三軸試驗結果變異性研究

呂 翔 王 靜 張云龍 曲肖龍

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三軸試驗結果變異性研究

呂 翔1王 靜1張云龍1曲肖龍2

（1.吉林建筑大學交通科學與工程學院 長春 130118；2.吉林省高等級公路建設局 長春 130021）

用三軸儀測定土的抗剪強度指標時，其試驗結果的變異通常較大,使得結果毫無規律可尋。為了在用三軸試驗測定土樣的抗剪強度參數時獲得較為穩定的結果，即準確的抗剪強度指標值。通過多次重復獨立試驗，基于數理統計，對土的三軸試驗結果進行了統計分析，結果表明：只進行一組或兩組重復試驗所得的抗剪強度參數數值波動較大，但是在三組重復試驗以后數據開始趨于穩定。

三軸試驗；抗剪強度參數；變異系數

0引言

三軸試驗儀（如圖1）是依據《土工試驗方法標準》[1]進行土的抗剪強度指標測試的儀器，其理論依據相同批次的幾個試樣在不同圍壓下進行試驗，得到一組極限應力圓。τ?σ坐標系中繪出這些極限應力圓的公切線，即得到該土樣的抗剪強度包線（如圖2所示），然后可以求出土樣的抗剪強度指標[2] 。

圖1 應變式全自動三軸儀

圖2三軸試驗抗剪強度包線

許多學者[3-8]對三軸不固結不排水試驗存在缺陷進行相關研究，但對試驗結果的變異性研究較少。在對相同的物理性質條件下的土進行大量的獨立重復三軸試驗，會出現圖3和圖4等結果變異情況，并且這種結果根據狄克遜判別法等[9-10]可以得出結果其中沒有粗大誤差，都是合理的值。如果只做一組試驗，結果的變異性較大。本文從增加試驗組數的角度研究抗剪強度指標值隨著試驗組數增加的變化規律，希望在減少試驗結果變異性的同時盡量減少試驗的組數。

圖3 同種試驗條件下數據變異情況

圖4 相同圍壓強度峰值變化情況

圖5 三軸試件

1試驗試樣和試驗方案

1.1試驗試樣

本試驗采用一種塑性指數為Ip=20.1的粘性土，根據《公路土工試驗規程》[11]進行路基土材料的基本物性指標和擊實試驗結果見表1。

表1 試樣土樣基本物理性質指標

1.2試樣方案

依最佳含水量配置試驗用土，制成壓實度為98%，直徑為39.1mm，高度為80mm的試件（見圖5）。試驗采用TSZ全自動三軸儀。對0次凍融試件、1次凍融試件和2次凍融試件分別進行10次重復獨立靜三軸試驗。

2試驗結果與初步分析

現將試驗結果匯總成折線圖，如圖6為0次凍融、1次凍融、2次凍融中各試樣在圍壓σ3分別為100kPa、200kPa、300kPa下的峰值強度。

（a） 0次凍融 （b） 1次凍融

（c） 2次凍融

圖6 不同凍融循環作用時圍壓為100kPa、200kPa、300kPa時的峰值強度

由圖6可得在不同圍壓作用下，各強度峰值的波動程度不同，隨著圍壓的增加，各圍壓的強度峰值的波動程度逐漸增大。同一圍壓下的峰值強度不是一個固定的值，而是一個在小范圍內波動的值（如圖7所示）。

(a) 各次試驗所得粘聚力值 (b) 各次試驗所得摩擦角值

由圖7可以看出，在圖6中各試驗結果的波動影響下，土樣的抗剪強度參數指標值的波動程度較大，以0次凍融循環作用結果為例，若只做一組試驗，則試驗結果可能為上面所顯示的10次試驗結果中的一組，也可能都不是。

3試驗結果分析

3.1試驗結果的統計分析

對上述試驗結果進行整理，樣本數為n時，取前n次試驗結果的均值。所得的粘聚力和內摩擦角如圖8所示。

（a）粘聚力隨試驗組數增加的變化規（b）摩擦角隨試驗組數增加的變化規律

通過圖7，我們很難找出抗剪強度指標值對凍融循環次數增加的變化規律，而通過增加試驗組數（如圖8所示），我們可以很明顯的看出隨著凍融循環作用次數的增加，粘聚力逐漸減小而摩擦角逐漸增大。當試驗組數為一組或兩組時，雖然也可能得出相似的概率，但是由于數據的波動使得這種明顯的試驗結果變得毫無規律可尋。從圖8可以看出，隨著獨立重復試驗次數的增加，粘聚力和摩擦角的值在進行3組獨立重復試驗后開始逐漸趨于穩定。

3.2試驗結果的變異系數分析

用線性解析法求解抗剪強度指標[12-14]（粘聚力c 及摩擦角φ），為避免數據之間的相互干擾，樣本數為1時，取各獨立重復試驗結果的變異系數。樣本數為2時，取兩組數據求均值為一個獨立重復試驗，再求各獨立重復試驗結果的變異系數。樣本數為n時，取n次試驗結果的均值，再求各獨立重復試驗結果的變異系數（如圖9所示）。

（a）各組粘聚力變異系數 （b)各組摩擦角變異系數

由圖9可得在試驗組數為1組或2組時試驗數據的變異系數較大，尤其是內摩擦角的變異系數都大于了0.3，在試驗次數增加到3組時，試驗數據的變異系數明顯降低，并且粘聚力和內摩擦角的變異系數均小于0.15。之后隨著重復試驗次數的增加，變異系數值趨于穩定。

4結論

通過對以上的試驗數據分析，對于三軸試驗結果的變異性問題有以下主要結論：

（1）對于本次試驗采取的粘性土，隨著凍融循環作用次數的增加，土樣的粘聚力逐漸減小，內摩擦角逐漸增大。

（2）對同一種土樣來說，在一個固定的圍壓下，用三軸試驗測得的峰值強度不是一個固定的值，而是在一個小范圍內波動的值。

（3）若研究者想通過獨立重復試驗獲得較為準確的抗剪強度參數值時，關于獨立重復試驗組數建議至少采用三組。

[1]土工試驗方法標準.GB/T50123-1999[S].

[2]東南大學,浙江大學,湖南大學,蘇州城建環保學院.土力學[M].中國建筑工業出版社.

[3]梅煜.三軸不固結不排水壓縮試驗的思考[J].中國高新技術企業.2008,05:054.

[4]張海霞,陳勇,秦幫民.三軸不固結不排水剪的試驗方法[J].水利水電科技進展.2007,27(3):30-34。

[5]陳蓓.淺談三軸剪切試驗的特性及局限[J].城市建設理論研究.2014(17).

[6]Melati,S,Wattimena,R.K,Kramadibrata,S,Simangunsong,G.M,Sianturi,R.G. ISRM International Symposium - 8th Asian Rock Mechanics Symposium, ARMS 2014,p216-224.

[7]楊靜.土三軸試驗的探討與研究[J].采礦技術.2014,14(6)：39-41.

[8]茹克亞?阿不地熱依木,阿肯江?托呼提,阿不都塞買提?卡力.粘性土三軸試驗組合方法[J].試驗室研究與探索.2011,30(11):4-6.

[9]公路工程無機結合料穩定材料試驗規程.JTG E51-2009 [S].北京:人民交通出版社,2009.

[10]張超,鄭南翔,王建設.路基路面試驗檢測技術[M].北京：人民交通出版社.2006:66-67.

[11]公路土工試驗規程.JTG E40-2007 [S].北京:人民交通出版社,2007.

[12]楊同，徐川，王寶學，張磊，廖國平.巖土三軸試驗中的粘聚力和摩擦角[J].中國礦業.2007,16(12):104-107.

[13]孫萬禾,黃傳志,葉國良,楊金良.土的抗剪強度指標統計方法的分析[J].港口工程.1996,3:5-16.

[14]趙明理.土的靜三軸試驗強度指標的一種解析求法[J].工程勘察.1988,2:20-24.

呂翔，男，山西大同人，在讀碩士研究生.

國家自然科學基金(51308256 ) .

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1007-6344（2017）03-0325-02