土样三轴多级剪的剪停控制方法研究

陆志锋，范 健

（江苏省地质调查研究院，江苏南京 210018）

0 引言

土的常规三轴压缩试验获取一组强度指标需要3个或者3个以上性质相同的试样，所用土样较多，试验费时也不经济。实际工程中由于经济和土质等多方面的影响，不能取到需要数量的土样或均匀土样，这就限制了常规三轴压缩试验的应用。《土工试验方法标准》（国家标准［1］、公路标准和铁路标准）中允许采用1个试样多级加荷试验测定抗剪强度参数。1个试样多级加荷试验只采用1个试样确定强度包线，劳动强度低，避免了多个试样不均匀而造成的应力圆分散，各应力圆均能很好切于强度包线上。但是，由于只采用1个试样，如果第1级或者第2级就把试样剪断，就无法得出真实准确的结果，因此，如何控制每级荷载下的剪切应变就非常值得研究。

1 1个土样的多级加荷试验的理论分析

《土工试验方法标准》（国家标准、公路标准和铁路标准）中规定：安装好试样后，施加第1级周围压力，按照每分钟应变0.5%~1.0%（以不固结不排水试验UU为例）的应变速率开始剪切，当测力计读数达到稳定或出现倒退时，测记测力计和轴向变形读数，关闭电机，停止剪切，将测力计调整为0。然后施加第2级周围压力，按照同样的方法剪切到测力计稳定。如此进行第3、第4及周围压力下的剪切，累计轴向应变不超过20%。在实际试验中会发现，等到测力计读数稳定或出现倒退时，有的试样第1级就可能被剪断，第2级即使增加了围压，停止剪切时测力计的读数也可能比第一级小，会出现摩尔强度包线，而无法测出土的抗剪强度（见图1）。

土样并不是理想的弹塑性材料，其屈服应力和破坏应力是不同的，屈服应力一直提高的土样为应变硬化型，屈服应力有峰值的为应变软化型。如图2所示，a点为屈服点（初始屈服），oaf线是理想塑性材料的应力应变曲线，oabcd线为应变硬化型材料曲线，b、c点为相继屈服点，d点为破坏点，oabce线为应变软化型材料曲线，e点为破坏点。按照标准规定，当测力计读数达到稳定或出现倒退时停止剪切，试样会出现较大的难以恢复的塑性变形（有的试样可能直接被剪断），第2级围压试样的状态跟第1个试样有较大的差别，直接导致试验的结果跟实际情况有较大的差别。

如果用1个试样在第1级围压下剪切到图2的a点跟c点之间的某一点b停止，由于土样产生的变形主要以弹性变形为主，撤去轴向压力后土样强度基本得以恢复。然后再施加第2级围压，跟第1围压一样剪到图2的a点跟c点之间的某一点b停止，第3级、第4级也一样，这样就可以得到强度包线，求出c、φ值。

图1 摩尔圆强度包线

图2 土的应力应变关系

如何控制在图2的a点跟c点之间的某一点b停止剪切成为关键。如图2所示，a点初始屈服点，b、c点为相继屈服点，d、e 点为破坏点，试样在受到轴向压力后，到达a点前为弹性变形阶段，线oa段为直线段；在a点和c点之间为弹塑性变形阶段，线ac段为曲线；线cd（或线ce）为塑性变形阶段（破坏阶段）。《土工试验方法标准》中规定，试样开始剪切后每产生0.2 mm（或者0.5 mm）测记1次测力计读数和轴向变形值，试样在弹性变形阶段每次测力计的变化量是相等的，过了初始屈服点a后，试样进入弹塑性变形阶段，刚开始试验以弹性变形为主，测力计读数的变化量相差不大，当样品从弹性变形为主转化成塑性变形为主时，测力计读数的变化量急剧减小，这一点定为点b。从图2可以看出，点b和点c所对应的应力值很接近，把这一点作为剪切停止的控制点是比较理想的。如果采用全自动固结仪进行试验，可以即时看到试样的应力应变曲线，在曲线开始拐弯要到c点停止剪切。点b之前试样以弹性变形为主，撤去围压后，试样强度基本能够得以恢复［2］。

表1 试样物理性质指标

表2 试样多样剪和多级剪结果

2 试验分析

选用三块300 mm×300 mm×120 mm的比较均匀的不同状态的土样进行试验，物理指标见表1。

每个样品按照标准制成5个（4个用于多样剪）直径39.1 mm、高度80 mm的试样，按照标准分别进行三轴不固结不排水多样剪和多级剪（当测力计读数的变化量急剧减小时或者应力应变曲线开始拐弯时立即停止剪切）试验，试验结果见表2。

从试验结果看，多级剪和多样剪的结果相差很小，这与库伦理论的假定（土的C、Φ不因应力状态的改变而改变）是相符的，在b点停止剪切是可行的。

3 结论

（1）按照《土工试验方法标准》中规定的“当测力计读数达到稳定或出现倒退时”进行土的三轴多级剪试验，有可能无法求得土的抗剪强度。

（2）土的三轴压缩试验一个试样多级加荷试验，在土样的弹塑性变形阶段当土样由弹性变形为主转变成以塑性变形为主时停止剪切，求得的土的抗剪强度与多样剪相近，在实际试验中也是可以操作的。

［1］国家质量技术监督局，中华人民共和国住建部.GB/T50123—1999土工试验方法标准［S］.北京:中国计划出版社，1999.

［2］朱思哲，刘虔.三轴试验原理与应用技术［M］.北京:中国电力出版社，2003.