陸志鋒，范 健

（江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京 210018）

0 引言

土的常規(guī)三軸壓縮試驗獲取一組強度指標(biāo)需要3個或者3個以上性質(zhì)相同的試樣，所用土樣較多，試驗費時也不經(jīng)濟。實際工程中由于經(jīng)濟和土質(zhì)等多方面的影響，不能取到需要數(shù)量的土樣或均勻土樣，這就限制了常規(guī)三軸壓縮試驗的應(yīng)用?！锻凉ぴ囼灧椒?biāo)準(zhǔn)》（國家標(biāo)準(zhǔn)［1］、公路標(biāo)準(zhǔn)和鐵路標(biāo)準(zhǔn)）中允許采用1個試樣多級加荷試驗測定抗剪強度參數(shù)。1個試樣多級加荷試驗只采用1個試樣確定強度包線，勞動強度低，避免了多個試樣不均勻而造成的應(yīng)力圓分散，各應(yīng)力圓均能很好切于強度包線上。但是，由于只采用1個試樣，如果第1級或者第2級就把試樣剪斷，就無法得出真實準(zhǔn)確的結(jié)果，因此，如何控制每級荷載下的剪切應(yīng)變就非常值得研究。

1 1個土樣的多級加荷試驗的理論分析

《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（國家標(biāo)準(zhǔn)、公路標(biāo)準(zhǔn)和鐵路標(biāo)準(zhǔn)）中規(guī)定：安裝好試樣后，施加第1級周圍壓力，按照每分鐘應(yīng)變0.5%~1.0%（以不固結(jié)不排水試驗UU為例）的應(yīng)變速率開始剪切，當(dāng)測力計讀數(shù)達到穩(wěn)定或出現(xiàn)倒退時，測記測力計和軸向變形讀數(shù)，關(guān)閉電機，停止剪切，將測力計調(diào)整為0。然后施加第2級周圍壓力，按照同樣的方法剪切到測力計穩(wěn)定。如此進行第3、第4及周圍壓力下的剪切，累計軸向應(yīng)變不超過20%。在實際試驗中會發(fā)現(xiàn)，等到測力計讀數(shù)穩(wěn)定或出現(xiàn)倒退時，有的試樣第1級就可能被剪斷，第2級即使增加了圍壓，停止剪切時測力計的讀數(shù)也可能比第一級小，會出現(xiàn)摩爾強度包線，而無法測出土的抗剪強度（見圖1）。

土樣并不是理想的彈塑性材料，其屈服應(yīng)力和破壞應(yīng)力是不同的，屈服應(yīng)力一直提高的土樣為應(yīng)變硬化型，屈服應(yīng)力有峰值的為應(yīng)變軟化型。如圖2所示，a點為屈服點（初始屈服），oaf線是理想塑性材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，oabcd線為應(yīng)變硬化型材料曲線，b、c點為相繼屈服點，d點為破壞點，oabce線為應(yīng)變軟化型材料曲線，e點為破壞點。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)測力計讀數(shù)達到穩(wěn)定或出現(xiàn)倒退時停止剪切，試樣會出現(xiàn)較大的難以恢復(fù)的塑性變形（有的試樣可能直接被剪斷），第2級圍壓試樣的狀態(tài)跟第1個試樣有較大的差別，直接導(dǎo)致試驗的結(jié)果跟實際情況有較大的差別。

如果用1個試樣在第1級圍壓下剪切到圖2的a點跟c點之間的某一點b停止，由于土樣產(chǎn)生的變形主要以彈性變形為主，撤去軸向壓力后土樣強度基本得以恢復(fù)。然后再施加第2級圍壓，跟第1圍壓一樣剪到圖2的a點跟c點之間的某一點b停止，第3級、第4級也一樣，這樣就可以得到強度包線，求出c、φ值。

圖1 摩爾圓強度包線

圖2 土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

如何控制在圖2的a點跟c點之間的某一點b停止剪切成為關(guān)鍵。如圖2所示，a點初始屈服點，b、c點為相繼屈服點，d、e 點為破壞點，試樣在受到軸向壓力后，到達a點前為彈性變形階段，線oa段為直線段；在a點和c點之間為彈塑性變形階段，線ac段為曲線；線cd（或線ce）為塑性變形階段（破壞階段）。《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，試樣開始剪切后每產(chǎn)生0.2 mm（或者0.5 mm）測記1次測力計讀數(shù)和軸向變形值，試樣在彈性變形階段每次測力計的變化量是相等的，過了初始屈服點a后，試樣進入彈塑性變形階段，剛開始試驗以彈性變形為主，測力計讀數(shù)的變化量相差不大，當(dāng)樣品從彈性變形為主轉(zhuǎn)化成塑性變形為主時，測力計讀數(shù)的變化量急劇減小，這一點定為點b。從圖2可以看出，點b和點c所對應(yīng)的應(yīng)力值很接近，把這一點作為剪切停止的控制點是比較理想的。如果采用全自動固結(jié)儀進行試驗，可以即時看到試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，在曲線開始拐彎要到c點停止剪切。點b之前試樣以彈性變形為主，撤去圍壓后，試樣強度基本能夠得以恢復(fù)［2］。

表1 試樣物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 試樣多樣剪和多級剪結(jié)果

2 試驗分析

選用三塊300 mm×300 mm×120 mm的比較均勻的不同狀態(tài)的土樣進行試驗，物理指標(biāo)見表1。

每個樣品按照標(biāo)準(zhǔn)制成5個（4個用于多樣剪）直徑39.1 mm、高度80 mm的試樣，按照標(biāo)準(zhǔn)分別進行三軸不固結(jié)不排水多樣剪和多級剪（當(dāng)測力計讀數(shù)的變化量急劇減小時或者應(yīng)力應(yīng)變曲線開始拐彎時立即停止剪切）試驗，試驗結(jié)果見表2。

從試驗結(jié)果看，多級剪和多樣剪的結(jié)果相差很小，這與庫倫理論的假定（土的C、Φ不因應(yīng)力狀態(tài)的改變而改變）是相符的，在b點停止剪切是可行的。

3 結(jié)論

（1）按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的“當(dāng)測力計讀數(shù)達到穩(wěn)定或出現(xiàn)倒退時”進行土的三軸多級剪試驗，有可能無法求得土的抗剪強度。

（2）土的三軸壓縮試驗一個試樣多級加荷試驗，在土樣的彈塑性變形階段當(dāng)土樣由彈性變形為主轉(zhuǎn)變成以塑性變形為主時停止剪切，求得的土的抗剪強度與多樣剪相近，在實際試驗中也是可以操作的。

［1］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國住建部.GB/T50123—1999土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國計劃出版社，1999.

［2］朱思哲，劉虔.三軸試驗原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2003.