試驗操作步驟對無側限抗壓強度試驗數據的影響探討

張洪霞

（中鐵第五勘察設計集團有限公司東北分院，黑龍江 哈爾濱150001）

土在外力作用下在剪切面單位面積上所能承受的最大剪應力稱為土的抗剪強度，是由顆粒間的內摩擦力以及由膠結物和水膜的分子引力所產生的黏聚力共同組成。土工試驗是工程勘察的重要組成部分，在工程設計和施工中有著非常重要的意義。其結果能對工程的勘察效果產生重大影響。無側限抗壓強度試驗是土的力學試驗之一，是土重要力學基本內容，可提供土的力學性質指標，供設計計算時使用，它操作簡單，適用廣泛；它是指土樣在側面不受限制、無側向壓力條件下，抵抗垂直壓力的極限強度，它可以估價土的承載力和抗剪強度。土的靈敏度指無側限抗壓強度與其重塑土（密度與含水量就與原狀土相同）的無側限抗壓強度之比。靈敏度反映土的受結構振動影響的程度，靈敏度越大，結構擾動影響越明顯。它可以用來評價土的結構性。影響土的強度的因素較多，如土的類型、密度、含水量、深度及受力條件等等。根據現有的測試設備和技術條件，準確測定土的抗剪強度指標是比較困難的，也只作近似模擬。它可以用來評價地基穩定性；計算路堤、土壩、擋土墻等斜坡穩定性以及擋土建筑物土的壓力，都需要土的抗剪強度指標。試驗室測定土的抗剪強度指標的儀器有直接剪切儀、三軸壓縮儀及無側限壓力儀，本文著重研究應用無側限壓力儀測定無側限抗壓強度試驗步驟中影響數據的主要原因，探求試驗數據準確性，真實性，可靠性。

1 試驗原理

無側限抗壓強度試驗是指在不加任何側向壓力的情況下，對圓柱體試樣施加軸向壓力，直至試樣剪切破壞為止，它是抵抗垂直壓力的極限強度。試樣破壞時的軸向壓力以qu 表示。本試驗適用于測定自重下不變形的飽和粘性土。

2 試驗裝置

應變控制式無側限壓縮儀。應變控制式就是在試驗過程中，一定時間內控制試樣產生一定的變形，測定與此變形相應的應力。它能較準確的測出峰值和終值強度，目前廣為采用,如圖1。

圖1 應變控制式無側限壓縮儀及重塑筒

圖2 切土盤及切土試樣

3 試驗步驟

①將削好的試樣立即稱量，準確至0.1 克。同時取削下的余土測定含水率。用卡尺測量高度及上、中、下各部位直徑。計算試件平均直徑。在試件端抹一薄層凡士林，為了防止水分蒸發，試件的側面也可抹一層薄凡士林。②將制備好的試件放在加壓板上，轉動手輪，使其與上加壓板剛剛好接觸，調測力計百分表讀數為零點。③以軸向應變1%-3%/min 的速度轉動手輪(6-12r/min)，使試驗在8-10min 內完成。軸向應變在3%以前，每0.5%軸向應變記讀百分表讀數一次，軸向應變達3%以后，每1%軸向應變記計百分表讀數一次。④當百分表達到峰值或讀數達到穩定了，再繼續剪3%-5%軸向應變值即可停止試驗。如讀數沒有穩定值，則軸向應變達20%的即可停止試驗。⑤試驗結束后，迅速反轉手輪，取下試件，描述土樣破壞情況。剪切前、后試樣如圖（三、四）⑥測定靈敏度，將破壞后的試件去掉表面凡士林后，再加少許土，包以塑料布，用手捏搓，破壞其結構，重塑土與重塑前尺寸、密度相等，然后立即重復②至⑥步驟進行試驗。

圖3

圖4

4 試驗指標

4.1 D0= (D1+2D2+D3)/4 ；D0- 試件平均直徑（cm）；D1、D2、D3-試件上、中、下各部位的直徑（cm）。

4.2 △h=n*△L-R ；△h 為軸向變形,n 為螺桿上升轉數，△L 為螺桿上升轉的垂直距離,R 為測力計讀數。

4.4 試樣面積校正As=A0/1-1 ； A0為試驗前的試樣面積，As 為較正后試樣面積。

4.5 抗壓強度qu=10C*R/As ； C 為量力環率定系數，R 為測力計讀數；10 為單位換算系數。

4.6 靈敏度St=qu/qu'； qu 原狀試樣的無側限抗壓強度，qu'為重塑土無側限抗壓強度。

4.7 抗剪強度S=qu/2。（表1）

5 試驗步驟過程中對數據的影響的因素及探討

表1 無側限試驗記錄簡表

5.1 試樣制備的影響，此試驗的制樣是關鍵，室內試驗適用于飽和的無裂隙的粘性土，同時需要具有兩個條件，一個是在不排水的條件下，要求試驗時有一定的應變速率，在較短的時間內迅速完成試驗，另一個是試樣在自重作用下不變形。如土樣在野外取樣，通過運輸至試驗室時與其所處于的地層、深度、結構、環境狀態等等是基本一致的，這種狀態下測得的試驗數據才能客觀反映土的原始的真實的力學性能。現實取土、運樣過程中往往存在設備或是人為的操作影響，運輸中防震、防曬等原因，使土樣在到達試驗室時，表現為土樣包裝的部分缺失和損壞、土樣的形變，甚至失水等等。使土樣增加了脆性，必定影響試驗數據。外業人員直接鉆取的圓柱體土樣（一般80mm×200mm），經過原狀土分樣器后分三個扇形土柱，放在切土盤（如圖二）上切成39.1mm×20mm 圓柱體，切土過程中，一定用切土刀緊靠側板，由上往下細心切削，同時轉動圓盤，也要避免擾動，較軟的土用力均勻且不要太大，較硬的土，一點點削，一二分鐘即可結束。對天然土樣，土樣中含有各種不確定的雜質，比如含有鐵錳結核、鈣質結核、貝殼、碎石、樹根等。裸露出的部分，可以剃除，有凹坑的用削下的余土填補。不同的人在制樣過程中的處理方式是不一樣的，也會對數據有一定的影響。

5.2 凡士林的影響。要求此試驗時有一定的應變速率，在較短的時間內完成試驗，制好的試樣，試件抹一薄層凡士林，凡士林一方面防止水分蒸發，另一方面也是為了保證試件與上下平面緊緊相貼。使試樣數據較為準確。土樣量多時，制樣人員可以將制好的試樣抹一薄層凡士林放在恒溫箱里養生、備用。

5.3 試樣飽和的影響試樣飽和是重要問題,土樣的飽和度愈小,土的孔隙內殘留氣體也就愈多,由于氣體因孔隙水壓的變化面脹縮,因而飽和度的影響成為一個不確定的因素,為了保證試驗數據準確度,要求試樣必須飽和,采用真空氣飽和法是比較有效的方法。由于某些較為密實的土體飽和處理做的不夠徹底，在實驗開始時還存在氣體在其中，將影響數據。

5.4 實驗過程中的影響。試驗過程，針對不同的試樣，控制剪切速率，根據試樣的軟硬程度選用不同的量程的測力計，快速準確調測力計百分表，可以使讀數更加準確，真實。讀數人員應熟練，做到手疾眼快，迅速計下讀數。使試驗在8-10 分鐘內完成，防止試驗過程中試樣發生排水現象及表面水分的蒸發，影響試驗數據。試樣受壓破壞時候，有脆性和塑性破壞兩種，脆性破壞一定有明顯的裂隙在，軸向壓力具有峰值。塑性破壞的，軸向應力一定無峰值，選取軸向壓力15%的為破壞值，但試驗應進行到軸向應變達到20%，重塑試樣的取值標準與原狀試樣相同。試驗人員一定注意觀察讀數，特別是峰值。土質不均勻的，脆性和塑性不明顯，20%應嚴格控制，有時可以稍延長一小段時間觀察，甚至達到23%。但一定保證在10 分鐘試驗結束，結束后取下試樣，描述試樣破壞后的形狀，破壞點，破壞程度，并畫簡易圖，增加數據的可靠性。

5.5 重塑土制樣的影響。重塑試樣除了不具有原狀試樣的結構外，應保持與原狀試樣相同的密度和含水率，尺寸。天然結構的土經重塑后，它的結構粘聚力已全部消散，但就放置一段時間后，它可以恢復一部分，放置的時間越長，恢復的程度愈大，需要測定靈敏度時，重塑試樣應立即進行。靈敏度的重塑土制備過程中，將破壞的后的試件立即去掉表面凡士林，再加削掉的少許土，包以塑料布防止失水，用手捏搓，破壞它的結構，放入重塑筒內，用金屬墊板，將試樣擠成與其原狀土樣一樣的圓柱形，使重塑土與重塑前尺寸、密度、含水量相等。捏搓過程中，視土的情況，均勻用力，塑料布一定嚴密，防止水蒸發。做到重塑土與重塑前密度相等，否則將影響靈敏度的數據。

6 針對上述各影響的改進方法或注意事項

6.1 野外取樣、送樣應最接近原狀樣，若原狀樣發生了變化，在試驗室可以截取中間的部分。飽和軟土試樣預固結后再進行試驗。制樣過程中快速準確，嚴格按照規范、標準進行，避免土體的擾動，削刀、切刀在使用前應該沖洗擦拭干凈保證刀韌光澤并充分烘干，在一二分鐘完成，立即涂抹凡士林。

6.2 在實際操作中，對土樣按標準規定的要求進行飽和后，要測試土樣飽和后的含水率、密度及飽和度，以確定試驗土樣完全飽和。

6.3 重塑土制備過程中，加土后塑成圓柱體，可以通過重新測量質量，與原質量保持一樣的方法解決做到重塑土與重塑前密度相等。試驗過程中試驗人員一定提高技能，增加基礎知識，增強熟練程度，積累經驗。

結束語

土的抗剪強度是構筑物和建筑物安全穩定的重要力學性質指標，是研究土的強度特性的重要指標之一，抗剪強度過高或過低都會影響工程。無側限抗壓試驗是三軸壓縮試驗的一種特殊形式，一種特例，也可以用三軸壓縮儀進行試驗，圍壓力為零，測定飽和粘土的不排水強度。由于飽和粘土在取樣操作中和試樣制備過程中應力的釋放，粘聚力的消散，不排水強度常常偏大一些，但它操作簡單，可以快速應用。本文對土工試驗室中無側限抗壓強度試驗步驟中的各方面影響進行了分析和討論，盡量降低影響，消除不利因素。在實際試驗中，嚴格按規范規章要求試驗，在遵從實驗操作規程的同時，將上述改進方法應用在實際操作里，取得了很好的效果，一定程度上減小了誤差，進一步保證了土工實驗數據的準確性、真實性和可靠性。