再現性條件下的砂土直剪試驗方法

洪亦非，趙鋼，陳志偉

（蘇州大學軌道交通學院，江蘇 蘇州 215131）

測定土的應力應變和抗剪強度的室內試驗方法主要有直剪試驗和三軸試驗等。三軸試驗中試樣的應力狀態較為明確，試驗結果往往較為可靠；然而進行三軸試驗需要較高的試驗技巧，一組試驗往往耗時幾天甚至更長。而直剪試驗操作較為簡單，一組試驗在數十分鐘內，因而是工程界應用最為廣泛的一種，也是我國規范規定的試驗方法之一[1]。

直剪試驗由于剪切應力分布不均勻等原因，試驗結果一般沒有三軸試驗的結果可靠。這可以通過再現性方法來克服，即重復做試驗，直到出現一致性較強的試驗結果，以一致性強的結果作為最終結果。一方面，在實現再現性這個過程中分析其它試驗結果不一致的原因，從而提高試驗人員的試驗技能，進而提高試驗結果的可靠性。另一方面，選取再現性條件下的2組試驗結果作為最終結果，提高試驗結果的準確性。本文將以日本豐浦砂[2]的直剪試驗為例，說明該方法的有效性。

1 試驗方案

1.1 試驗材料和儀器

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

1.2 試驗方法

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算不同擊數下砂土的孔隙比。通過反復試驗，使得試樣在2擊、20擊和100擊下的孔隙比分別穩定在0.72、0.70和0.62，對應的相對密實度分別為66.9%、73.2%和94.5%。試樣準備完畢后，以0.8mm/min的速度進行剪切，同時每隔10s記錄量力環上的百分表讀數和試樣垂直高度上的百分表讀數。從量力環上的百分表開始反應的一剎那開始計時，直到該百分表讀數停滯不前或回退一段時間后停止剪切。進行了一系列的試驗，試樣的擊數分別為2、20和100，壓應力分別為50kPa、100kPa和 200kPa。

2 試驗結果

首先進行了擊數為20的試樣在壓應力為50kPa下的剪切試驗。進行了4組試驗，其結果并不相同，見圖 1。圖示“50-20-a”中的數字“50”表示壓應力為50kPa，“20”表示擊數為 20，“a”表示該情況下的第 1次試驗，其余類似，不再重述。圖1(a)表示剪切應力與壓應力的應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次試驗誤差較大，推測原因可能是試樣準備時表面不平整，導致應力比和剪脹性偏小。第2次試驗有所改善。隨著試驗技能的穩定，第3次和第4次的試驗結果明顯趨于一致，體現了試驗結果的再現性。以下以再現性條件下的試驗結果進行討論。

圖1 在20擊、50kPa壓應力作用下的試驗結果

砂土試樣在50kPa、100kPa和200kPa壓應力作用下的試驗結果分別見圖2、圖3和圖4。在圖2(a)中，隨著砂土密實度的增加，應力比隨位移達到的峰值較大，之后回落，但不同密實度砂土的應力比最終都趨于一個穩定值。在圖2(b)中，密實度越大的砂土，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顯示了類似的規律。

對比圖 2(a)、圖 3(a)和圖4(a)，同一密實度的密砂，隨著壓應力的增大，其應力比峰值減小，但其最終的穩定值都在0.65左右，相應的穩定摩擦角為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，最終體現了砂土顆粒之間的真實內摩擦角，為33。對于密實度低的松砂，不顯示咬合作用，應力比隨著剪切位移的增大而增大，最終靠其真實內摩擦角而穩定。對比圖2(b)、圖3(b)和圖4(b)，同一密實度的砂土，隨著壓應力的增大，其剪脹性變小。對于壓應力較大的松砂，如圖4(b)中200-100-a的試樣，在開始階段表現出較大程度的剪縮性。以上這些砂土特點與文獻[3-5]的研究一致。

以上良好試驗結果的取得，很大程度上歸功于再現性方法。在達到再現性的過程中，試驗人員的試驗水平不斷提高。最后進行的壓應力為200kPa的試驗(見圖4)，僅進行了少量試驗就達到了再現的效果。以再現的試驗結果進行討論，規律性較強，顯示了良好的可靠性和準確性。

圖2 在50kPa壓應力作用下的試驗結果

圖3 在100kPa壓應力作用下的試驗結果

圖4 在200kPa壓應力作用下的試驗結果

3 結語

再現性的直剪試驗過程中，各種試驗操作不當和試驗誤差逐漸消除，試驗結果趨于一致，從而其結果更為可靠和準確。雖然每組試驗至少進行2次，但因為直剪試驗本身的便捷性，總體而言仍然較為方便，卻大大提高了試驗結果的可靠性和準確性，其方法值得推廣。