關(guān)于實(shí)驗(yàn)室三軸試驗(yàn)多樣剪與多級(jí)剪的比較

楊西海

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 三軸不固結(jié)不排水（UU）剪切試驗(yàn)多樣剪與多級(jí)剪試驗(yàn)的比較

（1）三軸不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)的原理

飽和黏性土試驗(yàn)前，試樣不發(fā)生固結(jié)，施加軸向壓力時(shí)土樣不允許排水，飽和黏性土試樣在不固結(jié)不排水剪切時(shí)，含水率保持不變，試樣的體積就不變，所以改變壓力室壓力并不能改變?cè)嚇拥挠行?yīng)力，而只能引起空隙水壓力發(fā)生變化。由于三個(gè)試樣在剪切時(shí)的有效應(yīng)力相等，在剪切時(shí)含水率保持不變，因此抗剪強(qiáng)度不變，破壞時(shí)的應(yīng)力圓直徑相等，三個(gè)總應(yīng)力圓所作的摩爾包線是一條水平線，按庫侖定律∮=0,Tf=Cu,Cu=1/2（σ1-σ3）。

非飽和黏性土，由于試驗(yàn)空隙中含有氣泡，在周圍壓力的作用雖然試樣未發(fā)生排水固結(jié)，但是由于氣體體積壓縮，以及一部分氣泡受壓力后溶解于水中，結(jié)果使空隙的體積減小。試樣體積壓縮，所以有效應(yīng)力隨σ3增大，不排水強(qiáng)度隨σ3增大。因此非飽和黏性土試驗(yàn)的摩爾包線不像飽和試樣那樣是水平線，而是曲線。σ3增大，則水中溶解的氣體越多，試樣的飽和度越大。當(dāng)σ3增大到一定值試樣接近飽和時(shí)，強(qiáng)度不再增加，摩爾包線接近水平線。

（2）本次采用的試驗(yàn)三軸儀器是由北京華勘科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的應(yīng)變式DS08型全自動(dòng)三軸儀。由主機(jī)、壓力室、軸向加壓設(shè)備、施加周圍壓力系統(tǒng)、體積變化和空隙壓力量測(cè)系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)采集器、自動(dòng)控制器、電腦等組成。

（3）制備一組試樣進(jìn)行UU多樣剪試驗(yàn)

制備一組土樣號(hào)為2926，試樣物理性指標(biāo)為：

密度：1.71 g/cm3、1.69 g/cm3、1.70 g/cm3；

含水率：56.7（%）；

比重：2.75。

將此組試樣分別在三臺(tái)自動(dòng)三軸上安裝。

在壓力室的底座上，依次放上不透水板，試樣及不透水試樣帽將橡皮膜用膜筒套在試樣外，并用橡皮筋將橡皮膜兩端與底座及試樣帽分別扎緊。

將壓力罩放在壓力室機(jī)座上，使活塞對(duì)準(zhǔn)試樣中心，并均勻地?cái)Q緊底座連接螺母。向壓力室內(nèi)注滿純水，然后再計(jì)算機(jī)上設(shè)定試樣參數(shù)。

設(shè)置好參數(shù)后開始進(jìn)行多樣剪（UU）試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后把數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)里。試驗(yàn)結(jié)束得到試樣2926試驗(yàn)數(shù)據(jù)成果見圖1。

（4）制備一組試樣進(jìn)行（UU）多級(jí)剪試驗(yàn)

將制備試樣2925（一個(gè)樣）試樣物理性指標(biāo)為：

密度：1.69 g/cm3；

含水率：56.7（%）；

比重：2.75。

將試樣安裝在一臺(tái)全自動(dòng)三軸儀上，安裝的方法與多樣剪相同。并在計(jì)算機(jī)上設(shè)置試驗(yàn)參數(shù),UU多級(jí)剪基本參數(shù)設(shè)定。然后開始多級(jí)剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后采得試樣2925試驗(yàn)（UU）數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)里。試驗(yàn)成果見圖2（應(yīng)力差與軸向應(yīng)變曲線和應(yīng)力差強(qiáng)度包線）。

圖1 試樣2926試驗(yàn)成果圖

圖2 試樣2925試驗(yàn)成果圖

通過三軸多樣剪（UU）試驗(yàn)與三軸多級(jí)剪（UU）試驗(yàn)分別得到兩個(gè)摩爾強(qiáng)度包線，相比較：

多樣剪（試樣 2926）Cu=16 kPa，Φu=0.6；

多級(jí)剪（試樣 2925）Cu=16 kPa，Φu=0.3。

（5）三軸UU試驗(yàn)（多樣剪與多級(jí)剪）比較結(jié)論通過試驗(yàn)所得到的抗剪強(qiáng)度十分相近。但所設(shè)定的參數(shù)有所不同，多級(jí)剪使用一臺(tái)全自動(dòng)三軸而多樣剪要使用三臺(tái)自動(dòng)三軸。由于多級(jí)剪采用一個(gè)試樣避免了試樣不均勻而造成的應(yīng)力圓分散、各應(yīng)力圓能切于強(qiáng)度包線。

2 三軸固結(jié)不排水（CU）剪切試驗(yàn)多樣剪與多級(jí)剪試驗(yàn)比較

2.1 三軸固結(jié)不排水（CU）剪切試驗(yàn)原理

固結(jié)不排水試驗(yàn)的第一階段，即施加周圍壓力σ3時(shí)，土樣充分排水固結(jié)，U1=0，于此同時(shí)土樣體積壓縮，這時(shí)增加的σ3就轉(zhuǎn)化為骨架上的有效應(yīng)力；第二階段施加偏差應(yīng)力時(shí)，不允許排水。因此，土的強(qiáng)度將隨著周圍應(yīng)力的增大而增大。從而按總應(yīng)力整理得到的強(qiáng)度包線為實(shí)線，其強(qiáng)度指標(biāo)分別以CCU和ΦCu來表示。

若將總應(yīng)力σ1和σ3分別減去破壞是的空隙壓力Uf，也即把每一個(gè)總應(yīng)力圓向左移動(dòng)Uf的距離，就得到一組相應(yīng)的有效應(yīng)力圓及其強(qiáng)度包線。其以虛線所表示。

對(duì)于正常固結(jié)的土有效應(yīng)力強(qiáng)度包線通常是通過原點(diǎn)，所以有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)為Φ，而C=0。

2.2 制備一組土號(hào)為2981試樣，做Cu多樣剪試驗(yàn)

物理性指標(biāo)如下：

密度：1.72 g/cm3、1.76 g/cm3、1.77 g/cm3；

含水率：46.7%；

比重：2.75。

三軸固結(jié)排水剪所用的主要儀器設(shè)備與前述三軸不固結(jié)不排水剪所用儀器設(shè)備相同，只是安裝試樣和試驗(yàn)方法有所不同。

Cu多樣剪試驗(yàn)的安裝：取一組2981試樣，分別安裝在三臺(tái)應(yīng)變式全自動(dòng)三軸儀上。

開孔隙水壓力閥和排水閥，對(duì)孔隙水壓力系統(tǒng)及壓力室底座充水排氣后，關(guān)孔隙水壓力閥和排水閥。壓力室底座上依次放上透水板、濾紙、試樣及試樣帽。試樣周圍貼浸濕的濾紙條，（為加快固結(jié)排水和剪切時(shí)，試樣內(nèi)空隙水壓力均勻，規(guī)定在試樣周圍貼浸濕的濾紙條，通常用上下均勻透水板相連的濾紙條，濾紙條的寬度與試樣尺寸有關(guān)，對(duì)直徑39.1 mm的試樣，一般用6 mm寬的濾紙條7～9條），套上橡皮膜，將橡皮膜下端與底座扎緊。從試樣底座部充水，排除試樣與橡皮之間的氣泡，并將橡皮膜上端與試樣帽扎緊，降低排水管，使管內(nèi)水位在試樣中心以下20～40，吸出余水，再關(guān)排水閥。

將壓力罩放在壓力室機(jī)座上，使活塞對(duì)準(zhǔn)試樣中心，并均勻地?cái)Q緊底座連接螺母，向壓力室內(nèi)注滿純水，然后在計(jì)算機(jī)上設(shè)定試樣參數(shù)。

參數(shù)設(shè)定好后，保存參數(shù)并發(fā)送參數(shù)到自動(dòng)控制器和數(shù)據(jù)采集器，開始進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)束后，在計(jì)算機(jī)上保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并得到了CU多樣剪2981的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和成果，見圖3。

圖3 試樣2981試驗(yàn)成果圖

2.3 制備一組試樣進(jìn)行（CU）多級(jí)剪試樣

物理性指標(biāo)如下：

密度：1.76 g/cm3；

含水率；47.2%；

比重：2.75。

制備土樣號(hào)為2993的一個(gè)直徑39.1 cm高為8 cm的試樣進(jìn)行三軸CU多級(jí)剪試驗(yàn)。

儀器設(shè)備為一臺(tái)DS08型全自動(dòng)三軸儀，安裝操作步驟同CU多樣剪相同。安裝后在計(jì)算機(jī)上設(shè)定參數(shù)。

參數(shù)設(shè)定后，進(jìn)行保存并發(fā)送參數(shù)到自動(dòng)控制器和數(shù)據(jù)采集器，開始進(jìn)行CU多級(jí)剪的試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)束后，得到多級(jí)剪2993的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行保存，然后通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的計(jì)算得到了多級(jí)剪試驗(yàn)成果、應(yīng)力差強(qiáng)度包線、主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變曲線等。試驗(yàn)成果見圖4。

2.4 三軸CU試驗(yàn)（多樣剪與多級(jí)剪）比較

（1）通過試樣2981的多樣剪與試樣2993多級(jí)剪試驗(yàn)所得出的數(shù)據(jù)比較（它們都是同一土層）得知：

2981：Ccu=7 kPa，Φcu=17.9°，C’=2 kPa，Φ’=32.4°。

2993：Ccu=7 kPa，Φcu=16.6°，C’=2 kPa，Φ’=30.0°。

圖4 試樣2993試驗(yàn)成果圖

（2）通過Cu多樣剪和CU多級(jí)剪試驗(yàn)得出它們的總應(yīng)力強(qiáng)度和有效應(yīng)力強(qiáng)度很相近，只不過試驗(yàn)過程有所不同。對(duì)于多級(jí)剪第一級(jí)剪切完成后，第二級(jí)以后的各級(jí)周圍壓力以采用后一級(jí)的周圍壓力等于或大于前一級(jí)破壞時(shí)的大主應(yīng)力為宜。以避免預(yù)壓作用的影響。對(duì)于固結(jié)不排水剪，剪切完成后，需退除軸向壓力（即鋼環(huán)退零），使試樣回復(fù)到等向受力狀態(tài)，再施加下一級(jí)周圍壓力，這樣可以消除固結(jié)時(shí)偏應(yīng)力的影響，保持試樣在等向壓力下固結(jié)。而三軸多樣剪則不需要。另在制備試樣過程中多樣剪試驗(yàn)需要制備三個(gè)試樣，相比多級(jí)剪而言，土樣擾動(dòng)的可能性要大的多，從而影響試驗(yàn)結(jié)果。多級(jí)剪采用一個(gè)試樣做試驗(yàn)，避免了土樣不均勻性影響試驗(yàn)結(jié)果的差異，且可以最大化利用試驗(yàn)儀器設(shè)備。

3 結(jié)論

通過三軸試驗(yàn)（UU、CU）多樣剪與多級(jí)剪的試驗(yàn)方法相比較，采用一個(gè)試樣多級(jí)加荷的三軸剪切試驗(yàn)測(cè)定抗剪強(qiáng)度參數(shù)。由于避免了試樣之間的差異，所測(cè)得成果比較規(guī)律，強(qiáng)度包線易于繪制，比多樣剪三軸試驗(yàn)有一定的優(yōu)勢(shì)。通過上述試驗(yàn)方法的對(duì)比，兩種試驗(yàn)方法所取得的試驗(yàn)成果UU試驗(yàn)強(qiáng)度包線、CU、Φ值和CU試驗(yàn)強(qiáng)度包線、總應(yīng)力、有效應(yīng)力、CU、CU’、Φ、Φ’值都相接近，可以采用制備一個(gè)試樣來進(jìn)行多樣剪的三軸試驗(yàn)方法來進(jìn)行試驗(yàn)，充分利用現(xiàn)有儀器設(shè)備，從而滿足了工程上技術(shù)要求和工期的需要。