人工冻土物理力学性能试验+第5部分人工冻土三轴剪切强度试验方法.pdf

mt / t 5 9 3 . 5 一1 9 9 6 前言 人工地层冻结( 简称冻结法) 在我国应用已有4 0 年。 煤炭行业经过十多年的人工冻土物理力学性能 试验， 已建立了较完善的冻土力学性能试验体系， 其试验数据直接可靠地指导冻结设计和施工， 并通过 试验研究和与国际同行交流， 形成了一套比较完善的人工冻土力学性能试验方法。 北京建井研究所根据我国的基本国情和已有的试验方法， 并参照国际地层冻结会议试验方法工作 委员会所推荐大纲的内容， 制定了本标准。 本标准在m t / t 5 9 3 人工冻土物理力学性能试验 总标题下分为七个部分: 第1 部分( 即m t / t 5 9 3 . 1 ) : 人工冻土试验取样及试样制备方法 第2 部分( 即mt / t 5 9 3 . 2 ) : 土壤冻胀试验方法 第3 部分( 即m t / t 5 9 3 . 3 ) : 人工冻土静水压力下固 结试验方法 第4 部分( 即m t / t 5 9 3 . 4 ) : 人工冻土单轴抗压强度试验方法 第5 部分( 即m t / t 5 9 3 . 5 ) : 人工冻土三轴剪切强度试验方法 第6 部分( 即m t / t 5 9 3 . 6 ) : 人工冻土单轴压缩蠕变试验方法 第7 部分( 即m t / t 5 9 3 . 7 ) : 人工 冻土三轴剪切 蠕变试验方法 本标准的附录a是提示的附录。 本标准由煤炭工业部科技教育司提出。 本标准由 煤矿专用设备标准化技术委员会归口。 本标准负责起草单位: 煤炭科学研究总院北京建井研究所。 本标准主要起草人: 李昆、 张云利、 陈湘生、 徐兵壮、 汪崇鲜。 本标准由煤炭科学研究总院北京建井研究所负责解释。 中华人民共和国煤炭行业标准 人工冻土物理力学性能试验 第5 部分: 人工冻土三轴剪切强度 试验方法 mt / t 5 9 3 . 5 一 1 9 9 6 1 范围 本标准规定了 人工冻土多试样和单试样三轴剪切强度试验所需的仪器、 设备、 试样、 试验步骤和结 果计算。- 本标准适用于对负温原状土及负温重塑土三轴剪切强度参数测试和计算. 2 引用标准 下列标准包含的条文， 通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。 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。 m t / t 5 9 3 . 1 人工冻土物理力学性能试验 第1 部分; 人工冻土试验取样及试样制备方法 mt / t 5 9 3 . 4 人工冻土物理力学性能试验第4 部分: 人工冻土单轴抗压强度试验方法 3 定义 本标准采用下列定义。 三轴剪切试 验 t r ia x i a l s h e a r t e s t 在不同的恒 定围 压( 即小主 应力q z = 0 3 ) 下施加轴向 压 应力( 即主应力差a l t q 3 ) 进行剪 切直至破坏 的过程。 4 仪器、 设备 4 . 1 三轴剪切仪: 必须具有。 . 0 5 0 o / m i n , 0 . 1 %/ m i n 和1 % / m i n 三种轴向应变速率。 围压6 mp a ( 适用 于土层埋深小于3 0 0 m) 或1 2 mp a ( 适用于土层埋深小于7 0 0 m) 。对应轴压为2 4 mp a 和4 0 mp a , 4 . 2 . 应力及变形测试元件: 量力环、 测力仪、 千分表、 位移计等。 4 . 3 温度计( 国家二级标准以 上) ， 测温仪( -4 0 4 0 0c ， 其精度为。 . 2 级) 。 4 . 4 冷却及温控设备。 4 . 5 体变测量仪( 体变测读分值为1 m m ) . 4 . 6 含水量、 密度测试装置等。 5 试样 5 . 1 采用负温原状土试样和负温重塑土试样， 其制备方法按m t / t 5 9 3 . 1 之6 . 2 . 2 和6 . 2 . 3 的规定进 行。 5 . 2 试样数量: 1 个( 单试样分级加载) 或3 - 4 个( 多试样分别加载) 。 中华人民共和国煤炭工业部1 9 9 6 一 1 2 一 0 3 批准 1 9 9 7 一 1 0 一 0 1 实施 mt / t 5 9 3 . 5 一1 9 9 6 6 荃本要求 应符合mt / t 5 9 3 . 4 第6 章的规定。 了 试验步骤 7 . 1 多试样三轴剪切试验 7 . 1 . 1 核实试样的来源、 编号、 密度、 含水量， 并填人附录a ( 提示的附录) 表内。 7 . 1 . 2 根据试样所处层位的静水压力0 . 0 1 3 h( 单位mp a ) ， 其中h为深度( 单位m ) ， 确定出三级围压 值: ( 0 . 0 1 3 h一1 ) mp a , ( 0 . 0 1 3 h) mp a 和( 0 . 0 1 3 h+1 ) mp a ， 或( 0 . 0 1 3 h) mp a , ( 0 . 0 1 3 h+1 ) mp a 和( 0 . 0 1 3 1 -1 +2 ) mp a ( 当深度小于1 2 0 m时) 。 7 . 1 . 3 施加第一级围压对试样进行固结， 固结时间为4 -6 h , 7 . 1 . 4 轴向应变速率取每分钟0 . 1 %或每分钟 1 . 0 /( 仅用于同人工冻土单轴抗压强度试验对比) 。 7 . ， . 5 启动三轴剪切仪， 当轴向活塞杆接触到上加压头时， 对测量轴向 荷载及变形的仪表调零。 同时测 记体变测量仪的数值。 试验过程中围压波动度不得大于1 0 k p a , 7 . 1 . 6 试验开始阶段， 试样应变每增加0 . 3 肠-0 . 4 %测记轴向 荷载及变形各一次， 当应变达3 %以后， 每增加。 . 6 % 一。 . 7 % 各测记一次; 体积变化由 体变测量仪随时记录。 如果试样特别硬脆或软弱， 可酌情 加密或减少测记的次数。 7 . 1 . 7 当轴向应力不再增加时， 继续加载到轴向应变增加3 0 o -5 写， 若量力环的量表读数无明显减 少， 试验直至轴向应变达到2 0 %为止， 记录荷载及变形终值。 7 . 18 试验结束后卸去轴向 荷载和围压， 描述试样破坏后形状， 测定试验后试样的含水量和密度。 7 . 1 . 9 对其余几个试样， 在不同围压下按本标准7 . 1 . 1 - 7 . 1 . 8 规定的步骤进行。 了 . 2 单试样分级加载三轴剪切试验 7 . 2 . 1 按本标准7 . 1 . 1 7 . 1 . 6 规定的步骤进行。 7 . 2 . 2 当荷载值接近稳定( 主应力差小于5 k p a ) 或轴向应变达到弹性极限后刚出现屈服时， 停止加 载。记录荷载及轴向变形。 7 - 2 - 3 卸去轴向荷载， 施加第二级围压， 固结2 0 3 0 m i n 之后按本标准7 . 1 . 4 -7 . 1 . 6 和7 . 2 . 2 规定 的步骤进行。 7 . 2 . 4 卸去轴向荷载， 施加第三级围压， 固结2 0 3 0 m i n 之后按本标准7 . 1 . 4 7 . 1 . 6 和7 . 2 . 2 规定 的步骤进行， 最后一级围压下的剪切直至试样破坏为止。 7 . 2 - 5 按本标准7 . 1 . 8 条规定进行。 8 计算、 制图 8 . 1 试样固 结后高度、 面积及剪切时的轴向 应变、 面积计算 8 1 1 多试样三轴剪切试验: a ) 固结后的试样高度及面积 h 。 二h 。 一a h ,“ 一 ” ” ” . ( 1) 入 = ( v 。 一 v 心 ) / k “ ” ” ， . . . . . . . (2) 式中: 凡 固结后试样高度， m m; h -固结前试样高度， m m; o h 固结后试样高度的变化量, m m ; a 固结后试样面积， m m ; v o 固结前试样体积, m m ; mt / t 5 9 3 . 5 一1 9 9 6 a v固结后体积变化量， m m , b ) 剪切时的试样轴向应变及面积 e , = a h / h ,(3) a , =a , / ( 1一 , ) ” “ ” “ “ ( 4) 式中: : 1 轴向应变; a h剪切过程中试样轴向变形， m m; a ,剪切过程中 试样截面积， m m 2 , 8，2 单试样分级加载三轴剪切试验: 8 . 1 . 2 . 1 施加第一级围压后试样高度和面积按式( 1 ) , ( 2 ) 计算， 试验中的试样轴向应变和面积， 按式 ( 3 ) , ( 4 ) 计算。 8 . 1 . 2 . 2 施加第二级和第三级围压后的试样高度和面积。 a ) 施加第一级围压固结后， 试样的高度和面积作为第二级围压下的起始高度和面积， 按式( 1 ) , ( 2 ) 计算。 b ) 施加第二级围压固结后， 试样的高度和面积作为第三级围压下的起始高度和面积， 按式( 1 ) , ( 2 ) 计算9 8 . 2 主应力差( a l -q z ) 的计算 o , 一 a , =c o r / a ,(5) 式中 8 . 3 式中 a , 轴向主应力， mp a ; 。 。 径向主 应力( 围 压) , m p a ; c a量力环率定系数, n / m m; a , 试样剪切时的面积， m m 2 ; r -量力环读数 m m. 试样体积变化量计算 a v=a l a ， 一 ( 队。 +助 ) a , (6) 8 . 4 b - 4 . 1 8 . 4 . 2 a v 试样体积变化量， m m ; a l 体变测量仪活塞杆位移量， m m; a 体变测量仪缸体截面积， m m 2 ; 人 进人压力室轴向加压活塞杆的截面积， m m 2 , 制图 绘制主应力差( a l -a 3 ) 与应变关系曲线。 绘 制 应 力 莫尔 圆， 并 作 莫尔 圆 包 络 线。 该 包络 线 与 各 莫尔圆 交点 处 切 线 的 平 均倾 角 为 冻 土的内 摩擦角。 ， 这些切线在纵轴上的平均截距为粘聚力: 。 mt / t 5 9 3 . 5 一 1 9 9 6 附录a ( 提示的附录) 人工冻土三轴剪切强度试验表 试验前试样高度h 。 二m m 试验前试样直径d o =m m 试验前试样截面积a o = m m 2 试样重量g = g 试验前试样含水量w。 =% 试验前试样密度r = g / m m 试验温度 t= 围压。 =