淤泥質(zhì)土多級三軸試驗方法探討

胡志強，肖詩榮，王祥宇，陸世軒

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌443002)

摘要：在生產(chǎn)實踐中，淤泥質(zhì)土不易取樣、制樣，很難獲得較多的參數(shù)。通過對淤泥質(zhì)土進行多級三軸試驗，探討了多級三軸試驗在實際操作中的可行性及多級三軸試驗中應(yīng)注意的關(guān)鍵問題。在多級三軸試驗中，級差應(yīng)控制在30 kPa，級數(shù)為3級，固結(jié)時間依次為10 min和20 min。破壞標準：第1級破壞標準為軸向應(yīng)變達到12%和軸向壓力穩(wěn)定兩者的先發(fā)生者；第2級和第3級破壞標準均為軸向壓力穩(wěn)定。通過試驗證明淤泥質(zhì)土的多級三軸試驗克服了淤泥質(zhì)土取樣、制樣的困難，獲得的參數(shù)黏聚力略大，內(nèi)摩擦角略小，但其結(jié)果仍在合理范圍之內(nèi)，未發(fā)生較大的偏差，經(jīng)過修正可以有效地進行使用。該方法具有較好的應(yīng)用前景，是一種經(jīng)濟可行的試驗方法。

關(guān)鍵詞：淤泥質(zhì)土；強度再生；多級三軸試驗；級數(shù)級差；固結(jié)時間；破壞標準；抗剪強度

中圖分類號：TU42文獻標志碼：A

收稿日期：2014-10-30;修回日期:2015-02-02

作者簡介：劉陽(1974-)，女，吉林公主嶺人，高級工程師，碩士，主要從事水工結(jié)構(gòu)方面的研究，(電話)0431-85622857(電子信箱)sunny-2099@163.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.018

1研究背景

抗剪強度是土工試驗中一個重要的參數(shù)，其數(shù)值的獲得直接指導(dǎo)工程實踐。其中利用三軸試驗可以較為真實地反映土樣的抗剪強度。在很多規(guī)范中都要求必須使用三軸試驗來測定土的抗剪強度。但是常規(guī)三軸試驗中，至少需要3個試樣才可以獲得1個抗剪強度，這就限定了三軸試驗的應(yīng)用范圍。在《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)[1]和《土工試驗方法標準》(GB/T50123—1999)[2]中都新增加了一個試樣多級加荷試驗的方法。運用此法可大大縮短操作時間，并且避免了試樣之間的差異，所得的成果規(guī)律性較強，強度包線線性較好[3]。對于取樣、制樣困難而無法完成常規(guī)三軸試驗的情況下，通過1個試樣的多級三軸試驗，就可以獲得可信的參數(shù)，不僅可以減少取樣、制樣的工作量，而且降低了由于試樣差異對試驗結(jié)果的影響。但是2個規(guī)范中對多級三軸試驗的適用條件不約而同地限定為硬土、低靈敏性土。對于軟土、高靈敏性土的多級三軸試驗卻很少有人研究，本文通過對武漢江岸區(qū)長江一級階地的淤泥質(zhì)土(夾少量粉土)進行了多級三軸不固結(jié)不排水(UU)試驗，評價了淤泥質(zhì)土多級三軸試驗的可行性，并且提出多級三軸試驗應(yīng)該注意的問題。

2淤泥質(zhì)土強度再生理論

淤泥質(zhì)土是在靜水或非常緩慢的流水環(huán)境中沉積，并伴有微生物作用的一種結(jié)構(gòu)性土，其廣泛分布在長江中下游地區(qū)，它的含水量接近或超過液限；孔隙比>1，有的甚至高達2.5。

由于淤泥質(zhì)土的這種高孔隙比特性，加之淤泥質(zhì)土在其沉積形成過程中形成的一定的結(jié)構(gòu)聯(lián)接強度，原狀土樣在進行過一次剪切后，軸向作用力在施加的過程中，逐步破壞了這種結(jié)構(gòu)強度。那么在單次剪切后施加比前一次剪切更大的周圍壓力，增加的圍壓不僅壓縮了試樣的孔隙體積，而且引起了土體微觀結(jié)構(gòu)的改變，土顆粒的排列較前一次剪切更為密實，土體骨架得到了加強，使其抵抗外界變形的能力也得到加強。

從微觀結(jié)構(gòu)上分析，土體的黏聚力來源于土顆粒的聯(lián)結(jié)程度，內(nèi)摩擦角則取決于土顆粒的排列組合形式。在多級三軸試驗中，后2級剪切的圍壓顯著大于第1級剪切，加上給予試樣一個短暫的固結(jié)時間，由于未排水，試樣的總體積沒有增大，增加的圍壓使土顆粒之間的排列更為緊密，減少了土顆粒之間距離，增加了土顆粒之間的接觸面積，從而使得土體抗剪強度增加。

黃志全等[4]通過試驗對淤泥質(zhì)土結(jié)構(gòu)性對土強度的影響進行了試驗研究，證明了淤泥質(zhì)土部分重塑樣和完全重塑樣均有結(jié)構(gòu)愈合現(xiàn)象，為淤泥質(zhì)土的多級三軸試驗提供了有力的理論支持。

3試驗方法

3.1　試驗準備

(1) 試驗設(shè)備：SJ-1A.G三軸剪力儀(南京水利儀表廠),如圖1。

圖1　試驗設(shè)備 Fig.1　Test equipment

(2) 試樣數(shù)量：10組。

(3) 試驗要求：所有試樣均為長江一級階地原狀樣，取樣深度6.0～10.0 m。取樣后立即送往實驗室制樣，并進行24 h反壓飽和，如圖2。

圖2　試樣反壓飽和 Fig.2　Back pressure saturation of soil specimen

3.2　圍壓級差的確定

多級三軸試驗的特點就是在不同的周圍壓力下，對同一個試樣進行多次剪切。那么，能否將常規(guī)三軸試驗的各級圍壓簡單地移植到多級三軸試驗的多級圍壓中？國內(nèi)對此的研究較少，各個實驗室由于相關(guān)實驗做的較少，也很難確定各級級差。

本次多級三軸試驗分別嘗試3級剪切和5級剪切，各級級差分別為30 kPa和20 kPa。試驗結(jié)果表明：對于強度比較低的軟土而言，級差過大，會使得最后幾級的周圍壓力過大，超過試樣的承受范圍，使試樣發(fā)生壓縮固結(jié)，甚至產(chǎn)生壓破壞。這樣必然會減少剪切的級數(shù)，使得剪切效果不理想。如果級差過小，增加的周圍壓力不能使試樣的抗剪強度得以充分地再生，從而嚴重影響次一級的剪切效果；同時，過小的級差也使得各級軸向壓力相差較小。另外，由于儀器的精度有限，級差過小會使得各級周圍壓力難以有效反映到壓力室。也就是壓力室的真實周圍壓力值會與儀表指示的數(shù)值存在誤差。

從本次的試驗效果來看，對比3級剪切和5級剪切，3級剪切獲得的抗剪強度較為合理，5級剪切由于第4級、第5級圍壓超過100 kPa，圍壓致使試樣發(fā)生壓縮，得到的莫爾圓半徑較大，使得c偏小、φ偏大。然后對比3級剪切級差分別為20 kPa和30 kPa，可以得出30 kPa的級差較為合適(見表1)。多級三軸試驗各級級差的確定要考慮多方面的因素，包括試樣的強度、強度的再生能力和儀器的極限與精度。

表1　確定級差、級數(shù)試驗結(jié)果匯總 Table 1　Summary of the number and disparity of loading steps

國內(nèi)有學(xué)者認為多級三軸試驗第1級周圍壓力應(yīng)該從50kPa或100kPa開始，以后各級按照第1級周圍壓力的1～3倍遞增[5]。

通過試驗表明：對于強度較低的淤泥質(zhì)土，第1級周圍壓力不應(yīng)>50kPa，各級級差為第1級周圍壓力的1～1.5倍為宜。這樣不僅考慮到軟土的承載能力較小，而且又給試樣抗剪強度再生提供充分的外部條件，同時又利于試驗的控制。就目前國內(nèi)各個三軸實驗室所采用的儀器而言，還不允許設(shè)置過小的級差。對于UU試驗，級差不應(yīng)過小，但是CU試驗可以適當減小級差，增加級數(shù)，有利于繪制更多的莫爾圓。

通過比較論證決定采用3級圍壓，第1級圍壓30 kPa，第2級圍壓60 kPa，第3級圍壓90 kPa。

3.3　間隔時間的確定

本次多級三軸試驗為不固結(jié)不排水剪切試驗，理論上各級周圍壓力均不應(yīng)給予固結(jié)時間。但是正是由于多級三軸試驗是在一個試樣上多次剪切，如果第1級周圍壓力下的剪切已將試樣減至破壞，那么以后各級的剪切，剪切面的抗剪強度往往是土樣的殘余強度和周圍壓力提供的，失去了多級三軸試驗的實際意義。

很多研究已經(jīng)證明土體的固結(jié)度對土體抗剪強度有著較為明顯的影響，但是當固結(jié)度<30%時，對土體抗剪強度的影響較小[6]。

對于已經(jīng)剪切破壞的土樣，在施加下一級軸向壓力之前，應(yīng)該給予較短的固結(jié)時間，特別是軟黏土。經(jīng)過一次剪切破壞后，施加更大的周圍壓力，能使剪切面上的抗剪強度迅速再生，主要原因是上一級剪切改變土顆粒的排列方式，新一級的周圍壓力使剪切面上的土顆粒完全或者大部分重新排列。因此，這種作用體現(xiàn)在宏觀現(xiàn)象上，則為軟質(zhì)黏土抗剪強度再生，甚至使得下一級剪切發(fā)生在另一個剪切面上(見圖3)。

圖3 典型多級三軸剪切破壞狀態(tài)(淤泥質(zhì)土多級三軸(UU)試驗)Fig.3 Failurestateoftypicalmultileveltriaxialtestonsiltysoil

如果施加各級周圍壓力后迅速施加軸向壓力，就會使得試樣的抗剪強度不能充分再生。因此，在保證固結(jié)度<30%的前提下，施加各級周圍壓力時，讓試樣經(jīng)歷較短的固結(jié)時間，使試樣的抗剪強度大部分再生。這樣一次多級三軸試驗的結(jié)果就相當于多次常規(guī)三軸試驗的總和。

本次多級三軸試驗，施加第1級周圍壓力后立即剪切。后2級周圍壓力分別間隔時間為1 min和3 min。試驗表明：間隔時間過短，后2級剪切是在第1級剪切的破壞面上再次發(fā)生，峰值主應(yīng)力小于第1級剪切，未得到φ值。然后將間隔時間擴大為5 min和10 min，通過試驗發(fā)現(xiàn)：增加間隔時間后，改善了第1級剪切對試樣的影響，后2級剪切的峰值主應(yīng)力略大于第1級，但是獲得的φ還是較小(見表2)，說明各級的間隔時間還較短，應(yīng)該在各級周圍壓力下間隔10～20 min，這樣可能剪切效果會更為理想。根據(jù)試驗情況決定間隔時間依次為10，20 min。

表2　確定間隔時間試驗結(jié)果匯總 Table 2　Summary of the time of consolidation determined by the test

3.4　破壞標準的確定

在常規(guī)三軸試驗中，一般取試樣的軸向應(yīng)變ε1<25%，實際操作中一般取軸向應(yīng)變ε1在20%以內(nèi)的抗剪強度為有效值。因為當試樣的軸向應(yīng)變ε1>20%后，試樣會受到比較大的擾動。在多級三軸試驗中，同樣也應(yīng)該控制試樣的軸向總應(yīng)變不應(yīng)超過20%。然而多級三軸試驗中，第1級的軸向應(yīng)變ε1往往會達到軸向總應(yīng)變的60%～80%。因此，在多級三軸試驗中很難掌握各級的破壞標準，即什么時候停止施加軸向壓力，施加下一級周圍壓力。筆者總結(jié)了以下幾種方法。

3.4.1軸向壓力穩(wěn)定或者趨于穩(wěn)定

方法源于《土工試驗規(guī)程》(SL237—999)[1]，其優(yōu)點是利于試驗操作，軸向壓力通過軸向測力計直觀的讀取，可以方便及時地控制試驗進度；缺點是在第1級剪切中，軸向壓力穩(wěn)定后，一般試樣已經(jīng)完全剪切破壞，試樣的后期的強度再生受到一定的影響，會使得第1級的軸向應(yīng)變ε1較大，從而限制了后幾級的軸向應(yīng)變。

3.4.2人為限定各級軸向應(yīng)變的最大值

在《土工試驗方法標準》(GB/T50123—1999)[2]中沒有對試樣的破壞標準加以說明。在《土工試驗規(guī)程》(SD 128—84)[7]中，曾試行過3.4.1節(jié)中的破壞標準，但是在新國標中卻去除了破壞標準的闡述，說明目前就破壞標準的討論還沒有統(tǒng)一。

國內(nèi)有部分學(xué)者提出，認為限定三軸試驗3級軸向應(yīng)變分別為10%，15%，18%[3]。這樣可以通過監(jiān)測三軸儀的軸向位移計來控制試驗的進程，不失為一種方便可行的方法。但是，人為地限定軸向應(yīng)變，會使得試樣在某級剪切中發(fā)生沒有達到剪破壞或者完全剪破壞[8]。例如，如果在第1級軸向應(yīng)變達到10%，但是試樣還未發(fā)生剪破壞，這樣得到的第1個莫爾圓會偏小，使得φ值偏大，c值偏小。

3.4.3綜合2種方法確定試樣破壞標準

本次試驗采用3.4.1節(jié)的破壞標準，即軸向測力計示數(shù)趨于穩(wěn)定時，停止加荷，開始施加下一級周圍壓力。 試驗結(jié)果如表3。

表3　確定破壞標準試驗結(jié)果匯總 Table 3　Summary of the criterion of damage determined by the test

通過試驗表明：在以后的多級三軸試驗中，應(yīng)該參考2種破壞標準，試做1～2個試樣，確定試樣在各級剪破壞所對應(yīng)的軸向應(yīng)變范圍。然后在后續(xù)試驗中按照3.4.2節(jié)的破壞標準進行控制，同時若試樣未達到限定的軸向應(yīng)變時軸向測力計就已經(jīng)穩(wěn)定，也可以認為試樣已經(jīng)剪破壞，應(yīng)及時停止施加軸向壓力。

通過2個試樣的比較，認為淤泥質(zhì)土多級UU第1級破壞標準為軸向應(yīng)變達到12%和軸向壓力穩(wěn)定兩者的先發(fā)生者，第2級和第3級破壞標準均為軸向壓力穩(wěn)定。

4試驗結(jié)果及分析

4.1　試驗土樣物理性質(zhì)

本次試驗所用試樣的物理性質(zhì)見表4。

表4　試驗土樣物理性質(zhì)參數(shù) Table 4　Physical parameters of test soil samples

4.2　多級三軸與常規(guī)三軸試驗結(jié)果

本次多級三軸試驗共設(shè)置10組，每組分別進行多級三軸和常規(guī)三軸試驗，試驗結(jié)果見表5。

一般情況下UU試驗，在剪切過程中試樣沒有排水，不論圍壓多大，試樣破壞時土的抗剪強度和有效應(yīng)力必相等，因此UU試驗的抗剪強度包絡(luò)線為一條直線，只能得到試樣的黏聚力cu,而φu=0。但是對于淤泥質(zhì)土這種高孔隙比的結(jié)構(gòu)性土，即使進行了24 h的反壓飽和，其飽和度也很難達到100%。在試樣的內(nèi)部還存在大量空氣，那么在加壓過程中，試樣的抗剪強度會有所增長，所得到的抗剪強度包絡(luò)線為一條曲線，待試樣飽和后才回趨于水平。淤泥質(zhì)土這種極易變形的結(jié)構(gòu)性土，剪切過程極為短暫，往往試樣還沒有被壓縮至飽和就已經(jīng)發(fā)生破壞，使得淤泥質(zhì)土的常規(guī)三軸試驗的φu≠0，但是這并不影響其抗剪強度的有效性。UU試驗這種試驗方法，并不是意味著試樣就沒有摩擦強度，只不過摩擦強度隱含于黏聚強度內(nèi)，淤泥質(zhì)土的UU試驗的這種結(jié)果同樣是有一定參考價值。同時用于多級三軸試驗的試樣與常規(guī)三軸完全一致，本文僅通過對比探討多級三軸試驗的結(jié)果與常規(guī)三軸試驗的結(jié)果，說明多級三軸試驗的可行性和可信度。

表5　多級三軸試驗結(jié)果匯總 Table 5　Summary of multilevel triaxial test results

通過對比多級三軸試驗和常規(guī)三軸試驗的結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)：多級三軸獲得參數(shù)較常規(guī)三軸c值偏大，φ值偏小，多級三軸第1級剪切與常規(guī)三軸基本一致，而后2級剪切是在第1級剪切破壞的基礎(chǔ)上進行的，致使后2級的峰值主應(yīng)力略小于同等圍壓下的常規(guī)三軸試驗，見圖4；對比多級和常規(guī)三軸試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線不難發(fā)現(xiàn)，在第1級剪切中試樣的峰值主應(yīng)力十分接近，而在后2級剪切中多級三軸的峰值主應(yīng)力均略小于常規(guī)三軸試驗，而且多級三軸試驗不會出現(xiàn)明顯的峰值主應(yīng)力，我們認為軸向主應(yīng)力差趨于穩(wěn)定時試樣就已經(jīng)破壞或接近破壞。

圖4　多級三軸試驗和常規(guī)三軸試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 Fig.4　Stress-strain curves of multilevel triaxial test and conventional triaxial test

圖5　多級三軸試驗和常規(guī)三軸試驗應(yīng)力莫爾圓 Fig.5　Mohr’s circles of multilevel triaxial test and conventional triaxial test

對比多級和常規(guī)三軸的應(yīng)力莫爾圓可以發(fā)現(xiàn)(見圖5)，多級三軸試驗第1級剪切的應(yīng)力莫爾圓與常規(guī)三軸的莫爾圓的大小、位置很接近，而后2級剪切的莫爾圓半徑略小于常規(guī)三軸試驗。因此多級三軸試驗較常規(guī)三軸試驗得到的c值略大，φ值略小。

國內(nèi)外對多級三軸試驗的研究較少，同時部分規(guī)范中又沒有解釋多級三軸試驗控制條件，使得多級三軸的應(yīng)用受到了一定局限。通過試驗表明，多級三軸試驗具有很大的靈活性，對于不同類型的土樣，其控制條件也不盡相同。在進行多級三軸試驗之前，需要預(yù)先進行試剪切，用于確定試驗控制條件和破壞標準。從對比數(shù)據(jù)中也可以發(fā)現(xiàn)，多級三軸獲得參數(shù)仍在合理范圍之內(nèi)，未發(fā)生較大的偏差，具有較好的利用價值，也可以經(jīng)過修正后用于計算。

淤泥質(zhì)土含水量較大、靈敏度較高，通過精確控制試驗條件，利用多級三軸試驗方法，可以利用較少的試樣獲得較多的可信參數(shù)，在一定程度上減少了試驗過程中取樣、制樣的工作量，提高了試驗的效率。

5結(jié)語

本文通過對淤泥質(zhì)土進行多級三軸試驗，探討了多級三軸在實際操作中的可行性及多級三軸試驗中應(yīng)注意的關(guān)鍵問題：多級三軸試驗中級差應(yīng)控制在30 kPa，級數(shù)為3級，固結(jié)時間依次為10 min和20 min；第1級破壞標準為軸向應(yīng)變達到12%和軸向壓力穩(wěn)定兩者的先發(fā)生者，第2級和第3級破壞標準均為軸向壓力穩(wěn)定。且對于不同類型的土樣，其控制條件也不盡相同。在進行多級三軸試驗之前，需要預(yù)先進行試剪切，用于確定試驗控制條件和破壞標準。

試驗表明：多級三軸試驗克服了類似淤泥質(zhì)土等軟土的取樣、制樣困難，提高了試驗效率，獲得參數(shù)仍在合理范圍之內(nèi)(多級三軸試驗較常規(guī)三軸試驗得到的c值略大，φ值略小)，未發(fā)生較大的偏差，具有較好的應(yīng)用前景，是一種經(jīng)濟可行的試驗方法。

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(編輯：姜小蘭)

Discussion of Multilevel Triaxial Test on Silty Soil

HU Zhi-qiang, XIAO Shi-rong, WANG Xiang-yu, LU Shi-xuan

(College of Civil Engineering and Architecture, China Three Gorges University, Yichang443002, China)

Abstract:It is troublesome to collect and prepare specimens of silty soil in practice, posing difficulties to obtaining parameters. In this paper we discuss the feasibility and pivotal problems of multilevel tri-axial test on silty soil. We summarize that the number of loading steps is 3 and the disparity among steps should be controlled within 30kPa. The time of consolidation are 10 minutes and 20 minutes respectively. As for failure criterion, the first stage failure is determined to be when axial strain reaches 12% or when axial pressure gets stable; the second and third stage failure are both determined when axial pressure gets stable. The tests in this paper prove that multilevel triaxial test could overcome the difficulties of collecting and preparing silty soil specimens, and the obtained parameters are reasonable with slight deviations: the cohesion is slightly larger and internal friction angle is slightly smaller. These parameters could be adopted after correction, and the multilevel triaxial test is proved to be an economical and feasible method.

Key words: silty soil; strength recycled; multilevel triaxial test; number and disparity of loading steps; time of consolidation; failure criterion; shear strength

《三峽水庫溫室氣體通量監(jiān)測與分析研究》

項目啟動會議在北京召開

2015年3月12日，《三峽水庫溫室氣體通量監(jiān)測與分析研究》項目組在北京外國專家大廈召開了項目啟動會議，會議由項目負責人長江科學(xué)院空間信息研究所所長譚德寶教授級高級工程師主持，參加此次會議的有中國長江三峽集團公司、中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院、中國水利水電科學(xué)研究院、三峽大學(xué)等單位的專家代表。會議對項目工作組織方案、技術(shù)要求和質(zhì)量保障方案、基礎(chǔ)研究實施方案、國際合作方式和國際會議方案進行了討論，確定了野外觀測活動的時間、范圍以及觀測儀器標準等內(nèi)容。甲方代表中國長江三峽集團公司科技與環(huán)境保護部楊洪斌副主任對項目的實施提出了明確的要求，希望項目組成員加強溝通和密切合作，按時完成項目的預(yù)期目標。

該項目是由長江科學(xué)院牽頭組織實施，聯(lián)合中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院、中國水利水電科學(xué)研究院、三峽大學(xué)等科研機構(gòu)共同開展的。項目的主要任務(wù)和目標是在三峽水庫開展水庫溫室氣體通量監(jiān)測與分析，掌握三峽水庫溫室氣體源匯變化的基本規(guī)律，開展水庫溫室氣體源匯變化重要過程、關(guān)鍵界面和影響因素的基礎(chǔ)研究工作，同時與國際水電協(xié)會開展監(jiān)測方法和機理模型等方面的國際合作，舉辦第一次水庫碳循環(huán)與碳通量國際學(xué)術(shù)會議，提高國內(nèi)水庫溫室氣體源匯變化領(lǐng)域的研究水平。

(摘自：長江水利科技網(wǎng))

2015,32(04):92-95，100