[发明专利]一种黏土真粘聚力的测试装置及测试方法

说明书

一种黏土真粘聚力的测试装置及测试方法，所述测试装置包括水槽；所述水槽中设置有待测黏土试样，多孔板放置在黏土试样上端面，百分表测量多孔板的竖向位移。所述测量方法，包括按照公路土工试验规程制备试样，试样安放和浸水饱和，施加上覆荷载至试样破坏，测得试样所受到的最大主应力σ₁，量测试样破坏时剪切面的倾角θ；根据莫尔‑库仑理论，确定莫尔圆坐标并画莫尔圆，画过原点倾角为θ的直线与莫尔圆的交点a的切线B，切线B在纵轴上的截距即为黏土试样的真粘聚力。本发明该装置和方法简单、操作方便、结构合理，能获得无围压状态下黏土的真粘聚力，解决了本领域长期以来不能准确获得黏土真粘聚力用于边坡稳定性计算的问题。

技术领域

本发明公开了一种黏土真粘聚力的测试装置及测试方法，属于岩土工程及土工试验技术领域。

背景技术

黏土是土的主要类型之一，在地球浅表层分布十分广泛。公路、铁路、建筑、水利工程建设中常常遇到黏土边坡失稳的工程问题。与砂土和粉土不同，因为黏土中含有蒙脱石、伊利石或高岭石等黏土矿物，黏粒含量大，其抗剪强度包括土颗粒和土颗粒之间的摩擦力提供的摩擦强度，还包括土颗粒之间相互吸引和粘结产生的粘聚力。对于黏土边坡稳定性计算分析而言,粘聚力和内摩擦角是最重要的计算参数。能否正确地测定黏土的粘聚力和内摩擦角,是设计质量和工程成败的关键所在。

研究和工程设计中，常常采用直剪和三轴试验测定土的粘聚力和内摩擦角。其中直剪试验是将试样放在剪切盒中(图1)，它在一水平面上被分为上、下盒，一半固定，另一半或推或拉以产生水平位移。上部通过刚性加载帽施加正的竖向荷载。试验过程中竖向荷载一般不变，可量测水平向剪切荷载、水平位移和试样垂直变形。根据剪切面的面积，可计算出剪切面上的正应力σ和剪应力τ。从破坏时(图2a曲线达到峰值时)的正应力σ与τ_f间关系可确定土的强度包线(图2b)。强度包线的截距即为粘聚力c′，与水平线的夹角即为内摩擦角

常规三轴试验采用圆柱形试样，试样被橡皮膜包裹放在压力室中(图3)。试验时先通过压力室内的液体对试样施加围压σ₃固结(图4a)。然后施加垂直轴向压力，即施加偏应力Δσ₁，直到试样剪坏(图4b)。试样破坏时的大主应力为竖向应力σ₁＝σ₃+Δσ₁，小主应力是围压σ₃。则由一个试样所得的σ₁和σ₃，可以绘制一个极限应力圆。对同一种土，另取几个试样，改变围压σ₃，试样剪坏时所加的轴压力σ₁也会改变，从而又可绘制另几个极限应力圆。这样，在不同周围压力下试验，就可得到一组(最少三个试样)极限应力圆。作这些应力圆的公切线，便是土的抗剪强度包线，由此包线可求得粘聚力c和内摩擦角(图4c)。

黏土真粘聚力应该在正应力或围压为零的应力状态下测定。而在直剪试验中，当上覆压力小于50kPa或为0时，试样的剪切面无法确保是平面，因此会造成很大的试验误差。并且因为直剪速率过快会产生孔隙水压力，破坏土体的粘聚力且抵消上覆荷载。在三轴试验中，当围压很小或为0时，竖向加载杆与顶帽的自重，加载杆与活塞轴套间摩擦、橡皮膜所产生附加应力等因素都会使试验结果产生较大误差。因此常规直剪试验和三轴试验通常在正应力或围压不小于50kPa的应力状态下进行测试，得到强度包线，将强度包线在纵坐标上的截距视为黏土的粘聚力。然而，大量的研究表明大多数强度包线在小应力范围(小于50kPa)内并非是线性的，因此通过外延直线段找其截距确定粘聚力往往是不准确的。在较大应力状态下，土颗粒随着剪切面的滑动会发生一定程度的嵌挤和摩擦，这种颗粒之间的咬合属于内摩擦角参数描述的剪切强度，但是在数据处理的过程中因为上覆压力的挤压，这部分的摩擦力会划归到粘聚力参数里，导致实测的粘聚力比真粘聚力要大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种黏土真粘聚力的测试装置及测试方法，该装置及方法能够测试无围压状态下黏土的真粘聚力，避免了常规三轴试验中橡皮膜张力、加载杆与活塞轴套之间摩擦对试验结果的影响，实验误差小。