土樣三軸多級剪的剪停控制方法研究

陸志鋒，范 健

（江蘇省地質調查研究院，江蘇南京 210018）

0 引言

土的常規三軸壓縮試驗獲取一組強度指標需要3個或者3個以上性質相同的試樣，所用土樣較多，試驗費時也不經濟。實際工程中由于經濟和土質等多方面的影響，不能取到需要數量的土樣或均勻土樣，這就限制了常規三軸壓縮試驗的應用。《土工試驗方法標準》（國家標準［1］、公路標準和鐵路標準）中允許采用1個試樣多級加荷試驗測定抗剪強度參數。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力圓分散，各應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，就無法得出真實準確的結果，因此，如何控制每級荷載下的剪切應變就非常值得研究。

1 1個土樣的多級加荷試驗的理論分析

《土工試驗方法標準》（國家標準、公路標準和鐵路標準）中規定：安裝好試樣后，施加第1級周圍壓力，按照每分鐘應變0.5%~1.0%（以不固結不排水試驗UU為例）的應變速率開始剪切，當測力計讀數達到穩定或出現倒退時，測記測力計和軸向變形讀數，關閉電機，停止剪切，將測力計調整為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定。如此進行第3、第4及周圍壓力下的剪切，累計軸向應變不超過20%。在實際試驗中會發現，等到測力計讀數穩定或出現倒退時，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也可能比第一級小，會出現摩爾強度包線，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，其屈服應力和破壞應力是不同的，屈服應力一直提高的土樣為應變硬化型，屈服應力有峰值的為應變軟化型。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力應變曲線，oabcd線為應變硬化型材料曲線，b、c點為相繼屈服點，d點為破壞點，oabce線為應變軟化型材料曲線，e點為破壞點。按照標準規定，當測力計讀數達到穩定或出現倒退時停止剪切，試樣會出現較大的難以恢復的塑性變形（有的試樣可能直接被剪斷），第2級圍壓試樣的狀態跟第1個試樣有較大的差別，直接導致試驗的結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。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 土的應力應變關系

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）。《土工試驗方法標準》中規定，試樣開始剪切后每產生0.2 mm（或者0.5 mm）測記1次測力計讀數和軸向變形值，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，測力計讀數的變化量相差不大，當樣品從彈性變形為主轉化成塑性變形為主時，測力計讀數的變化量急劇減小，這一點定為點b。從圖2可以看出，點b和點c所對應的應力值很接近，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儀進行試驗，可以即時看到試樣的應力應變曲線，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［2］。

表1 試樣物理性質指標

表2 試樣多樣剪和多級剪結果

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的土樣進行試驗，物理指標見表1。

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

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

3 結論

（1）按照《土工試驗方法標準》中規定的“當測力計讀數達到穩定或出現倒退時”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土樣由彈性變形為主轉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］國家質量技術監督局，中華人民共和國住建部.GB/T50123—1999土工試驗方法標準［S］.北京:中國計劃出版社，1999.

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