關于實驗室三軸試驗多樣剪與多級剪的比較

楊西海

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 三軸不固結不排水（UU）剪切試驗多樣剪與多級剪試驗的比較

（1）三軸不固結不排水剪試驗的原理

飽和黏性土試驗前，試樣不發生固結，施加軸向壓力時土樣不允許排水，飽和黏性土試樣在不固結不排水剪切時，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試樣的有效應力，而只能引起空隙水壓力發生變化。由于三個試樣在剪切時的有效應力相等，在剪切時含水率保持不變，因此抗剪強度不變，破壞時的應力圓直徑相等，三個總應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，由于試驗空隙中含有氣泡，在周圍壓力的作用雖然試樣未發生排水固結，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，結果使空隙的體積減小。試樣體積壓縮，所以有效應力隨σ3增大，不排水強度隨σ3增大。因此非飽和黏性土試驗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σ3增大到一定值試樣接近飽和時，強度不再增加，摩爾包線接近水平線。

（2）本次采用的試驗三軸儀器是由北京華勘科技有限責任公司生產的應變式DS08型全自動三軸儀。由主機、壓力室、軸向加壓設備、施加周圍壓力系統、體積變化和空隙壓力量測系統等。數據采集器、自動控制器、電腦等組成。

（3）制備一組試樣進行UU多樣剪試驗

制備一組土樣號為2926，試樣物理性指標為：

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自動三軸上安裝。

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座上，使活塞對準試樣中心，并均勻地擰緊底座連接螺母。向壓力室內注滿純水，然后再計算機上設定試樣參數。

設置好參數后開始進行多樣剪（UU）試驗。試驗結束后把數據保存在計算機里。試驗結束得到試樣2926試驗數據成果見圖1。

（4）制備一組試樣進行（UU）多級剪試驗

將制備試樣2925（一個樣）試樣物理性指標為：

密度：1.69 g/cm3；

含水率：56.7（%）；

比重：2.75。

將試樣安裝在一臺全自動三軸儀上，安裝的方法與多樣剪相同。并在計算機上設置試驗參數,UU多級剪基本參數設定。然后開始多級剪試驗，試驗結束后采得試樣2925試驗（UU）數據，并把數據保存在計算機里。試驗成果見圖2（應力差與軸向應變曲線和應力差強度包線）。

圖1 試樣2926試驗成果圖

圖2 試樣2925試驗成果圖

通過三軸多樣剪（UU）試驗與三軸多級剪（UU）試驗分別得到兩個摩爾強度包線，相比較：

多樣剪（試樣 2926）Cu=16 kPa，Φu=0.6；

多級剪（試樣 2925）Cu=16 kPa，Φu=0.3。

（5）三軸UU試驗（多樣剪與多級剪）比較結論通過試驗所得到的抗剪強度十分相近。但所設定的參數有所不同，多級剪使用一臺全自動三軸而多樣剪要使用三臺自動三軸。由于多級剪采用一個試樣避免了試樣不均勻而造成的應力圓分散、各應力圓能切于強度包線。

2 三軸固結不排水（CU）剪切試驗多樣剪與多級剪試驗比較

2.1 三軸固結不排水（CU）剪切試驗原理

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

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

對于正常固結的土有效應力強度包線通常是通過原點，所以有效應力強度指標為Φ，而C=0。

2.2 制備一組土號為2981試樣，做Cu多樣剪試驗

物理性指標如下：

密度：1.72 g/cm3、1.76 g/cm3、1.77 g/cm3；

含水率：46.7%；

比重：2.75。

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

Cu多樣剪試驗的安裝：取一組2981試樣，分別安裝在三臺應變式全自動三軸儀上。

開孔隙水壓力閥和排水閥，對孔隙水壓力系統及壓力室底座充水排氣后，關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，（為加快固結排水和剪切時，試樣內空隙水壓力均勻，規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，對直徑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，使管內水位在試樣中心以下20～40，吸出余水，再關排水閥。

將壓力罩放在壓力室機座上，使活塞對準試樣中心，并均勻地擰緊底座連接螺母，向壓力室內注滿純水，然后在計算機上設定試樣參數。

參數設定好后，保存參數并發送參數到自動控制器和數據采集器，開始進行試驗。

試驗結束后，在計算機上保存試驗數據，并得到了CU多樣剪2981的試驗數據和成果，見圖3。

圖3 試樣2981試驗成果圖

2.3 制備一組試樣進行（CU）多級剪試樣

物理性指標如下：

密度：1.76 g/cm3；

含水率；47.2%；

比重：2.75。

制備土樣號為2993的一個直徑39.1 cm高為8 cm的試樣進行三軸CU多級剪試驗。

儀器設備為一臺DS08型全自動三軸儀，安裝操作步驟同CU多樣剪相同。安裝后在計算機上設定參數。

參數設定后，進行保存并發送參數到自動控制器和數據采集器，開始進行CU多級剪的試驗。

試驗結束后，得到多級剪2993的試驗數據并進行保存，然后通過數據處理系統的計算得到了多級剪試驗成果、應力差強度包線、主應力差與軸向應變曲線等。試驗成果見圖4。

2.4 三軸CU試驗（多樣剪與多級剪）比較

（1）通過試樣2981的多樣剪與試樣2993多級剪試驗所得出的數據比較（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試驗成果圖

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

3 結論

通過三軸試驗（UU、CU）多樣剪與多級剪的試驗方法相比較，采用一個試樣多級加荷的三軸剪切試驗測定抗剪強度參數。由于避免了試樣之間的差異，所測得成果比較規律，強度包線易于繪制，比多樣剪三軸試驗有一定的優勢。通過上述試驗方法的對比，兩種試驗方法所取得的試驗成果UU試驗強度包線、CU、Φ值和CU試驗強度包線、總應力、有效應力、CU、CU’、Φ、Φ’值都相接近，可以采用制備一個試樣來進行多樣剪的三軸試驗方法來進行試驗，充分利用現有儀器設備，從而滿足了工程上技術要求和工期的需要。