MTT7941998粗粒岩土大三轴抗剪强度的测定

中华人民共和国煤炭行业标准MT/T794—1998粗粒岩土大三轴抗剪强度的测定Testingofshearstrengthforthickparticlerockandsoilebylargetriaxiae1998-11-10批准1999-04-01实施国家煤炭工业局批准目次1范围1………………………………………………………………………………………………………2引用标准1…………………………………………………………………………………………………3仪器设备1…………………………………………………………………………………………………4试验一般要求2……………………………………………………………………………………………5试样制备和饱和2…………………………………………………………………………………………6试验方法3…………………………………………………………………………………………………7数据整理、计算和制图5……………………………………………………………………………………附录A(提示的附录)9………………………………………………………………………………………附录B(提示的附录)10……………………………………………………………………………………附录C(提示的附录)11……………………………………………………………………………………Ⅰ粗粒岩土大三轴抗剪强度的测定1范围本标准规定了粗粒岩土散体的大三轴抗剪强度测定的仪器设备、试样制备、测定方法和步骤、测定结果整理与计算。本标准适用于粒径不大于6cm的粗粒岩土散体,测定三轴抗剪强度参数、散体固结密度、变形性质和孔隙压力系数。也可用于原状软岩土大三轴抗剪强度测定。2引用标准下列标准所包含的条文,通过在本标准中引用而构成本标准的条文。在标准出版时,所示版本均为有效。所有标准都会被修订,使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。SD128—1987土工试验规程3仪器设备3.1大三轴剪力仪主要由压力室、周围压力系统、体变测量系统、孔隙压力测量系统等部分组成,如图1所示。图1三轴剪力仪3.2附属设备和材料包括对开成型筒、承膜筒、击实锤、橡皮膜、真空泵、真空瓶、空压机、氮气瓶、排水量管、吊绳、天车、三通阀、磅秤、测力计、机电百分表、位移计、电子天平、烘箱、秒表等。3.3测试系统包括微机、X-Y函数记录仪、位移传感器、压力传感器、机电百分表、A/D模数转换器、D/A数模转换器及接口等。该测试系统测试结果可由测表人工读数记录、电测数显记录和微机自动检测三种方法获得。实际采用一种方法即可。14试验一般要求4.1每组试样数量;4.2物料粒径不大于6cm,试样直径为30cm,高为70±5cm;4.3根据工程需要试验分为不固结不排水剪(UU)、固结不排水剪(CU)、固结排水剪(CD)三种方法;4.4无论采用哪一种试验方法,都必须首先对试样进行饱和。4.5试验前应对仪器设备进行检查和率定:a)轴向压力系统、周围压力系统运行正常,检查储能器、水罐内的水量是否达到要求,检查油路系统是否漏油、油箱内的油量是否够用;b)空压机、真空泵是否运行正常,检查空压机气路是否漏气,真空泵内的油是否达到规定位置,油不应混浊;c)压力室应密闭,传压活塞应在轴套内滑动正常,各管道、接头、三通阀畅通、孔隙压力量测系统的管道内应无气泡,检查完毕后,关闭周围压力阀、排水阀、孔隙压力阀等;d)对测试系统和自动检测微机系统进行调试和率定。5试样制备和饱和5.1备料5.1.1将所采取的物料拌和均匀,如果物料为无黏性砂土,可喷少量水拌和,然后按四分对角法取样进行颗粒分析。见SD128。5.1.2每组试样不少于300kg,备好样后立即取样,采用烘干法测定含水量。5.1.3根据试验要求的干密度、含水量及试样尺寸计算所需用料。5.2制样步骤5.2.1将透水石、滤纸依次放在压力室底座上;5.2.2扎好橡皮膜,安装对开成型筒,将橡皮膜贴紧在成型筒内壁,外翻在成型筒上;5.2.3将备好的物料依次称重后装入成型筒内,一般一层为10kg,用击实法将物料击实,每层击实后应拂平表面并刨毛,试样装好后依次放上滤纸、透水石、顶帽并扎紧橡皮膜;5.2.4开动真空泵,从试样顶部抽气,使试样在负压下直立成型,去掉成型筒,测量试样高度H、直径D。按式(1)、(2)计算试样平均高度和平均直径。测定和计算数据填入附录A。H=13(H1+H2+H3)……………………(1)D=14(D1+D2+D3)-2t……………………(2)式中:H1、H2、H3———分别为试样三侧测得的高度,cm;D1、D2、D3———分别为试样上部、中部、下部测得的直径,cm;t———乳胶膜厚度,cm。5.2.5安装压力室盖,旋紧连接螺栓,打开压力室排气孔,向压力室注满水,关排气孔,开轴向压力机,当试样与传力活塞和测力计接触时,立即停机,读出轴向变形计读数。5.3试样饱和对试样饱和采用抽气与水头联合饱和的方法。5.3.1打开周围压力阀对试样施加30kPa的预压,开动真空泵抽气,试样内形成负压,并提高盛水容器高度,使水从试样底部进入试样,当观察到真空瓶内出水,继续饱和20min,饱和中要测定进水和出水质量。25.3.2停止抽气,将与试样底部和顶部连接的量水管加适量水,打开阀门观察量管内水位变化,提高底部量水管,若顶部量管水位上升且与底部量管水位下降等量,即可关闭阀门,试样已达到饱和。5.3.3如果没有达到要求,仍按5.3.1抽气饱和直至符合要求。5.3.4通过计算孔隙压力系数B鉴别饱和度,若B值大子或等于0.95时,认为试样已达饱和,否则应继续饱和。B值按式(3)计算:B=uσ3……………………(3)式中:u———孔隙水压力,kPa;σ3———周围压力,kPa。6试验方法6.1不固结不排水剪(UU)6.1.1试样饱和后,关进水阀、排水阀,开周围压力阀,施加设定的周围压力至恒定值,测定初始孔隙水压u。6.1.2调试自动检测系统至测定状态:接A/D转换插头、开动函数记录仪和微机。6.1.3开动压力机,同时开动秒表,对非粘性粗粒岩土以每分钟轴向应变0.5%~1.0%的速度对粘性粗粒岩土为0.1%~0.5%,施加轴向压力。每分钟记录测力计和轴向变形计读数一次。6.1.4当峰值出现后,继续测记3~5次后关机;如无峰值时,则至轴向应变达15%~20%时关机。试验数据填入附录A,自动检测系统同时采集数据,函数记录仪自动绘制轴向荷载一轴向变形曲线。6.1.5试验结束后,先卸去轴向压力,再卸周围压力,打开压力室排气孔和排水阀,排除压力室内的水;拆除压力室外罩,揩干试样周围余水,去掉橡皮膜,对剪后试样进行描述。6.1.6其余几个试样分别在不同周围压力下,按6.1.1至6.1.5进行试验。6.2固结不排水剪(CU)6.2.1进行排水固结,步骤如下:a)同6.1.1;b)打开排水阀,同时开动秒表,对非黏性粗粒岩土按20~30s测记排水量管水位和孔隙压力计读数各一次,在固结过程中随时绘制排水量ΔV与时间t或孔隙压力u与时间t的关系曲线(见图2),曲线下段趋于水平,即排水量趋于稳定,固结完成。对黏性粗粒岩土按t1=(0,12,1,2,3,…,n)min时间测记固结排水量和孔隙水压力,在固结过程中随时绘制固结排水量ΔV与时间t的对数(或平方根)关系曲线,见图3,判断固结是否完成。c)固结完成后,关排水阀,开动压力机,当轴向压力计量表指针微动时,表示活塞与试样接触;d)同6.1.2关压力机,测定轴向变形读数,计算固结下沉量Δh。固结数据按附录A记录。6.2.2开动压力机,同时开动秒表,对非黏性粗粒岩土以每分钟轴向应变为0.1%~1.0%的速率(对黏性粗粒岩土为0.05%~0.1%)施加轴向压力。每分钟记录测力计、轴向变形计和孔隙压力计读数一次。6.2.3同6.1.4。6.2.4同6.1.5。6.2.5其余几个试样分别在不同周围压力按6.2.1至6.2.4进行试验。试验数据按附录B1记录。3图2排水量ΔV与时间t关系曲线图3固结排水量与时间对数关系曲线6.3固结排水剪(CD)6.3.1同6.2.1。6.3.2打开排水阀,开动压力机,同时开动秒表,对非黏性粗粒岩土以每分钟轴向应变为0.1%~0.5%的速率(对黏性粗粒岩土为0.003%~0.012%)施加轴向压力。每分钟记录测力计、轴向变形计、上下排水量管水位读数1次。6.3.3同6.1.4。6.3.4同6.1.5。6.3.5其余几个试样分别在不同周围压力下按6.3.1至6.3.4进行,试验数据按附录C表C1记录。47数据整理、计算和制图7.1试样固结后的高度hc、面积Ac和体积Vc,计算试样固结后的高度hc、面积Ac和体积Vc按式(4)、(5)、(6)计算。单位分别为cm,cm2,cm3。hc=h0-Δhc……………………(4)Ac=(V0-ΔVc)/hc……………………(5)Vc=hc·Ac……………………(6)式中:h0———试样初始高度,cm;Δhc———固结下沉量,cm;V0———试样初始体积,cm3;ΔVc———固结排水量,cm3。7.2剪时面积,Aa计算,剪切时面积Aa按式(7)、(8)、(9)计算。a)不固结不排水剪Aa=A01-ε1……………………(7)b)固结不排水剪Aa=Ac1-ε1……………………(8)c)固结排水剪Aa=Vc-ΔVihc-Δhi……………………(9)式中:A0———试样初始面积,cm2;ε1———轴向应变,%;Δhi———固结排水剪时试样高度变化,cm;ΔVi———固结排水剪时试样体积变化,cm3;Aa———剪切时面积,cm2。7.3应力计算a)主应力差(σ1-σ3),按式(10)计算:(σ1-σ3)=PAa……………………(10)式中:σ1、σ3———分别为最大主应力和最小主应力,kPa;P———轴向总出力,kN。注:公式1~10见SD128。b)不排水剪的有效应力按式(11)、(12)计算:σ'1=σ1-u……………………(11)σ'3=σ3-u……………………(12)式中:σ1、σ3———分别为最大有效主应力和最小有效主应力,kPa;u———孔隙水压力,kPa。7.4绘制主应力差(σ1-σ3)与轴向应变ε1关系曲线,绘制主应力差(σ1-σ3)与轴向应变ε1关系曲线,5见图4。7.5绘制应力路径曲线。以12(σ1-σ3)为纵坐标,以12(σ1+σ3)或12(σ'1+σ'3)为横坐标,绘制应力路径曲线,如图5所示。图4(σ1-σ3)与ε1关系曲线图5应力路径曲线7.6确定破坏强度值根据(σ1-σ3)与ε1关系曲线,计算破坏强度值,无峰值,则取轴向应变ε1=15%时的(σ1-σ3)值计算破坏强度值,或按应力路径曲线确定强度参数。7.7绘制强度包线以法向应力σ为横坐标,以剪应力τ为纵坐标,在横坐标上,以12(σ1+σ3)或12(σ'1+σ'3)为中心,12(σ1-σ3)为半径,绘莫尔应力圆。如图6所示,诸圆包线的倾角即为内摩擦角φ或φ',包线在纵坐标上的截距即为凝聚力C或C'。7.8抗剪强度指标计算按应力路径标准确定抗剪强度指标:凝聚力和内摩擦角。按式(13)、(14)计算。φ=sin-1(tanψ)或φ'=sin-1(tanψ')……………………(13)C=d/cosφ或C'=d'cosφ'……………………(14)式中:6φ、φ'———分别为内摩擦角和有效内摩擦角,(°);C、C'———分别为凝聚力和有效凝聚力,kPa;ψ、ψ'———应力路径曲线,诸线破坏点或密集点连线的倾角,(°);d、d'———上述连线在纵轴上的截距,kPa。图6强度包线图7.9其他指标计算7.9.1密度a)初始密度ρ0按式(15)计算ρ0=GV0……………………(15)式中:ρ0———试样制作初始密度,g/cm3;G———试样质量,g;V0———试样体积,cm3。b)固结密度ρc按式(16)计算ρc=G+WVc……………………(16)式中:ρc———试样饱和固结后密度,g/cm3;W———饱和固结后试样中的水质量,g;Vc———固结后试样体积,cm3。7.9.