面剪切性状具有明显不同,分析黄土与结构物相互作用时应根据实际工况选用不同固结条件下的参数。     

基于应力集中系数的抗剪强度取值方法及其应用研究

通过对直剪试件剪切面内应力集中系数分布规律的研究,结合剪应力–剪切位移变化曲线的分析,提出一种采用应力集中系数进行土体抗剪强度取值的方法。以武汉地铁六号线某区间段角砾黏土地层为研究对象,进行室内大型直剪试验,得出角砾黏土的抗剪强度参数随含石量的变化规律,与规程方法进行对比分析,探讨文中方法的可行性。结果表明,应力集中系数K0一定程度上能够反映直剪时土体剪切承载力的强弱;角砾黏土的黏聚力随着含石量的增加呈近似线性关系,与现有研究成果一致;试验结果位于规程规定合理范围内,说明基于应力集中系数的抗剪强度取值方法可作为研究土体强度特性的有效途径。     

岩体抗剪强度参数现场测试新方法及工程应用

岩体抗剪强度参数的确定是进行岩体工程稳定性分析中最基本和最重要的,也是最困难的一项工作。由于室内和现场试验方法的局限性以及经验准则的人为性,快速、简易和较可靠确定岩体抗剪强度参数的原位测试手段一直是岩石工程界关注的热点。采用引进美国生产的岩石钻孔剪切仪,在实验室混凝土空心圆柱体和向家坝水电站坝基岩体中进行了尝试,取得了有益的试验成果。将主要从钻孔剪切仪的工作原理、数值模拟分析和工程应用等几方面对其进行全面的阐述和总结。试验成果和数值分析结果显示,岩石钻孔剪切仪是一种适用于软岩~中硬岩的原位试验设备,其试验成果总体钻孔剪切试验得到的c、 小于传统三轴和直剪试验成果,但钻孔剪切试验的 值在 <40?的范围内略低于传统三轴和直剪试验成,而钻孔剪切试验的c值较传统三轴和直剪试验的c 值降低较多,一般为25%～50%。     

不同固结状态下黏土抗剪强度与剪切速率的关系

利用直剪仪针对不同固结状态下的饱和黏性土,在不同剪切速率条件下进行了系统的试验研究,探讨了剪切速率与剪应力-剪切位移曲线变化规律,分析了剪切速率对强度参数的影响及原因。试验结果表明:对于正常固结土,剪切速率越大,峰值剪应力越小,内摩擦角越小。不同的固结状态下,剪切速率对抗剪强度参数影响不同。超固结比为2时,内摩擦角随着剪切速率的增大而减小,黏聚力随着剪切速率的增大而增大;超固结比为3时,内摩擦角随剪切速率的影响较小,黏聚力随着剪切速率的增大而增大。另外,从黏聚力和内摩擦力的角度,分析了不同剪切速率条件下土体抗剪强度变化的主要控制因素。最后,从孔隙水压力的角度分析了不同剪切速率对抗剪强度的影响。在相同的法向应力下,对于正常固结土,不同剪切速率引起的剪切带周围孔隙水压力变化量与破坏剪应力变化量成正比关系;对于超固结土,黏聚力变化量减去破坏剪应力变化量的差值与孔隙水压力的增量成正比。     

上海重塑粘性土的直剪特性研究

上海地区浅层广泛分布的淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土和粘土具孔隙比大、含水量高、压缩性大、强度低等特点,容易对工程造成严重不良影响。对这三种土重塑样的直剪特性进行了系统研究,试验方法包括固结快剪和固结慢剪,剪切过程中量测剪切位移和竖向压缩量,剪切结束后量测了破坏面上的土样含水率。结果显示,固结慢剪试验中土样均硬化,剪切位移达6mm时仍未破坏;而固结快剪试验中,除粉质粘土外另两类土在0.2mm的位移下就达到剪切强度。通过试验得到了剪切应力与剪切位移关系、剪缩变形量和抗剪强度参数等。结合试验结果,对粉质粘土与粘土的不同结构导致直剪特性的差异进行了分析讨论。可为上海重塑土的结构及力学特性研究提供依据和借鉴。     

剪切速率对重塑饱和黏土强度影响试验

对不同干密度的重塑饱和黏性土进行直剪试验,探讨了剪切速率对重塑饱和黏性土剪应力-剪位移曲线的影响,分析了内摩擦角随剪切速率的变化关系。试验结果表明,干密度越小的重塑土,剪切速率对其内摩擦角的影响越明显。剪切速率主要影响剪切面附近的孔隙水压力,进而影响土体抗剪强度。剪切速率越大,剪切面周围超孔隙水压力越大,使土体总强度降低。在相同的法向应力下,不同剪切速率引起的剪切面周围孔隙水压力增量与抗剪强度差值成正比关系。当剪位移为7 mm时,剪切速率越大,土颗粒位移比较平直,剪切破坏面越平整。     

自反力双剪面大型剪切仪研发及应用研究

原位直剪是测定土石混合料强度参数最为普遍也是最可靠的试验方法之一,但是现有原位直剪仪在试验过程中存在法向加压系统不合理、无法预留剪切缝等多方面的缺陷,影响试验结果的精度。本文对传统原位剪切仪进行有针对性的改造,研制出自反力双剪面大型剪切仪,该大型原位直剪仪有以下特点:（1）设备自身提供水平反力;（2）剪切过程中垂向加压系统固定,无需滚轴排;（3）剪切盒之间可预留可调节宽度的剪切缝,适用性更广;（4）装置模块化程度高,便于搬运、组装和拆卸。通过与单环剪切仪进行现场对比试验发现,与单环剪切仪得到的试验结果相比,自反力双剪面大型剪切仪得到的剪应力-剪切位移曲线为标准双曲线,并且可得到大剪切位移情况下的剪切曲线,通过大剪切位移曲线读取的最大剪应力更贴合实际。与单环剪切仪得到的抗剪强度值相比,内摩擦角低4.6°,而黏聚力高41.14 kPa。同时通过对两种剪切仪得到的剪切破坏面进行图像对照,可明显发现自反力双剪面大型剪切仪得到的剪切破坏面较为平整,未出现单环剪切仪对的剪切破坏面下凹现象。     

应力路径对黄土固结不排水剪强度的影响

用总应力法研究了应力路径对陇西Q3原状黄土的固结不排水剪强度的影响。试验基于正交设计,考虑了含水率、固结比、固结末径向应力和剪切路径4个因子、4种水平。试验结果表明,当黄土各向异性程度较小时应力路径对黄土的固结不排水抗剪强度有一定影响;基于正交设计的黄土三轴固结不排水剪试验的破坏点与普通三轴固结不排水剪试验（均压固结常规剪切）得到的破坏点处于一个条带内。黄土强度随含水率的变化规律与普通三轴固结不排水剪试验的相同。     

利用常规直剪试验评价非饱和黄土抗剪强度

为了研究一种简化的方法评价非饱和黄土抗剪强度,本文利用常规直剪仪对非饱和重塑黄土进行固结快剪试验,Whatman s No.42型滤纸测试固结前和剪切后土样吸力,研究同一正应力下初始吸力和剪后吸力的变化趋势及机理,并用非饱和直剪测试结果对常规直剪和滤纸法测得的吸力与强度进行了效验。研究表明,土-水特征曲线的进气值和残余值对固结前和剪切后干密度和吸力的变化起控制作用,获得初始吸力与剪后吸力的变化关系。基于Vanapalli模型,提出了利用土样初始土-水特征曲线、有效黏聚力和有效内摩擦角预测非饱和黄土抗剪强度的公式,研究结果简化了非饱和土强度测试方法,节约了时间,为非饱和土抗剪强度理论在工程实践中推广应用提供新思路。     

用快剪试验推求先期固结压力

土体先期固结压力是判断土体应力历史的关键性指标。依据Wroth在一维固结条件下提出的不排水强度与超固结比（OCR）的关系式,利用快速直剪的剪切强度计算临界状态孔隙水压力系数Λ₀,从而计算出OCR以及先期固结压力。对南京某黏土的重塑饱和黏土的试验分析结果表明,快剪试验确定的超固结比与设计超固结比基本一致,因此可作为求解土体先期固结压力的一个途径。     

滑带土原位直剪试验条件的不确定性及基于BP网络的抗剪强度参数估计

滑带土原位直剪试点的物质构成、含水率、应力历史均具有随机性,预剪面边界约束、恢复初始固结状态的程度、剪切过程中的排水条件等因素则具有模糊性,这些不确定性因素导致试验成果离散、代表性受到局限。以原位直剪强度参数以及破坏面现场定性地质描述、含水率测试、颗粒分析结果训练BP网络,利用BP网络的高度容错性和强大的非线性映射能力,估计滑带土的抗剪强度参数,可在一定程度上可克服试验成果离散的影响。