再現(xiàn)性條件下的砂土直剪試驗(yàn)方法

洪亦非，趙鋼，陳志偉

（蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州 215131）

測(cè)定土的應(yīng)力應(yīng)變和抗剪強(qiáng)度的室內(nèi)試驗(yàn)方法主要有直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)等。三軸試驗(yàn)中試樣的應(yīng)力狀態(tài)較為明確，試驗(yàn)結(jié)果往往較為可靠；然而進(jìn)行三軸試驗(yàn)需要較高的試驗(yàn)技巧，一組試驗(yàn)往往耗時(shí)幾天甚至更長(zhǎng)。而直剪試驗(yàn)操作較為簡(jiǎn)單，一組試驗(yàn)在數(shù)十分鐘內(nèi)，因而是工程界應(yīng)用最為廣泛的一種，也是我國(guó)規(guī)范規(guī)定的試驗(yàn)方法之一[1]。

直剪試驗(yàn)由于剪切應(yīng)力分布不均勻等原因，試驗(yàn)結(jié)果一般沒有三軸試驗(yàn)的結(jié)果可靠。這可以通過再現(xiàn)性方法來克服，即重復(fù)做試驗(yàn)，直到出現(xiàn)一致性較強(qiáng)的試驗(yàn)結(jié)果，以一致性強(qiáng)的結(jié)果作為最終結(jié)果。一方面，在實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)性這個(gè)過程中分析其它試驗(yàn)結(jié)果不一致的原因，從而提高試驗(yàn)人員的試驗(yàn)技能，進(jìn)而提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。另一方面，選取再現(xiàn)性條件下的2組試驗(yàn)結(jié)果作為最終結(jié)果，提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文將以日本豐浦砂[2]的直剪試驗(yàn)為例，說明該方法的有效性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料和儀器

本次試驗(yàn)采用廣泛使用的天然豐浦砂，其相對(duì)密度為2.65，平均粒徑為0.16mm，不均勻系數(shù)為1.89，曲率系數(shù)為0.82，最大孔隙比和最小孔隙比分別為0.977和0.597。它是一種級(jí)配不良的均勻細(xì)砂，顆粒呈亞圓形和亞角形。試驗(yàn)采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀。

1.2 試驗(yàn)方法

取100g豐浦砂，輕放入截面積為30 cm2的剪切盒中，并用100g的小鐵塊以接近自由落體的速度從10 cm高度落下輕擊試樣，通過量取試樣高度來計(jì)算不同擊數(shù)下砂土的孔隙比。通過反復(fù)試驗(yàn)，使得試樣在2擊、20擊和100擊下的孔隙比分別穩(wěn)定在0.72、0.70和0.62，對(duì)應(yīng)的相對(duì)密實(shí)度分別為66.9%、73.2%和94.5%。試樣準(zhǔn)備完畢后，以0.8mm/min的速度進(jìn)行剪切，同時(shí)每隔10s記錄量力環(huán)上的百分表讀數(shù)和試樣垂直高度上的百分表讀數(shù)。從量力環(huán)上的百分表開始反應(yīng)的一剎那開始計(jì)時(shí)，直到該百分表讀數(shù)停滯不前或回退一段時(shí)間后停止剪切。進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，試樣的擊數(shù)分別為2、20和100，壓應(yīng)力分別為50kPa、100kPa和 200kPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果

首先進(jìn)行了擊數(shù)為20的試樣在壓應(yīng)力為50kPa下的剪切試驗(yàn)。進(jìn)行了4組試驗(yàn)，其結(jié)果并不相同，見圖 1。圖示“50-20-a”中的數(shù)字“50”表示壓應(yīng)力為50kPa，“20”表示擊數(shù)為 20，“a”表示該情況下的第 1次試驗(yàn)，其余類似，不再重述。圖1(a)表示剪切應(yīng)力與壓應(yīng)力的應(yīng)力比隨剪切位移的變化，圖1(b)表示試樣高度變化隨剪切位移的變化。

從圖1中可以明顯看出，第1次試驗(yàn)誤差較大，推測(cè)原因可能是試樣準(zhǔn)備時(shí)表面不平整，導(dǎo)致應(yīng)力比和剪脹性偏小。第2次試驗(yàn)有所改善。隨著試驗(yàn)技能的穩(wěn)定，第3次和第4次的試驗(yàn)結(jié)果明顯趨于一致，體現(xiàn)了試驗(yàn)結(jié)果的再現(xiàn)性。以下以再現(xiàn)性條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論。

圖1 在20擊、50kPa壓應(yīng)力作用下的試驗(yàn)結(jié)果

砂土試樣在50kPa、100kPa和200kPa壓應(yīng)力作用下的試驗(yàn)結(jié)果分別見圖2、圖3和圖4。在圖2(a)中，隨著砂土密實(shí)度的增加，應(yīng)力比隨位移達(dá)到的峰值較大，之后回落，但不同密實(shí)度砂土的應(yīng)力比最終都趨于一個(gè)穩(wěn)定值。在圖2(b)中，密實(shí)度越大的砂土，其試樣高度隨位移而增大的程度越大，表明其剪脹性越大。圖3和圖4顯示了類似的規(guī)律。

對(duì)比圖 2(a)、圖 3(a)和圖4(a)，同一密實(shí)度的密砂，隨著壓應(yīng)力的增大，其應(yīng)力比峰值減小，但其最終的穩(wěn)定值都在0.65左右，相應(yīng)的穩(wěn)定摩擦角為33。這表明密砂開始存在咬合作用，隨著剪切位移的增大，其作用逐漸消失，最終體現(xiàn)了砂土顆粒之間的真實(shí)內(nèi)摩擦角，為33。對(duì)于密實(shí)度低的松砂，不顯示咬合作用，應(yīng)力比隨著剪切位移的增大而增大，最終靠其真實(shí)內(nèi)摩擦角而穩(wěn)定。對(duì)比圖2(b)、圖3(b)和圖4(b)，同一密實(shí)度的砂土，隨著壓應(yīng)力的增大，其剪脹性變小。對(duì)于壓應(yīng)力較大的松砂，如圖4(b)中200-100-a的試樣，在開始階段表現(xiàn)出較大程度的剪縮性。以上這些砂土特點(diǎn)與文獻(xiàn)[3-5]的研究一致。

以上良好試驗(yàn)結(jié)果的取得，很大程度上歸功于再現(xiàn)性方法。在達(dá)到再現(xiàn)性的過程中，試驗(yàn)人員的試驗(yàn)水平不斷提高。最后進(jìn)行的壓應(yīng)力為200kPa的試驗(yàn)(見圖4)，僅進(jìn)行了少量試驗(yàn)就達(dá)到了再現(xiàn)的效果。以再現(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論，規(guī)律性較強(qiáng)，顯示了良好的可靠性和準(zhǔn)確性。

圖2 在50kPa壓應(yīng)力作用下的試驗(yàn)結(jié)果

圖3 在100kPa壓應(yīng)力作用下的試驗(yàn)結(jié)果

圖4 在200kPa壓應(yīng)力作用下的試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

再現(xiàn)性的直剪試驗(yàn)過程中，各種試驗(yàn)操作不當(dāng)和試驗(yàn)誤差逐漸消除，試驗(yàn)結(jié)果趨于一致，從而其結(jié)果更為可靠和準(zhǔn)確。雖然每組試驗(yàn)至少進(jìn)行2次，但因?yàn)橹奔粼囼?yàn)本身的便捷性，總體而言仍然較為方便，卻大大提高了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，其方法值得推廣。