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土力学规范
4.8VANESHEARTEST(VST)
4.8十字板剪切试
4.8.1General
4.8.1概述
Thevanesheartest(VST)involvestheuseofasimplerotatedbladetoevaluatetheundrainedshearstrengthinsofttostiffclaysandsilts.TheuseoftheVSTshouldbelimitedtosoilsinwhichslow(6o/min)rotationofthebladewillleadtoundrainedshearing.
十字板剪切试验是用旋转的叶片测量软土、硬土以及粉土的不排水抗剪强度。
该试验只能在土中进行,缓慢旋转叶片(6°/min)就可以得到土的不排水抗剪强度。
4.8.2Equipment
4.8.2试验设备
EquipmentnecessaryforaVSTincludesafour-sidedvanewithaheighttodiameter(H/D)ratioof2,rods,andatorque-measuringdevice.Additionalequipmentmayincludearodsheath,protectionshoe,orslipcouplingtoaccountforrodfriction,andageardrivetoprovideaconstantrateofrotation.
十字板剪切试验所需的设备有:
一个有四条边的刀片,它的高和直径之比为2;一个扭矩测量设备,此外还需要一个柱鞘、护筒或一个滑动耦合装置来测量柱鞘的摩擦力、一个传动装置提供恒定的转速。
Thestandardvanehasadiameter(D)of65mm,aheight(H)of130mm,andavaneedgethickness(t)of2mm.However,vanesizesrangefromadiameterof38to92mm,aheightof76to184mm,abladethicknessbetween1.6and3.2mm,andareattachedtoa12.7-mmdiameterrod.Theroddiametermayneedtobeincreasedinstiffmaterialstopreventyieldingoftherodduringrotation.Thevanemayberectangular,double-tapered,orsingle-tapered(i.e.,taperedatthebottomofthevane).Usingataperedvanewillfacilitateplacementofthevaneinstiffermaterials.Atypicalvaneandasummaryofthegeometricparametersusedtoidentifyavaneareprovidedinfigure19.
标准的十字板直径为65mm,高度为130mm,叶片厚度为2mm。
然而十字板的尺寸有很多种,它的直径从38mm到92mm,高度从76mm到184mm,叶片厚度从1.6mm到3.2mm,被固定到一个直径为12.7mm的传力杆上。
在坚硬的土体中旋转时,为防止柱发生弯曲,因此要增加柱的直径。
剪切板可以是矩形、单锥面或双锥面(锥面在剪切板的底部)。
锥面的剪切板可以用于坚硬的地质环境中。
一种典型的十字形剪切板和确定它的参数如图19所示。
Vanesizeselectionisafunctionoftheanticipatedstrengthofthesoilandaccuracyofthetorquewrench.Largervanesaretypicallyusedinsoftsoilsandsmallervanesusedinstiffersoils.Whilealargevanewillprovidebetterresolutionthanasmallervane,itmaycausemoredisturbanceduringinsertion,bemoredifficulttorotateandthusleadtoadditionaldisturbance,orresultinloadsthatoverstressthecapacityofthetorquewrench.Anumberofdifferentsizedvanes,aswellastorquewrencheswithvaryingcapacity,shouldbebroughttothefieldtoaccommodatepotentiallyvariableconditions.
十字剪切板的选择要根据土的预计强度和扭矩扳手的精确度,大的十字板用于软土中,小的用于较坚硬的土中,但是大的十字板精度比小的高。
在插入的过程中会产生很多的干扰,而且随着旋转难度的增加会产生更多的干扰,这或许会超过扭矩扳手的量程值。
不同尺寸的十字板和多种量程的扭矩扳手能够适应潜在变化的地质环境。
4.8.3Procedures
4.8.3试验过程
ProceduresforthevanesheartestareoutlinedinASTMD2573.Dependinguponwhattypeofvanesheardeviceisused,thereisthepotentialforfrictiontodevelopalongtherod.Thetorque-measuringequipmentcanrecordthisfriction.Thisrodfrictionneedstobeminimizedandaccountedforinthecalculationofshearstrength.Typicalmethodstoaccountforrodfrictioninclude:
(1)rodsprotectedwithinasheath;or
(2)measurementofrodfrictionwithaslipcoupling.Ifthevanetestisperformedbelowthebottomofaborehole,thedepthtothetopofthevanefromthebottomoftheboreholeshouldbeequaltoabout4boreholediameterstominimizedisturbanceeffects.
十字板剪切过程如ASTMD2573中所示。
根据所使用的设备,以及摩擦力的大小来确定柱的尺寸,扭矩测量仪可以测量扭矩的大小。
柱上的摩擦力应被降到最低,该摩擦力会对剪力的计算产生影响。
柱上的摩擦力产生的原因有:
(1)柱上的柱鞘;
(2)如果试验在低于钻孔的位置进行,测量的摩擦力会有滑动耦合。
TheVSTshouldbestartedwithin5minutesofinsertion,andthevaneshouldberotatedat6operminute.Thisusuallyresultsinatimetofailurebetween2and5minutesandisusuallyfastenoughtoassureundrainedconditions,buttimetofailuremaybeupto10to15minutesinverysoftclays.
Readingsoftorqueat30secondto1-minuteintervalsarerecommendedtoprovideanassessmentofthesoilresponse.Additionally,systemsarecurrentlyavailablewhichrecordtheappliedtorquewithtimeorangleofrotation.Systemsthatuseageardrivetorotatethevanecaneliminatesomeofthepotentialoperatorerror,butlimittheflexibilitynecessarytotestextremelysoftsoils.
十字板剪切试验应该在仪器插入土的5min内完成,而且转速应该保持6°/min。
在2到5min完成实验可能导致实验失败,而且速度要快以保证不排水实验环境。
在软土中10到15min完成实验也会导致实验失败。
建议30s到1min记录一次扭矩,这样可以对土的反应做出评价。
此外,在记录扭矩时可以同时记录旋转的时间和角度。
系统通过驱动装置使叶片旋转以防止一些人为的失误,但这也限制了实验的灵活性,这在软土中实验时十分重要的。
4.8.4ParametersMeasured
4.8.4参数测量
Threeparameterscanbeobtainedfromthevanesheartest:
(1)undrainedshearstrength(su,VST);
(2)remoldedundrainedshearstrength(sr,VST);and(3)sensitivity(St,VST).ItshouldbenotedthatthesubscriptVSTisaddedtoeachparametertonotethattheparameterwasobtainedusingvanesheartestdata.Theundrainedshearstrength,remoldedshearstrength,andsensitivitywilldifferdependinguponthemodeofshear,aswellasthestrainlevelanddegreeofremolding.
可以从十字板剪切实验中获得三个参数:
(1)不排水抗剪强度
(2)重塑土不排水抗剪强度(3)灵敏度。
每个参数下会有VST脚标,表示该参数是通过VST实验得到的。
不排水抗剪强度、重塑土不排水抗剪强度、灵敏度根据抗剪模型、拉力水平和重塑水平的不同而不同。
Duringrotation,thetorque(T)ismeasuredandthemaximumtorque(Tmax)isusedtocalculatetheundrainedshearstrengthbasedonthevanegeometry.Priortocalculationofundrainedshearstrength(su,VST),thetorqueassociatedwithrodfriction(Trod)mustbesubtractedfromthemeasuredtorque(Tnet=Tmax–Trod).Bestpracticeinvolvesusingasheath(oraslipcoupling)toeliminaterodfriction,andthusTnetwouldequalTmax.Theundrainedshearstrengthforastandardrectangularvane(H/D=2)isexpressedas:
在旋转的过程中测量扭矩的大小,根据十字板的尺寸,最大扭矩被用来计算不排水抗剪强度。
在计算不排水抗剪之前,必须从所测得的扭矩中减去柱上摩擦力产生的扭矩。
消除摩擦力最好的方法是利用柱的鞘套,因此
,标准的矩形十字板计算不排水抗剪强度的表达式:
(公式14)
whereDisthediameterofthevane(seefigure19).Forthegeneralcaseofrectangularortaperedvanes,thefollowingequationisusedtocalculateundrainedshearstrength:
这里D表示十字板直径,对于一般的矩形或锥形十字板用下面的公式计算:
(公式15)
theremoldedstrengthisachievedinthesamemannerasthepeakstrength,exceptthetorquereadingistakenduringrotationofthevanefollowing10rapidturns.Thetorqueassociatedwithrodfrictionshouldberecordedpriortotheremoldedtest,andthensubtractedfromthemaximumtorquerecordedforcalculationsofsr,VST.Thesensitivityofthesoilfromvanesheartestsisexpressedas:
用同样的方式得到重塑土的抗剪强度,将其作为最大强度。
如果在旋转过程中所得到的扭矩是在低于10转时得到的,那柱的摩擦力产生的扭矩应该在测重塑土强度之前测量,接着从最大弯矩中排出干扰项。
十字板剪切试验计算土的灵敏的公式为:
(公式16)
4.9USEOFDRILLRIGSTOPERFORMIN-SITUTESTS
4.9利用钻孔设备现场试验
Whenusingadrillrigtoperformin-situtestssuchastheCPT,DMT,andPMT,itwillbenecessarytocarefullypasswires,cables,andtubingthroughthedrillrodandcouplings.Theinsidediameterofthecouplingwilltypicallybethelimitingdiameter.Theendsofcableswilltypicallybethelargestdiameterofthecableortubingsystemandshouldthereforebesmallerthanthediameterofthedrillrodcouplings.Typically,AWdrillrodisusedwhenCPTsareperformedfromdrillrigs.Wires,cables,andtubingwillneedtoexitthroughacouplingatthegroundsurface.Thetopcouplingshouldhaveaslotinthesidetoenablecablesandtubingtopassthroughwithoutbeingpinchedorcut.
利用钻孔设备现场试验,例如:
CPT、DMT、PMT。
连接好电线和缆索,钻孔柱和联动器。
耦合器的内径一般为固定直径,缆索端部的直径为缆索或管系统中直径的最大值,但是该直径应该比钻孔柱耦合器直径小。
一般情况下当采用钻孔设备进行CPT法测试时,应采用AW钻孔柱。
电线、缆索和管道需要在地表面通过一个耦合器。
在顶部的边上应该有一个狭槽,来让缆索和管道通过,而不用被压紧或剪断。
Itisimportanttoensurethattheadapterforthein-situtestingdevicebeappropriatelyattachedtothedrillrod.ThreadsfortheCPTandDMTareusuallyproprietaryandmanufacturersofCPTandDMTequipmentdonottypicallyhavedrillrodadaptersreadilyavailable.Forthisreason,itisbestpracticetohaveadrillingequipmentsupplierweldtheCPTorDMTadaptertotheappropriatedrillrodcoupling.
确保现场测试设备的适配器准确的固定到钻孔柱上.CPT和DMT设备生产商可以生产所需要的线,但是无法生产合适的钻孔柱适配器。
因为这个原因,最好的方式是钻孔设备供应商能把设备适配器焊在钻孔柱耦合器上。
CasingmaybeneededtosupporttheboreholeabovethezoneoftestingfortheVSTandPMTtests.TypicalcasingsizesareprovidedinFHWAHI-97-021(1997).AppropriatecasingsizesanddiameterswillbeafunctionoftheprobediameterandareoutlinedinASTMD2573fortheVSTandASTMD4719forthePMT.
需要一个套箱去支撑空洞,空洞在进行VST和DMT测试的上方,套箱尺寸在FHWAHI-97-021(1997)中所示。
合适的套箱尺寸和直径将会起重要的作用。
对VST和PMT测量方法描述如图表所示。
Ifnon-standardequipmentisusedtoadvancetheprobe,suchasadrillrigorGeoProbetruck,thetimeforadvancementofeachrodshouldberecordedforCPTandDMTtests.ACPTcontractormaybeabletousethedataacquisitionsystemtorecordtimeofpenetrationalongwithdepth,tipresistance,sleevefriction,andpenetrationporepressure.Itshouldbespecifiedthatthesubcontractorprovidetimeinformationalongwithdepthinformation,iftheirsystemiscapableofrecordingtime.Thepenetrationshouldbemaintainedrelativelyconstant,atarateof20+5mm/secfortheCPTandDMT.Anypausesinpenetrationshouldbenotedonalog.
如果没有标准的设备去提前测试,例如钻孔设备或探测车,每根柱的提前时间应该被记录。
CPT承包商应利用数据获得系统去记录渗透时间和深度、倾覆阻力、套筒摩擦和渗透压力。
如果分包商的系统可以记录时间,他们应该提供时间信息和深度信息渗透应保持20±5mm/s速度保持不变,对于CPT和DMT,在记录过程中的任何中断都应该被记录。
4.10.IN-SITUTESTINGINROCK
4.10岩石的现场测试
4.10.1General
4.10.1概述
In-situtestingtoevaluaterockmassdeformationmodulusandshearstrengthissometimesrequiredforthedesignoffoundationsformajorstructuressuchasdamsandbridges,however,suchtestingisnotperformedforstructuralfoundationsorslopesassociatedwithtypicalhighwayapplications.Circumstanceswherein-siturocktestingmaybecarriedoutforhighwayprojectsinclude66foundationscomprisingcloselyfracturedandweakrockthatcouldcompress,resultinginsettlementofthestructure,orcontinuous,lowstrengthdiscontinuitiesonwhichslidingcouldtakeplace.Theneedforin-situtestingwouldarisewhenitisnotpossibletoobtainundisturbedsamples,orsufficientlylargesamples,forlaboratorytesting.Thissectionprovidesanoverviewofspecificinsitutestingmethodsthatmaybeusedforrock(seetable11)andisbasedlargelyoninformationpresentedinWyllie(1999).
对于设计大坝和桥梁这样的建筑基础,现场测试岩石的变形系数和抗剪
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