再现性条件下的砂土直剪试验方法

洪亦非，赵钢，陈志伟

（苏州大学轨道交通学院，江苏 苏州 215131）

测定土的应力应变和抗剪强度的室内试验方法主要有直剪试验和三轴试验等。三轴试验中试样的应力状态较为明确，试验结果往往较为可靠；然而进行三轴试验需要较高的试验技巧，一组试验往往耗时几天甚至更长。而直剪试验操作较为简单，一组试验在数十分钟内，因而是工程界应用最为广泛的一种，也是我国规范规定的试验方法之一[1]。

直剪试验由于剪切应力分布不均匀等原因，试验结果一般没有三轴试验的结果可靠。这可以通过再现性方法来克服，即重复做试验，直到出现一致性较强的试验结果，以一致性强的结果作为最终结果。一方面，在实现再现性这个过程中分析其它试验结果不一致的原因，从而提高试验人员的试验技能，进而提高试验结果的可靠性。另一方面，选取再现性条件下的2组试验结果作为最终结果，提高试验结果的准确性。本文将以日本丰浦砂[2]的直剪试验为例，说明该方法的有效性。

1 试验方案

1.1 试验材料和仪器

本次试验采用广泛使用的天然丰浦砂，其相对密度为2.65，平均粒径为0.16mm，不均匀系数为1.89，曲率系数为0.82，最大孔隙比和最小孔隙比分别为0.977和0.597。它是一种级配不良的均匀细砂，颗粒呈亚圆形和亚角形。试验采用ZJ型应变控制式直剪仪。

1.2 试验方法

取100g丰浦砂，轻放入截面积为30 cm2的剪切盒中，并用100g的小铁块以接近自由落体的速度从10 cm高度落下轻击试样，通过量取试样高度来计算不同击数下砂土的孔隙比。通过反复试验，使得试样在2击、20击和100击下的孔隙比分别稳定在0.72、0.70和0.62，对应的相对密实度分别为66.9%、73.2%和94.5%。试样准备完毕后，以0.8mm/min的速度进行剪切，同时每隔10s记录量力环上的百分表读数和试样垂直高度上的百分表读数。从量力环上的百分表开始反应的一刹那开始计时，直到该百分表读数停滞不前或回退一段时间后停止剪切。进行了一系列的试验，试样的击数分别为2、20和100，压应力分别为50kPa、100kPa和 200kPa。

2 试验结果

首先进行了击数为20的试样在压应力为50kPa下的剪切试验。进行了4组试验，其结果并不相同，见图 1。图示“50-20-a”中的数字“50”表示压应力为50kPa，“20”表示击数为 20，“a”表示该情况下的第 1次试验，其余类似，不再重述。图1(a)表示剪切应力与压应力的应力比随剪切位移的变化，图1(b)表示试样高度变化随剪切位移的变化。

从图1中可以明显看出，第1次试验误差较大，推测原因可能是试样准备时表面不平整，导致应力比和剪胀性偏小。第2次试验有所改善。随着试验技能的稳定，第3次和第4次的试验结果明显趋于一致，体现了试验结果的再现性。以下以再现性条件下的试验结果进行讨论。

图1 在20击、50kPa压应力作用下的试验结果

砂土试样在50kPa、100kPa和200kPa压应力作用下的试验结果分别见图2、图3和图4。在图2(a)中，随着砂土密实度的增加，应力比随位移达到的峰值较大，之后回落，但不同密实度砂土的应力比最终都趋于一个稳定值。在图2(b)中，密实度越大的砂土，其试样高度随位移而增大的程度越大，表明其剪胀性越大。图3和图4显示了类似的规律。

对比图 2(a)、图 3(a)和图4(a)，同一密实度的密砂，随着压应力的增大，其应力比峰值减小，但其最终的稳定值都在0.65左右，相应的稳定摩擦角为33。这表明密砂开始存在咬合作用，随着剪切位移的增大，其作用逐渐消失，最终体现了砂土颗粒之间的真实内摩擦角，为33。对于密实度低的松砂，不显示咬合作用，应力比随着剪切位移的增大而增大，最终靠其真实内摩擦角而稳定。对比图2(b)、图3(b)和图4(b)，同一密实度的砂土，随着压应力的增大，其剪胀性变小。对于压应力较大的松砂，如图4(b)中200-100-a的试样，在开始阶段表现出较大程度的剪缩性。以上这些砂土特点与文献[3-5]的研究一致。

以上良好试验结果的取得，很大程度上归功于再现性方法。在达到再现性的过程中，试验人员的试验水平不断提高。最后进行的压应力为200kPa的试验(见图4)，仅进行了少量试验就达到了再现的效果。以再现的试验结果进行讨论，规律性较强，显示了良好的可靠性和准确性。

图2 在50kPa压应力作用下的试验结果

图3 在100kPa压应力作用下的试验结果

图4 在200kPa压应力作用下的试验结果

3 结语

再现性的直剪试验过程中，各种试验操作不当和试验误差逐渐消除，试验结果趋于一致，从而其结果更为可靠和准确。虽然每组试验至少进行2次，但因为直剪试验本身的便捷性，总体而言仍然较为方便，却大大提高了试验结果的可靠性和准确性，其方法值得推广。