DB15∕T 2423-2021 高纬度多年冻土区公路冻土静三轴压缩试验规程(内蒙古自治区).pdf

ICS 93.080.01 CCS P66 15 内蒙古自治区地方标准 DB15/T 24232021 高纬度多年冻土区公路冻土静三轴 压缩试验规程 Static triaxial test code of practice for frozen soil of highway in high latitude permafrost regions 2021-10-15 发布 2021-11-15 实施 内蒙古自治区市场监督管理局 发 布 DB15/T 24232021 I 目次 前言 . II 1 范围 . 1 2 规范性引用文件 . 1 3 术语和定义 . 1 4 仪器与设备 . 2 4.1 取样设备 . 2 4.2 试样保存设备 . 2 4.3 制样仪器与设备 . 2 4.4 试验仪器与设备 . 3 5 土样采集与试样制备 . 4 5.1 土样要求 . 4 5.2 试样要求 . 4 5.3 取样及接收管理 . 4 5.4 试样的制备 . 5 6 试验步骤 . 5 6.1 前期准备 . 5 6.2 测试过程 . 6 7 试验结果计算分析 . 6 7.1 轴向应变 . 6 7.2 试样面积的校正 . 6 7.3 主应力差 . 7 7.4 内摩擦角和粘聚力 . 7 7.5 弹性模量 . 8 附录 A（规范性） 冻土静三轴压缩试验数据记录表 . 9 DB15/T 24232021 II 前言 本文件按照GB/T 1.12020标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。 本文件由内蒙古自治区交通运输厅归口。 本文件起草单位： 内蒙古自治区交通运输科学发展研究院、 呼伦贝尔市公路勘测规划设计有限公司、内蒙古大学、中国科学院西北生态环境资源研究院。 本文件主要起草人：谢春磊、徐湘田、赵鑫、刘振孝、郑剑锋、王永涛、于晨、刘伟、王振华、王再宝、邵帅、王继伟、黄文斌、于彪、周明武、张晓宇、李庆林、王金利、白璐、倪宇飞、刘英国。 DB15/T 24232021 1 高纬度多年冻土区冻土静三轴压缩试验规程 1 范围 本文件规定了高纬度多年冻土区冻土静三轴压缩试验涉及的仪器设备、取样、制样、测试及数据分析等要求。 本文件适用于高纬度多年冻土区各等级公路原状土及重塑土，其他多年冻土区可参照执行。 2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中， 注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 50123-2019 土工试验方法标准 JTG 3430-2020 公路土工试验规程 MT/T 593.1-2011 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 593.5-2011 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 3 术语和定义 MT/T 593.1界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1 多年冻土 permafrost 冻结状态持续两年及两年以上的土（岩）。 3.2 高纬度多年冻土区 high-latitude permafrost regions 我国东北北纬46 以北、存在多年冻土的地区。 3.3 原状冻土试样 frozen undisturbed soil specimen 从冻结地层中取得冻结原状土，进行加工而成的冻土试样。 3.4 重塑冻土试样 frozen remolded soil specimen 由原状土经烘干、破碎、配土、加工成型，再负温冻结而成的冻土试样。 来源：MT/T 593.1-2011，3.5 3.5 DB15/T 24232021 2 冻土静三轴压缩试验 triaxial compression test of frozen soil 在试验仪器压力室内以不同的恒定围压（小主应力2=3）对冻土试样施加轴向压力（主应力差1-3）进行剪切直至破坏的试验。 3.6 内摩擦角 internal friction angle 反映土的摩擦特性，由土颗粒的表面摩擦力及颗粒间的嵌入和联锁作用产生的咬合力构成。 3.7 粘聚力 cohesion 土体内部相邻各部分之间的相互吸引力。 3.8 弹性模量 elastic modulus 材料的应力与相应的应变之间的比值， 表征物体弹性变形难易程度的物理量。 本文件中取土体峰值应力一半的应力与相应的应变之比值。 4 仪器与设备 4.1 取样设备 风镐、土芯（岩芯）钻具和其他设备等。 4.2 试样保存设备 温度控制箱：温度-30 0 ，精度0.1 ，10 h内温度波动度不超过0.5 。 4.3 制样仪器与设备 4.3.1 量具 天平：称量1000 g，最小分度值0.1 g；天平：称量500 g，最小分度值0.02 g；天平：称量200 g，最小分度值0.01 g；量筒：容积100 mL，最小刻度值1 mL；直角尺：200 mm200 mm，分度1 mm；游标卡尺：量程200 mm，最小刻度值0.02 mm。 4.3.2 碎土设备 颚式碎土机或其他碎土设备。 4.3.3 成型设备 击实仪、环刀、切土盘、切土器、制样机等。 4.3.4 辅助设备 保湿器、干燥器、木锤、橡皮板、标准筛、修土刀、钢锯、橡皮膜等，橡皮膜应满足JTG 3430-2020 T0144-1993 2.5的要求。 DB15/T 24232021 3 4.4 试验仪器与设备 4.4.1 冻土静三轴压缩试验仪 冻土静三轴压缩试验仪（如图1所示）由周围压力系统、温度控制系统等组成。变速率可调，最大轴向荷载200 kN；最大围压20 MPa，波动范围不超过10 kPa。 4.4.2 应力及变形测试元件 压力传感器：量程0 kN200 kN，精度1%；位移传感器：轴向量程0 mm50 mm，精度1%；数据自动采集系统等。 4.4.3 温度传感器：量程-40 +40 ，精度为 0.1 。 4.4.4 冷却及温控设备：温度-40 20 ，精度 0.1 ，10 h 内温度波动度不超过 0.5 。 标引序号说明： 1制冷系统； 2油源； 3压力室； 4保温层； 5围压加载油路； 6围压测量装置； 7轴向位移传感器； 8轴向荷载加载活塞及压力传感器； 9框架； 10温度传感器； 11试样； 12试样底座。 图1 冻土静三轴压缩试验仪示意图 DB15/T 24232021 4 5 土样采集与试样制备 5.1 土样要求 5.1.1 土样块体采集应取细粒土、砂类土土样，每块土样尺寸应大于等于 250 mm250 mm250 mm；钻孔采集时，土样直径大于等于 90 mm，高度大于等于 200 mm。 5.1.2 每组冻土三轴压缩试验需要试样数量大于等于 6 个，需根据试验参数及要求预估取样数量。 5.1.3 土样采集时，对每块土样进行编号并记录好采样地点、天气情况、时间、气温、深度、土样号、采样人等采样说明，并给土样贴上标签。 5.2 试样要求 5.2.1 规格：试样最小尺寸应大于土样中最大颗粒粒径的 10 倍，试样应为直径 61.8 mm、高度 125 mm或直径 50 mm、高度 100 mm 的圆柱形试样。 5.2.2 精度：外形尺寸误差小于 1.0 %。 5.2.3 配土：重塑土粗细颗粒应混合均匀，试样密度均匀。 5.2.4 密度：重塑土密度与原状土密度的差值小于等于 0.03 g/cm3。 5.2.5 含水率：重塑土含水率与原状土含水率，当含水率小于等于 40 %时误差小于等于 1 %，当含水率大于 40 %时误差小于等于 2 %，同一组试样的含水率差值在1 %范围内。 5.3 取样及接收管理 5.3.1 冻土的取样和接收，按下列步骤进行： a) 从冻结剖面采集的冻土块应符合 5.1.1 土样块体尺寸要求； b) 采用钻探方法采集冻土试样时，在多年冻土段、冻结黏性地层中，宜采用快速干钻法，避免扰动冻土，取芯样时，采用缓慢泵压法退芯，土样尺寸应符合 5.1.1 钻孔法土样尺寸要求； c) 取出的试样自上而下按顺序摆放，作好土样特征、取样深度、取样层位、土样名称、土样数量等土样记录； d) 将土样密封包装，贴上标签，并注明“上、下”字样，以示土样层位； e) 将封装好的冻土样用保温材料和密封袋包严，贴上标签并附土样记录装入温度控制箱； f) 冷藏运输至试验场所； g) 试验人员根据土样记录验收土样，验收合格后在验收单上签字登记； h) 将土样按层位分别存放在温度控制箱的指定位置，存放温度按照试验需求确定，应尽量减少存放过程中的搬运，以减少对土样的扰动； i) 试验后的土样，应按照相关规程、规范及委托单位事先要求进行保存。 5.3.2 未冻土的取样和接收，按下列步骤进行： a) 土样可在试坑、平洞、竖井、天然地面及钻孔中根据需要选取代表性土进行采取； b) 从现场采集的土样应符合 5.1.1 土样块体尺寸要求，并作好土样特征、取样深度、取样层位、土样名称、土样数量等土样记录； c) 将土样立即密封包装，贴上标签，并注明“上、下”字样，以示土样层位； DB15/T 24232021 5 d) 将封装好的非冻土样浸入石蜡中，再次密封，标上标签并附土样记录装箱，运至试验地点； e) 试验人员根据土样记录验收土样，验收合格后在验收单上签字登记； f) 将土样按层位存放在常温试验室内； g) 试验后的土样，应按照相关规程、规范及委托单位事先要求进行保存。 5.4 试样的制备 5.4.1 冻结原状土试样的制备，按下列步骤进行： a) 在负温试验室内，开启原状土包装，辨别土样上下层次，用钢锯平行锯平两端，无特殊要求时，使试样轴向与自然沉积方向一致； b) 用修土刀、切土盘、切土器或环刀等工具将土块修整成型，使其符合 5.2.1、5.2.2 的规定； c) 制备过程中，描述土样的情况，并记录它的层位、颜色、有无杂质、土质是否均匀和有无裂缝等； d) 将制备好的置于所需试验温度下恒温养护，养护时间为大于等于 24 h； e) 选取有代表性土样整体或分层分部位进行天然含水率和干密度的测定，天然含水率的测试方法按照 GB/T 50123-2019 中 5.2 规定的烘干法进行、干密度的测试方法按照 GB/T 50123-2019中 6.2 规定的环刀法进行。 5.4.2 冻结重塑土试样的制备，按下列步骤进行： a) 在试验室内，小心开启土样密封层，记录土样的颜色、土类、气味及夹杂物等，取有代表性土样进行天然含水率和干密度的测定，天然含水率和干密度的测试方法按照 GB/T 50123-2019中 5.2 规定的烘干法进行； b) 将土样自然风干，然后将其破碎、碾散，但切勿压碎颗粒，然后测定其收湿含水率，收湿含水率的测试方法按照 GB/T 50123-2019 中 5.2 规定的烘干法进行； c) 根据试验所需土样数量和要求，将碾散后的土样过筛，按规定过标准筛后，取出足够数量的代表性土样，然后分别装入密封容器内，标以标签； d) 依据土样天然含水率、干密度，计算并配置需水量，在限制蒸发条件下养护 24 h 以上，使土样含水率均匀； e) 彻底清洗模具，在模具内表面涂一层隔离剂，然后将湿土样分层装模，按土样天然密度将土样夯实压密，保证试样密度与天然密度在允许误差范围内，误差范围按 5.2.4 执行； f) 将试样连同模具贴上标签并密封在低于零下 20 的温度控制箱内进行快速完全冻结； g) 将试样在所需试验温度下脱模，并用修土刀修整，使试样符合 5.2.1、5.2.2 的要求； h) 将制备好的重塑冻土土试样贴上标签（标明来源、层位、重量、日期等），装入塑料袋内密封，置于所需试验温度下恒温养护，养护时间大于等于 24 h。 6 试验步骤 6.1 前期准备 6.1.1 核对试样的来源、编号、密度、完整性，并做好记录。 6.1.2 仪器核查：冻土静三轴压缩试验仪管路应通畅、活塞应能滑动，各连接处应无漏气，加压系统应无漏液情况；橡皮膜在使用前应仔细检查，方法是在膜内充气，扎紧两端，然后在沉入水下检查，应DB15/T 24232021 6 无气泡溢出。 6.1.3 开启温度控制系统，设置试验需要温度，降低冻土静三轴试验仪压力室环境温度至试验温度并稳定 1 h 以上，30 min 内温度波动范围不超过 0.1 视为温度稳定。 6.1.4 把制作完成的的标准原状冻土试样或重塑冻土试样套上橡皮膜装入压力室内。 6.2 测试过程 6.2.1 将冻土静三轴压缩试验仪轴向压头与试样轻轻接触，固定位移并将读数清零，测读体变测量仪的数值,然后开启围压加载装置施加围压至试验要求的数值，试验过程中围压波动范围不大 10 kPa。 6.2.2 轴向应变速率取为 1 %/min，试验开始阶段，试样应变每增加 0.3 %0.4 %测记轴向荷载及变形各一次，当应变达 3 %以后，应变每增加 0.7 %0.8 %测读一次，当接近峰值时应加密读数，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，可加密或减少测读的次数。 6.2.3 当轴向应力出现峰值时，继续加载到轴向应变增加 3 %5 %；若轴向应力无明显减少时，应按照 MT/T593.5-2011 中 7.1.7 规定的试验直至轴向应变达到 20 %为止，记录荷载及变形终值。 6.2.4 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率和密度，天然含水率的测试方法按照 GB/T 50123-2019 中 5.2 规定的烘干法进行、干密度的测试方法按照 GB/T 50123-2019 中 6.2 规定的环刀法进行。 6.2.5 对其它试样，不同围压下按 6.1.16.1.4 和 6.2.16.2.4 规定的步骤进行。 7 试验结果计算分析 7.1 轴向应变 轴向应变按式1计算： 10ihh=（1） 式中： 1轴向应变值，用百分比表示； ih轴向变形，单位为毫米（mm） ； 0h试样起始高度，单位为毫米（mm） 。 7.2 试样面积的校正 试样面积的校正按式2计算： 011aAA= （2） 式中： aA试样的校正截面积，单位为平方毫米（mm2） ； DB15/T 24232021 7 0A试样初始截面积，单位为平方毫米（mm2） ； 1轴向应变值，用百分比表示。 7.3 主应力差 主应力差按式3计算： 13a10CRA=（3） 式中： 1大主应力，单位为千帕（kPa） ； 3小主应力，单位为千帕（kPa） ； C测力计校正系数，单位为牛每零点零一毫米（N/0.01mm） ； R测力计读数，单位为零点零一毫米（0.01 mm） ； aA试样的校正截面积，单位为平方毫米（mm2） 。 7.4 内摩擦角和粘聚力 7.4.1 绘制应力应变关系曲线 在直角坐标纸绘制主应力差（）与应变1关系曲线。 7.4.2 绘制莫尔破损应力圆 以（13）的峰值点为破坏点，无峰值时，取15 %轴向应变主应力差值作为破坏点。以轴向应力为横坐标，剪应力为纵坐标，在横坐标上以为圆心 ， 为半径（f注脚表示破坏），在 应力平面图上绘制破损应力图，并绘制不同围压力下破损应力圆的包线，如图2所示。 图2 冻土静三轴压缩试验剪切强度包线图 7.4.3 求解抗剪强度 132ff132ff+DB15/T 24232021 8 莫尔破损应力圆包线与纵坐标的截距为粘聚力c， 破损应力圆包线与水平线的夹角为内摩擦角。 7.5 弹性模量 弹性模量按式4计算 ()130.50.5tE=（4） 式中： Et弹性模量，单位为兆帕（MPa） ； （13）0.550%的破坏应力，单位为兆帕（MPa） ； 0.5（13）0.5对应的应变值，用百分比表示。 DB15/T 24232021 9 A A 附录A （规范性） 冻土静三轴压缩试验数据记录表 冻土静三轴压缩试验数据记录表见表A.1。 表A.1 冻土静三轴压缩试验数据记录表 工程名称： 试 验 者： 土样编号： 计 算 者： 试样编号： 校 核 者： 土样说明： 试验日期： 试样状态记录试样状态记录 试验条件与结果描述记录试验条件与结果描述记录 试验前 试验后 试验温度 试样高度 mm 围压 MPa 试样直径 mm 轴向应变速率 %/min 试样截面积 mm2 试验破坏情况描述： 试样体积 mm3 / 试样质量 g 试样密度 g/cm3 试样含水率 % 轴向变形ih mm 轴向荷载F N 轴向应变 1 % 实际面积aA mm2 主应力差 MPa 轴向主应力1 MPa 13