荆州城区黏性土三轴与直接剪切试验强度对比分析

王胜杰

（成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059）

袁登才

（四川省阿坝州国土资源局，四川 马尔康 624000）

韩文喜

（成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059）

土体有明显的地域性，对土体力学性能进行测试分析研究是基础性工作。土体强度指标的测试在实验室主要是采用直接剪切试验和三轴剪切试验2种方法［1］。侯世伟等［2］对北京地区重塑黏质粉土试样分别进行了固结排水和固结不排水的三轴压缩试验，得到了该种土的应力－应变曲线，并给出了土的抗剪强度指标与模型参数；尹骥等［3］采用三轴试验研究了上海第②层粉质黏土非饱和强度与变形模量；杨金钟等［4］对天津市上部地基土强度进行三轴剪切试验研究。

近年来，随着荆州经济建设的快速发展，高层建筑与深大基坑不断出现，施工过程中复杂的边界条件对土体强度的测试提出了更高的要求。目前，在荆州地区主要采用直接剪切试验得到土体强度指标，该方法不能考虑排水边界条件，也不能考虑应力路径，这样得到的土体强度指标并不科学，在实际运用中存在着一定的误差。为此，笔者对荆州黏性土分别进行直接剪切试验与不同排水条件下三轴剪切试验，比较不同试验方法对强度参数的影响。

1 取样场区概况

取样场区位于荆州水务集团原金凤水厂内，场地地形较平坦，属长江一级阶地地貌单元，其覆盖层成因类型为冲、洪积。自然地面标高为31.47～32.56m，根据钻探揭露及静力触探测试成果，按其成因类型自上而下共分为6层:填土、粉质黏土 、淤泥质粉质黏土、粉质黏土夹粉土、粉砂、细砂与卵石。笔者研究的土样为粉质黏土 ，褐黄－黄褐色，可塑状，含少量铁锰质结核；岩心切面较光滑，局部夹薄层粉土或粉砂；干强度中等，韧性中等，承载力较高，压缩性较低。该层土全场分布，厚0.6～5.9m，平均厚度为3.1m。

2 试验方法

三轴试验采用南京土壤仪器有限公司生产的TSZ－3型应变控制式三轴剪切仪对土样分别进行不固结不排水试验 （UU）和固结不排水试验 （CU），试验时围压分别100、200、300kPa，取（σ1－σ3）（σ1、σ3分别为作用在土体上的大主应力、小主应力）为峰值点的应力值，若无明显峰值点出现则取轴向应变为15%～20%时的应力差为破坏点。

直接剪切试验采用南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制直接剪切仪对土样进行快剪试验 （不排水剪），试样在垂直应力施加后立即进行快速剪切，试验全过程都不允许有排水现象产生，直接剪切试验时作用于试验土样上的垂直应力分别为100、200、300kPa。

根据土工试验规程［5］对黏性土进行UU试验、CU试验以及对照组的直接剪切试验。三轴试验试样直径39.1mm，高80mm，直接剪切试验试样直径61.8mm，高20mm。试验所用黏性土的基本物理参数如表1所示。

表1 土体物理参数

3 试验结果与分析

3.1 UU试验结果

通过在不同围压 （100、200、300kPa）下的UU试验得到3组应力应变曲线关系图，如图1所示。根据UU试验数据得到不同围压时的大小主应力对绘制3个莫尔圆，如图2所示。UU试验土体黏聚力C＝52.43kPa，内摩擦角φ＝1.01°。

图1 在不同围压下UU试验的应力应变曲线

1）试样破坏形套 试样在受荷作用下，沿最薄弱的位置出现破坏面。一般情况下，相对于平面应变条件，三轴试验比较难出现剪切带。由于试验条件的限制，笔者对土体剪切带的研究仅从试验过程通过观察试样的破损过程以及试样破坏后的形态做初步的探讨。在三轴试验过程中，试样剪切破坏是逐渐的，基本沿着试样中的微小裂隙逐渐破损。试验中土体基本上呈鼓状破坏，并出现一定的径向变形。主要为单一剪切破坏，破坏面不够清晰，但在主要破坏面周围还有一些微小的剪切带，各剪切带破坏形态各异，没有明显规律，仔细观察各剪切带在三轴试样中出现的位置和延伸方向，可以发现三轴剪切带滑裂面出口通常可以延伸到试样端部透水石位置。

图2 UU试验强度包络线

2）变形特性 黏性土试样在偏应力作用下的应力应变关系曲线是研究黏性土强度和变形的基础。从图1中可以看出，曲线可以分为4段:第1段为初始线性段，该段变形较小，反映结构保持完好状态下的变形；第2段为非线性段，该阶段试样发生塑性变形，颗粒之间产生滑移；第3段近似为线性，其斜率较第1阶段为小，为加工硬化段，实质为土体内部颗粒发生重分布后形成了相对稳定的结构；第4段为下降段，为应变软化，表明试样已发生破坏。

3）剪切强度参数 在应力应变曲线中若出现明显的峰值点则取 （σ1－σ3）为峰值点的应力值，若无明显峰值点出现则取 （σ1－σ3）为应变20%时对应的应力值。通过对图1应力应变曲线计算得到黏性土土样在进行UU三轴试验时3组不同围压大小下所能承受的最大轴向应力 （σ1－σ3）。

3.2 CU试验结果

通过在不同围压 （100、200、300kPa）下的CU试验得到3组应力应变曲线关系图，如图3所示。根据CU试验数据得到不同围压时的大小主应力对绘制3个莫尔圆，如图4所示。UU试验土体黏聚力C＝47.03kPa，内摩擦角φ＝12.60°。

图3 不同围压下CU试验的应力应变曲线

1）试样破损形态 试样破损形态与不固结不排水情况类似。试样发生渐进剪切破坏，基本沿着试样中的微小裂隙逐渐破损。试验土体基本上呈鼓状破坏，并出现一定的径向变形，径向变形较不固结不排水为大。主要为单一剪切破坏，破坏面不够清晰，但在主要破坏面周围还有一些微小的剪切带，各剪切带破坏形态各异，没有明显规律，仔细观察各剪切带在三轴试样中出现的位置和延伸方向，可以发现三轴剪切带滑裂面出口通常可以延伸到试样端部透水石位置。

2）变形特性 黏性土试样在偏应力作用下的应力应变关系曲线是研究黏性土强度和变形的基础。试验黏性土的三轴剪切试验曲线与UU试验曲线有较大区别。从图3中可以看出，曲线可以分为4段:第1段为初始线性段，该段变形较小，其斜率较UU为小；第2段为硬化线性段，该阶段试样表现为线弹性；第3段为非线性段，该阶段发生塑性变形，颗粒之间产生滑移；第4为段下降段，为应变软化，表明试样已发生破坏。

图4 CU试验强度包络线

3）剪切强度参数 在应力应变曲线中若出现明显的峰值点则取 （σ1－σ3）为峰值点的应力值，若无明显峰值点出现则取 （σ1－σ3）为应变20%时对应的应力值。通过对这3组应力应变曲线计算得到黏性土土样在进行CU三轴试验时3组不同围压大小下所能承受的最大轴向应力 （σ1－σ3）。

3.3 直接剪切试验结果

1）与UU作对照的直接快剪试验结果分析 土样的含水率为19.93%，直接剪切试验时作用于试验土样上的垂直应力分别为100、200、300kPa。

图5 直接剪切试验的抗剪强度与垂直应力关系曲线

与UU对照的直接剪切试验的抗剪强度与垂直应力关系曲线如图5（a）所示。由图5（a）可知，土样在直接剪切试验下的黏聚力C＝36.68kPa，内摩擦角φ＝9.34°。

2）与CU作对照的直接快剪试验结果分析 土样的含水率为20.12%，直接剪切试验时作用于试验土样上的垂直应力分别为100、200、300kPa。

与CU对照的直接剪切试验的抗剪强度与垂直应力关系曲线如图5（b）所示。由图5（b）可知，土样在直接快剪试验下的黏聚力C＝34.58kPa，内摩擦角φ＝9.29°。

4 结论

1）将UU试验和CU试验对比，UU试验的黏聚力大于CU试验，而内摩擦角远小于CU试验。

2）将直接剪切试验与UU试验对比，UU试验的黏聚力大于直接剪切试验，而内摩擦角小于直接剪切试验。

3）将直接剪切试验与CU试验对比，CU试验的黏聚力和内摩擦角均略大于直接剪切试验。

4）将这4组试验作对比，相同土样的情况下UU试验的黏聚力最大，CU试验的内摩擦角最大。

不同的剪切方式和对排水条件的控制都影响了土体的抗剪强度系数，UU试验相对CU试验黏聚力较大，而内摩擦角则明显小于CU试验，可能原因是由于UU试验在整个试验过程中都严格控制了土样的排水；无论UU试验还是CU试验得到的黏聚力都大于直接剪切试验的黏聚力，这与三轴试验过程中的围压施加有关；直接剪切试验排水情况难以控制、小主应力σ3假定为零、竖向压力分布不均匀、有效剪切面积逐渐减小且剪切面也不一定是试样的最弱面，这些因素都可能使得直接剪切试验的黏聚力、内摩擦角偏离实际情况且均小于CU试验结果。

［1］常士骠 .工程地质手册 ［M］.北京:建筑工业出版社，1993:50－103.

［2］侯世伟，路德春，杜修力，等 .北京地区黏质粉土三轴试验与分析 ［J］.土木工程学报，2010，43（增）:548－553

［3］尹骥，陈宝，李煜，等 .上海第②层粉质黏土非饱和强度与变形模量的三轴试验研究 ［J］.岩土工程学报，2009，31（10）:1619－1625

［4］杨金钟，王艳宏 .天津市上部地基土三轴剪切试验强度的研究 ［J］.天津理工大学学报，2005，21（3）:86－88

［5］SL237－1999，土工试验规程 ［S］.