黨海燕

土的抗剪強度是土的一個重要力學(xué)性能指標,在計算承載力、評價地基的穩(wěn)定性及計算擋土墻的土壓力時,都要用到土的抗剪強度指標。因此,正確地測定土的抗剪強度具有重要意義?？辜魪姸鹊脑囼灧椒ㄓ卸喾N,在試驗室內(nèi)常用的有直接剪切試驗(直剪)、三軸壓縮試驗和無側(cè)限抗壓試驗,在現(xiàn)場原位測試的有十字板剪切試驗,大型直接剪切試驗等。直接剪切試驗不能嚴格控制排水條件,無法測量孔隙水壓力,而三軸壓縮試驗其優(yōu)點是：能嚴格控制試樣排水條件、受力狀態(tài)明確、可以控制大小主應(yīng)力、能準確地測定土的孔隙壓力及體積變化的特點。所以GB 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范規(guī)定地基承載力計算應(yīng)采用三軸試驗提供的指標,以確?？辈靾蟾嫠峁┑牡鼗休d力安全可靠。由于三軸試驗成果的準確性直接關(guān)系到建筑物的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性,所以為確保三軸試驗成果的準確性,必須了解在試驗過程中各種影響因素,并盡量揚長避短,確保試驗數(shù)據(jù)真實可用。

1 三軸壓縮試驗方法及原理

三軸壓縮試驗,通常是取3個～4個相同的土樣,在不同的圍壓σ3下進行試驗,試驗開始后,在試樣頂部施加軸向應(yīng)力 σ1,直至試樣出現(xiàn)破壞為止。根據(jù)每個試樣在剪壞時的最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3,以(σ1+σ3)/2為圓心,(σ1-σ3)/2為半徑,繪制一組應(yīng)力圓,如圖1所示。由于試樣剪切至破壞,根據(jù)摩爾—庫侖定律,作一組極限應(yīng)力圓的公切線即為土的抗剪強度包線,通?？山迫橐恢本€,該直線與橫坐標的夾角即為摩擦角φ,直線與縱坐標的截距即為粘聚力C。

應(yīng)力圓包線用庫侖公式表示：τ=C+σ tgφ。其中,τ,σ分別為作用在剪切面上的剪應(yīng)力及垂直應(yīng)力。其與大主應(yīng)力σ1及小主應(yīng)力σ3與破壞面的傾角α具有如下關(guān)系：σ=1/2(σ1+σ3)+1/2(σ1-σ3)cos2α。τ=1/2(σ1-σ3)sin2α。

其中,α為大主應(yīng)力面與破壞面的傾角,α=45°+φ/2。

三軸剪切試驗根據(jù)排水情況不同分為三種類型：不固結(jié)不排水剪試驗(UU),固結(jié)不排水剪試驗(CU),固結(jié)排水剪試驗(CD)。下面主要討論常用的不固結(jié)不排水剪試驗(UU),固結(jié)不排水剪試驗(CU)。

1.1 不固結(jié)不排水剪試驗(UU)

主要適用于土體受力而孔隙壓力不消散的情況,如建筑物施工速度快,排水條件差的土體。該試驗對試樣施加圍壓σ3和軸向應(yīng)力σ1的過程中,均不允許試樣排水。若試樣為完全飽和的土,則施加的外力為孔隙水所承擔(dān),土粒間有效應(yīng)力 σ′保持不變,因而強度不因圍壓σ3的增大而增加。盡管圍壓 σ3大小不同,但摩爾圓直徑都基本相同,故強度包線近似水平,φ=0,見圖2。

對圖示三個總應(yīng)力圓所作的包線是一條水平線,按庫侖公式：

其中,Cu,φu分別為不排水剪的凝聚力與內(nèi)摩擦角。

1.2 固結(jié)不排水剪試驗(CU)

固結(jié)不排水剪試驗適用于施工速度較慢,且經(jīng)過預(yù)壓固結(jié)的地基。在試驗過程中,對試驗施加圍壓σ3后,允許試樣排水固結(jié)直至孔隙壓力消散至零。但在剪切過程中不允許試驗排水,因而產(chǎn)生剪切孔隙壓力us,土樣間的有效應(yīng)力 σ′及試樣的密度ρ均隨σ3的增大而增大,其強度也隨著增大。強度包線則為傾斜線,即可求得Ccu,φcu,如圖3實線所示。如要測定C′,φ′,則在試驗過程中測定孔隙壓力us,這樣就可求得試樣達到破壞時的有效主應(yīng)力σ1′,σ3′,即 σ1′=σ1-us,σ3′=σ3-us,以 σ1′,σ3′作有效應(yīng)力圓,即可得到有效應(yīng)力強度包線及相應(yīng)的C′,φ′值(如圖3中虛線所示)。

2 影響三軸壓縮試驗成果的因素

影響三軸剪切試驗成果的因素有：施加圍壓σ3的影響、孔壓消散的影響、飽和度的影響、軸向應(yīng)變速率的影響、試樣端部的摩擦的影響、校正面積的影響以及橡皮膜的影響,現(xiàn)主要介紹如下。

2.1 施加圍壓σ3的影響(對CU試驗)

在進行固結(jié)不排水試驗時,首先要確定各級圍壓σ3,因為施加圍壓σ3大小將直接影響試驗結(jié)果。我們對上海地區(qū)的黏性土做了大量試驗,結(jié)果如表1所示。由表1可知,當(dāng)所施加的各級圍壓σ3比PC(前期固結(jié)壓力)大,則屬于正常固結(jié)狀態(tài),摩爾包線是通過原點的直線,所得試驗數(shù)據(jù)C小φ大;反之所施加的各級圍壓σ3比PC小,摩爾包線則是一條略平緩的曲線。所以在試驗過程中通常宜選用第一級圍壓接近自重壓力,最后一級圍壓為自重壓力加上附加壓力,這樣試驗結(jié)果才合理。

表1 施加圍壓 σ3對CU試驗結(jié)果影響表

2.2 孔壓消散的影響(對CU試驗)

對于固結(jié)不排水剪試驗,施加圍壓σ3后,試樣排水固結(jié)時孔壓消散情況對CU試驗影響較大,上海地區(qū)孔壓消散為零時與孔壓消散不為零時試驗結(jié)果如表2和圖4所示。由表2可知,孔隙水壓力消散至零,即固結(jié)排水時要有足夠的時間,尤其是黏性土。反之固結(jié)時間不夠孔隙水壓力消散不到零,所得試驗數(shù)據(jù)將介于不固結(jié)不排水剪試驗(UU)及固結(jié)不排水剪試驗(CU)之間,造成固結(jié)不排水剪的凝聚力C偏大,而內(nèi)摩擦角φ偏小。由圖4也可看出,C′大于C,φ′小于φ,實線為孔壓消散為零時總應(yīng)力強度包線,虛線為孔壓消散不為零時總應(yīng)力強度包線。

表2 孔壓消散對CU試驗的影響表

2.3 飽和度的影響(對UU試驗)

上海地區(qū)土的飽和程度對UU試驗結(jié)果影響情況如表3和圖5所示。由表3可知,當(dāng)土樣處于非飽和狀態(tài)時,φ值不為零。由圖5可知,如果試樣為飽和試樣,如前所述,不固結(jié)不排水試驗的強度包線為一水平線,即φ=0。但由于取樣及制樣等因素的影響,造成試樣失水,飽和度減小,飽和度達不到要求,摩爾包線不再是一條水平線而是一曲線。故在進行此試驗過程中一定要保證土樣的飽和度大于95%以上,方可求得準確的Cu,φu值。

表3 飽和度對UU試驗的影響結(jié)果

2.4 軸向應(yīng)變速率的影響

不固結(jié)不排水剪試驗(UU)不需測孔隙壓力,按每分鐘1%～2%的軸向應(yīng)變速率進行試驗,可以使試樣在20 min時間內(nèi)完成剪切過程,達到試樣破壞,速率影響不大。而對于固結(jié)不排水剪試驗(CU)來說,是固結(jié)后進行剪切,需測定孔隙壓力,一般試樣中部較大,兩端較小,軸向應(yīng)變速率要很緩慢,這樣才能使試樣剪切區(qū)的孔隙壓力有充分的時間達到均勻分布并傳輸?shù)皆嚇拥亩瞬?否則對孔隙壓力的測定結(jié)果有影響。

2.5 試樣端部的摩擦對試驗結(jié)果的影響

在三軸試驗中,試驗端部有摩擦,使試樣兩端受力復(fù)雜,應(yīng)力分布不均勻,為了減少端部摩擦對中間的影響,要求試樣有一定的高徑比,一般H/D=2.0～2.5。對于不固結(jié)不排水(UU)試驗,可在試樣兩端放一光滑的有機玻璃墊片以減少端部摩擦,使應(yīng)力分布均勻,這樣所測的強度和變形更合理。

3 結(jié)語

由上述可知,圍壓σ3的施加、孔壓的消散程度、試樣的飽和程度,軸向應(yīng)變速率、試樣端部的摩擦、面積的校正以及橡皮膜的好壞,都對試驗結(jié)果有影響。但圍壓σ3的施加、孔壓的消散程度以及試樣的飽和程度將直接影響試驗數(shù)據(jù)的可靠性。所以在試驗操作過程中,一定要滿足試樣的飽和度大于95%,第一級圍壓接近自重壓力,最后一級圍壓為自重壓力,且固結(jié)排水過程中孔壓消散為零,這樣才能確保三軸壓縮試驗結(jié)果的準確性和可靠性。

[1]鐵道部第一勘測設(shè)計院.工程地質(zhì)試驗手冊[M].北京：中國鐵道出版社,2000.

[2]華東水利學(xué)院土力學(xué)教研室.土工原理與計算[M].北京：水利電力出版社,2003.

[3]朱思哲,包承綱.三軸試驗的原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國電力出版社,2005.

[4]高大釗,袁聚云.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)[M].北京：人民交通出版社,2007.