石 崢，陳 雷

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

三軸試驗(yàn)就是在土樣的三個(gè)軸向上施加應(yīng)力的條件下，研究土的變形以及累計(jì)變形的發(fā)展，直至試樣破壞全過程的試驗(yàn)。根據(jù)過程中固結(jié)排水條件，通常分為不固結(jié)不排水剪(UU)、固結(jié)不排水剪(CU)和固結(jié)排水剪(CD)[1]。

1 概述

我國于20世紀(jì)50年代開始研制三軸儀。目前，三軸試驗(yàn)已廣泛應(yīng)用于測定土的靜力特性、動(dòng)力特性和砂土液化研究，是研究土的本構(gòu)關(guān)系的主要手段。利用三軸試驗(yàn)測定的強(qiáng)度參數(shù)和本構(gòu)模型中的模型參數(shù)已成為巖土工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。目前開展的三軸試驗(yàn)多側(cè)重于對軟土方面的測試和研究，如龔曉南針對河口濱海相沉積軟土，對不同切土方向的土樣進(jìn)行三軸UU、CU試驗(yàn)，得到黏土的各向異性強(qiáng)度和變形特性[2]；楊愛武等通過不同條件三軸試驗(yàn)方法對天津?yàn)I海沉積軟土的各向異性強(qiáng)度和變形特性進(jìn)行研究[3]；王建華對軟黏土不固結(jié)不排水循環(huán)強(qiáng)度[4]、變形試驗(yàn)和對其破壞準(zhǔn)則等方面的研究[5]，而針對不同加荷方法對試驗(yàn)強(qiáng)度影響方面的研究較少。

天津?yàn)I海新區(qū)位于渤海海岸線的邊緣部位，是典型的海陸交互相濱海沉積軟土地區(qū)，該地區(qū)淺部廣泛分布有第四紀(jì)全新世中期以來海侵形成的軟土，主要為淤泥質(zhì)黏性土或淤泥，該段土層屬欠固結(jié)土，土性呈流塑、軟塑狀態(tài)，土層具強(qiáng)度低，壓縮性高，滲透性差等性質(zhì)。

本次選取天津地區(qū)飽和軟黏土為試驗(yàn)對象，利用兩種不同加荷方式，進(jìn)行UU試驗(yàn)，得出對抗剪強(qiáng)度的影響以及試驗(yàn)參數(shù)之間的相應(yīng)關(guān)系。

2 試驗(yàn)方法及要求

本次試驗(yàn)選取天津?yàn)I海新區(qū)沿海地區(qū)表層軟土，試驗(yàn)使用直徑為39.1 mm，高度為80 mm的試樣，試驗(yàn)儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TSZ-1型應(yīng)變控制式三軸儀。

三軸不固結(jié)不排水法(UU)，這種方法是施加圍壓σ3和軸向壓力的過程中，不允許試樣排水。如果試樣是飽和軟黏土則施加的外力為孔隙水壓力承擔(dān)，土粒間有效應(yīng)力σ′保持不變，因而強(qiáng)度不因圍壓σ3的增大而增加，盡管每級σ3不同，但各個(gè)莫爾圓直徑基本相同，理論上強(qiáng)度包線是水平線抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，Фuu=0[6]。

三軸試驗(yàn)按照對土樣加荷方法不同，一般分為多試樣單級加荷法(以下稱方法一)，這種方法也是室內(nèi)三軸常用的加荷方法。另一種是單試樣多級加荷法(以下稱方法二)，這種方法土樣用量少，又避免了土樣之間的不均勻性，有著一定的優(yōu)勢。但與方法一試驗(yàn)結(jié)果有著一定的差異。

依據(jù)GB/T 50123-1999，方法二適用于靈敏度較低的原狀土[1]，因此本次對土樣先進(jìn)行無側(cè)限試驗(yàn)，選取低靈敏度土樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)。剪切速率為0.8 mm/min，加圍壓考慮到土體本身自重壓力、土的軟硬程度及前期固結(jié)壓力的影響。由于本次試驗(yàn)用的是飽和軟黏土，方法一的第一級圍壓宜用50 kPa，第二級宜為100 kPa，第三級宜為150 kPa；方法二第一級用50 kPa，第二級及以后各級圍壓應(yīng)按等于或大于前一級最大主應(yīng)力施加[1]。根據(jù)多次試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，為便于分析對比兩種方法對強(qiáng)度指標(biāo)的影響，方法二施加各級圍壓在滿足規(guī)范要求條件下可以與常規(guī)方法施加相同的圍壓。

運(yùn)用方法一時(shí)，由于本次試驗(yàn)用土為軟黏土，多為塑性變形，曲線沒有明顯的峰值，所以每級剪切應(yīng)變達(dá)到20%剪切終止，剪切峰值則可取應(yīng)變?yōu)?5%主應(yīng)力差作為破壞點(diǎn)[1]。

運(yùn)用方法二時(shí)，考慮到用每級的最大主應(yīng)力穩(wěn)定或趨于穩(wěn)定作為每級剪切的終止標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際生產(chǎn)操作中不易進(jìn)行控制，故經(jīng)過多次試驗(yàn)對比，得出當(dāng)?shù)谝患壖羟袘?yīng)變達(dá)7%之后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的發(fā)展趨勢已基本穩(wěn)定，故第一級剪切應(yīng)變宜為7%，考慮到最后一級(一般為第三級)周圍壓力下的剪切累計(jì)應(yīng)變量不超過20%，所以后兩級應(yīng)變宜設(shè)定為5%，易于操作控制。

2.1 方法一的加載方法及試驗(yàn)曲線

一般選取3個(gè)試樣，每個(gè)土樣施加不同圍壓即σ3=50 kPa，σ3=100 kPa，σ3=150 kPa，待圍壓穩(wěn)定后，進(jìn)行剪切直至破壞。其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

2.2 方法二的加荷方法及試驗(yàn)曲線

軸向壓力逐級卸荷的加荷方法是指當(dāng)?shù)谝患壖羟型瓿珊螅S向壓力退至零，待孔隙水壓力穩(wěn)定后再施加第二級周圍壓力，穩(wěn)定后進(jìn)行剪切試驗(yàn)，剪切完成后軸向壓力再次退至零，待孔隙水壓力穩(wěn)定后再施加第三級周圍壓力，累計(jì)的軸向應(yīng)變不超過20%。其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖1 多式樣單級加荷應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系Fig.1 Relationship between multi-sample single-level loading stress and strain圖2 單試樣多級加荷應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系Fig.2 Relationship between single-sample multi-level loading stress and strain

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 方法一和方法二試驗(yàn)結(jié)果比較

本次選用3組天津?yàn)I海新區(qū)沿海地區(qū)飽和軟黏土進(jìn)行試驗(yàn)分析和比較，物理指標(biāo)見表1。

表1 土的基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of soil

將每組試樣分別運(yùn)用兩種方法進(jìn)行三軸UU試驗(yàn)，得出結(jié)果共計(jì)16組，匯總后見表2。

根據(jù)表2中實(shí)測數(shù)據(jù)，對3組試樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別計(jì)算出平均值u和標(biāo)準(zhǔn)差s。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，土樣1、2、3測得結(jié)果均服從正態(tài)分布，在置信區(qū)間為95%的水平，置信因子為k=1.645，得出土樣1的6組數(shù)據(jù)，土樣2的5組數(shù)據(jù)，土樣3的5組數(shù)據(jù)，實(shí)測結(jié)果均在u±1.645 s以內(nèi)[7-9]。測量值無顯著偏離，可以認(rèn)為測得數(shù)據(jù)均為合格，因此運(yùn)用強(qiáng)度參數(shù)黏聚力Cuu、摩擦角Фuu平均值，作為3個(gè)土樣的標(biāo)準(zhǔn)值。得出結(jié)果見表3。

表2 原狀土樣1、2、3兩種方法的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C值、Ф值對比Tab.2 Comparison of shear strength indexes C value and Ф value of two methods of undisturbed soil samples 1, 2 and 3

表3 原狀土樣1、2、3兩種方法的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)平均值及標(biāo)準(zhǔn)差Tab.3 Average of shear strength index and standard deviation of the two methods of soil sample 1, 2 and 3

對同一種土兩種不同方法所得出試驗(yàn)參數(shù)的差異進(jìn)行分析，得出方法二試驗(yàn)參數(shù)Cuu、Фuu均偏大，所以抗剪強(qiáng)度也較常規(guī)多樣法偏大?？紤]到抗剪強(qiáng)度參數(shù)偏大有可能是所用土樣的結(jié)構(gòu)性所致，因此制取重塑樣進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

通過分析表3和表4，對于抗剪強(qiáng)度參數(shù)來說，兩種方法運(yùn)用重塑樣進(jìn)行試驗(yàn)仍有一定差異。并且方法二測出參數(shù)較大。對于同一種方法來說，無論運(yùn)用原狀樣還是重塑樣進(jìn)行試驗(yàn)，摩擦角Фuu基本相同，而利用重塑土樣進(jìn)行試驗(yàn)得出黏聚力Cuu明顯小于原狀樣的試驗(yàn)結(jié)果。這也說明破壞了土樣的結(jié)構(gòu)性，土樣的抗剪強(qiáng)度明顯降低。而兩種方法得出試驗(yàn)參數(shù)的差異來源于方法本身，而與所用土樣本身的結(jié)構(gòu)性關(guān)系不大。

3.2 兩種試驗(yàn)方法的不同點(diǎn)與優(yōu)勢

通過兩種不同加荷方式進(jìn)行的UU試驗(yàn)，得出在試樣充足并且足夠均勻的情況下宜采用方法一，在不同圍壓的情況下試樣都能剪切出峰值或無峰值趨勢趨于穩(wěn)定。方法二可在現(xiàn)場采集原狀土樣較少的情況下使用，并能夠縮短試驗(yàn)周期，快速有效。每級剪切結(jié)束軸向壓力退荷為零，由于試樣沒排水，讓試樣充分進(jìn)行回彈，近似認(rèn)為試樣與開始加第一級圍壓前相同，然后開始加下一級圍壓進(jìn)行剪切。這樣得出的幾個(gè)試驗(yàn)強(qiáng)度包線與方法一的相似。對于不同類型土質(zhì)的土樣應(yīng)控制好每級應(yīng)變。

表4 重塑土樣1、2、3兩種方法的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C值、Ф值及其平均值對比Tab.4 Comparison of shear strength index C value,Ф value and their mean value of two methods of remodeling soil samples 1, 2 and 3

3.3 兩種試驗(yàn)方法結(jié)果不同分析

通過兩種不同加荷方法對天津?yàn)I海地區(qū)軟土進(jìn)行UU試驗(yàn)結(jié)果的分析，得出結(jié)果比較相似，相比方法一，方法二結(jié)果偏大。從實(shí)驗(yàn)過程分析：方法一和方法二第一級剪切條件基本相同，由于試樣剪切時(shí)屬于無峰值類型的土，所以剪切應(yīng)變偏小時(shí)，抗剪強(qiáng)度偏小。當(dāng)方法二剪切應(yīng)力發(fā)展趨勢已基本穩(wěn)定，兩種方法抗剪強(qiáng)度雖然相差不大，但方法二選取的應(yīng)變小，則抗剪強(qiáng)度偏小。相比方法一，方法二的第二級剪切前土樣由于前一級剪切的變形再回彈，回彈并不能完全，土樣只能近似回到初始的樣子，所以密度有所增高，故剪切后測得抗剪強(qiáng)度偏高，第三級也是如此。在繪制強(qiáng)度包線時(shí)，方法二得出的參數(shù)偏大。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過多次試驗(yàn)對比，以飽和軟黏土作為試樣，運(yùn)用單試樣多級加荷UU試驗(yàn)方法進(jìn)行第一級剪切時(shí)，當(dāng)剪切應(yīng)變達(dá)7%之后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的發(fā)展趨勢已基本穩(wěn)定，故第一級剪切應(yīng)變宜為7%，考慮到最后一級(一般為第3級)周圍壓力下的剪切累計(jì)應(yīng)變量不超過20%，所以后兩級應(yīng)變宜設(shè)定為5%，易于操作控制。

(2)兩種方法得出的試驗(yàn)參數(shù)的不同是方法本身帶來的誤差所致，與所用土樣的結(jié)構(gòu)性關(guān)系不大。常規(guī)多樣法UU試驗(yàn)的摩擦角是1°左右，這是由于幾個(gè)土樣密度雖然不超差，但稍有差異所致，這并不影響抗剪強(qiáng)度的有效性。單試樣多級加荷的方法雖然可以較好地避免常規(guī)多樣法由于取樣的差異帶來的誤差，但是這種方法也存在著一定誤差：在某級圍壓下剪切結(jié)束后，撤去軸向壓力，土樣回彈雖已完全，但施加過某一級壓力，土樣會產(chǎn)生一定的壓縮，土樣體積縮小，密度增大，從而測得的抗剪強(qiáng)度略有偏高。

(3)理論上飽和軟黏土的UU試驗(yàn)?zāi)Σ两千秛u=0，所以根據(jù)庫倫理論τ=σtanφ+c，抗剪強(qiáng)度τ近似等于黏聚力Cuu。對于飽和軟黏土作為試樣，常規(guī)多樣法UU試驗(yàn)測得值更接近理論值。以常規(guī)多樣法UU試驗(yàn)結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，單試樣多級加荷UU試驗(yàn)，測出抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力、摩擦角均比常規(guī)多樣法測出的高，因此測得的抗剪強(qiáng)度也偏高。