关于实验室三轴试验多样剪与多级剪的比较

杨西海

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 三轴不固结不排水（UU）剪切试验多样剪与多级剪试验的比较

（1）三轴不固结不排水剪试验的原理

饱和黏性土试验前，试样不发生固结，施加轴向压力时土样不允许排水，饱和黏性土试样在不固结不排水剪切时，含水率保持不变，试样的体积就不变，所以改变压力室压力并不能改变试样的有效应力，而只能引起空隙水压力发生变化。由于三个试样在剪切时的有效应力相等，在剪切时含水率保持不变，因此抗剪强度不变，破坏时的应力圆直径相等，三个总应力圆所作的摩尔包线是一条水平线，按库仑定律∮=0,Tf=Cu,Cu=1/2（σ1-σ3）。

非饱和黏性土，由于试验空隙中含有气泡，在周围压力的作用虽然试样未发生排水固结，但是由于气体体积压缩，以及一部分气泡受压力后溶解于水中，结果使空隙的体积减小。试样体积压缩，所以有效应力随σ3增大，不排水强度随σ3增大。因此非饱和黏性土试验的摩尔包线不像饱和试样那样是水平线，而是曲线。σ3增大，则水中溶解的气体越多，试样的饱和度越大。当σ3增大到一定值试样接近饱和时，强度不再增加，摩尔包线接近水平线。

（2）本次采用的试验三轴仪器是由北京华勘科技有限责任公司生产的应变式DS08型全自动三轴仪。由主机、压力室、轴向加压设备、施加周围压力系统、体积变化和空隙压力量测系统等。数据采集器、自动控制器、电脑等组成。

（3）制备一组试样进行UU多样剪试验

制备一组土样号为2926，试样物理性指标为：

密度：1.71 g/cm3、1.69 g/cm3、1.70 g/cm3；

含水率：56.7（%）；

比重：2.75。

将此组试样分别在三台自动三轴上安装。

在压力室的底座上，依次放上不透水板，试样及不透水试样帽将橡皮膜用膜筒套在试样外，并用橡皮筋将橡皮膜两端与底座及试样帽分别扎紧。

将压力罩放在压力室机座上，使活塞对准试样中心，并均匀地拧紧底座连接螺母。向压力室内注满纯水，然后再计算机上设定试样参数。

设置好参数后开始进行多样剪（UU）试验。试验结束后把数据保存在计算机里。试验结束得到试样2926试验数据成果见图1。

（4）制备一组试样进行（UU）多级剪试验

将制备试样2925（一个样）试样物理性指标为：

密度：1.69 g/cm3；

含水率：56.7（%）；

比重：2.75。

将试样安装在一台全自动三轴仪上，安装的方法与多样剪相同。并在计算机上设置试验参数,UU多级剪基本参数设定。然后开始多级剪试验，试验结束后采得试样2925试验（UU）数据，并把数据保存在计算机里。试验成果见图2（应力差与轴向应变曲线和应力差强度包线）。

图1 试样2926试验成果图

图2 试样2925试验成果图

通过三轴多样剪（UU）试验与三轴多级剪（UU）试验分别得到两个摩尔强度包线，相比较：

多样剪（试样 2926）Cu=16 kPa，Φu=0.6；

多级剪（试样 2925）Cu=16 kPa，Φu=0.3。

（5）三轴UU试验（多样剪与多级剪）比较结论通过试验所得到的抗剪强度十分相近。但所设定的参数有所不同，多级剪使用一台全自动三轴而多样剪要使用三台自动三轴。由于多级剪采用一个试样避免了试样不均匀而造成的应力圆分散、各应力圆能切于强度包线。

2 三轴固结不排水（CU）剪切试验多样剪与多级剪试验比较

2.1 三轴固结不排水（CU）剪切试验原理

固结不排水试验的第一阶段，即施加周围压力σ3时，土样充分排水固结，U1=0，于此同时土样体积压缩，这时增加的σ3就转化为骨架上的有效应力；第二阶段施加偏差应力时，不允许排水。因此，土的强度将随着周围应力的增大而增大。从而按总应力整理得到的强度包线为实线，其强度指标分别以CCU和ΦCu来表示。

若将总应力σ1和σ3分别减去破坏是的空隙压力Uf，也即把每一个总应力圆向左移动Uf的距离，就得到一组相应的有效应力圆及其强度包线。其以虚线所表示。

对于正常固结的土有效应力强度包线通常是通过原点，所以有效应力强度指标为Φ，而C=0。

2.2 制备一组土号为2981试样，做Cu多样剪试验

物理性指标如下：

密度：1.72 g/cm3、1.76 g/cm3、1.77 g/cm3；

含水率：46.7%；

比重：2.75。

三轴固结排水剪所用的主要仪器设备与前述三轴不固结不排水剪所用仪器设备相同，只是安装试样和试验方法有所不同。

Cu多样剪试验的安装：取一组2981试样，分别安装在三台应变式全自动三轴仪上。

开孔隙水压力阀和排水阀，对孔隙水压力系统及压力室底座充水排气后，关孔隙水压力阀和排水阀。压力室底座上依次放上透水板、滤纸、试样及试样帽。试样周围贴浸湿的滤纸条，（为加快固结排水和剪切时，试样内空隙水压力均匀，规定在试样周围贴浸湿的滤纸条，通常用上下均匀透水板相连的滤纸条，滤纸条的宽度与试样尺寸有关，对直径39.1 mm的试样，一般用6 mm宽的滤纸条7～9条），套上橡皮膜，将橡皮膜下端与底座扎紧。从试样底座部充水，排除试样与橡皮之间的气泡，并将橡皮膜上端与试样帽扎紧，降低排水管，使管内水位在试样中心以下20～40，吸出余水，再关排水阀。

将压力罩放在压力室机座上，使活塞对准试样中心，并均匀地拧紧底座连接螺母，向压力室内注满纯水，然后在计算机上设定试样参数。

参数设定好后，保存参数并发送参数到自动控制器和数据采集器，开始进行试验。

试验结束后，在计算机上保存试验数据，并得到了CU多样剪2981的试验数据和成果，见图3。

图3 试样2981试验成果图

2.3 制备一组试样进行（CU）多级剪试样

物理性指标如下：

密度：1.76 g/cm3；

含水率；47.2%；

比重：2.75。

制备土样号为2993的一个直径39.1 cm高为8 cm的试样进行三轴CU多级剪试验。

仪器设备为一台DS08型全自动三轴仪，安装操作步骤同CU多样剪相同。安装后在计算机上设定参数。

参数设定后，进行保存并发送参数到自动控制器和数据采集器，开始进行CU多级剪的试验。

试验结束后，得到多级剪2993的试验数据并进行保存，然后通过数据处理系统的计算得到了多级剪试验成果、应力差强度包线、主应力差与轴向应变曲线等。试验成果见图4。

2.4 三轴CU试验（多样剪与多级剪）比较

（1）通过试样2981的多样剪与试样2993多级剪试验所得出的数据比较（它们都是同一土层）得知：

2981：Ccu=7 kPa，Φcu=17.9°，C’=2 kPa，Φ’=32.4°。

2993：Ccu=7 kPa，Φcu=16.6°，C’=2 kPa，Φ’=30.0°。

图4 试样2993试验成果图

（2）通过Cu多样剪和CU多级剪试验得出它们的总应力强度和有效应力强度很相近，只不过试验过程有所不同。对于多级剪第一级剪切完成后，第二级以后的各级周围压力以采用后一级的周围压力等于或大于前一级破坏时的大主应力为宜。以避免预压作用的影响。对于固结不排水剪，剪切完成后，需退除轴向压力（即钢环退零），使试样回复到等向受力状态，再施加下一级周围压力，这样可以消除固结时偏应力的影响，保持试样在等向压力下固结。而三轴多样剪则不需要。另在制备试样过程中多样剪试验需要制备三个试样，相比多级剪而言，土样扰动的可能性要大的多，从而影响试验结果。多级剪采用一个试样做试验，避免了土样不均匀性影响试验结果的差异，且可以最大化利用试验仪器设备。

3 结论

通过三轴试验（UU、CU）多样剪与多级剪的试验方法相比较，采用一个试样多级加荷的三轴剪切试验测定抗剪强度参数。由于避免了试样之间的差异，所测得成果比较规律，强度包线易于绘制，比多样剪三轴试验有一定的优势。通过上述试验方法的对比，两种试验方法所取得的试验成果UU试验强度包线、CU、Φ值和CU试验强度包线、总应力、有效应力、CU、CU’、Φ、Φ’值都相接近，可以采用制备一个试样来进行多样剪的三轴试验方法来进行试验，充分利用现有仪器设备，从而满足了工程上技术要求和工期的需要。