原状与重塑粉土静力三轴固结排水剪切试验结果的对比研究

摘要

常规静力三轴固结排水剪切试验是室内土工试验中测定土体抗剪强度指标的常用方法，本文对静力三轴试验的试验设备、原理、方法做了简单陈述并给出了原状与重塑粉土的部分相关试验结果对比，分析得出原状土与重塑土的试验结果存在一定差异。

关键词：静力三轴固结排水剪切试验；原状粉土；重塑粉土；试验结果对比

中图分类号：C33 文献标识码：A 文章编号：

常规静力三轴剪切试验（简称静三轴试验）是室内土工试验中测定土体变形、强度参数主要方法。相对于原位试验而言，室内静三轴试验能比较明确、容易地控制土体受力的边界条件[1]，不仅能够测得土体的抗剪强度指标，而且能够获得土体在剪切过程中的偏应力与轴向应变关系、孔隙水压力与轴向应变关系或体积变化与轴向应变关系，而且通过上述试验结果还可以获得土体非线性本构模型的相关参数，因此被国内外岩土工程界广为采用。

在土体的变形和强度特性试验研究中，采用原状土样通过三轴固结排水剪切试验可以明确地得出应力-应变-体变关系，由此可以整理出抗剪强度指标、邓肯-张模型参数等工程中经常应用的试验结果。但当原状土样受到扰动、数量不足或难以获得等情况下，常常需要在实验室内采用重塑土样代替原状土样进行试验。本文针对原状土样以及采用干装法(膜外敲击+膜内夯击)制备的重塑土样进行了多组固结排水剪切试验，并对原状粉土与重塑粉土的抗剪强度指标进行了对比分析。

1静力三轴剪切试验设备

三轴试验仪是Casagrande于20世纪30年明的。主要包括以下几个组成部分：三轴压力室、轴向加荷系统、轴向压力量测系统、周围压力稳压系统、孔隙水压力量测系统、轴向变形量测系统、反压力及体变系统、计算机数据采集和处理系统程序。

2静力三轴剪切试验原理

常规静力三轴剪切试验的主要步骤如下：将土制成圆柱体套在橡皮膜内或者分层装入对开圆模的橡皮膜内成样，橡皮膜下端绑扎在底座上，上端绑扎在试样帽上，放在密封的压力室中。孔隙水通过试样下端的透水石与孔隙水压力量测系统连通，并通过上端透水石与排水管和体变管连通。向压力室内施加压力，使试样各向受到周围压力σ3，并使围压在整个试验过程中保持不变，这时试样内各向的三个主应力都相等，不产生剪应力，如图1(a)。然后再通过抬高底座对试样施加竖向压力，这样，竖向主应力大于水平向主应力，保持水平向主应力保持不变，而竖向主应力逐渐增大，直到试件受剪破坏，如图1(b)。

图1三轴剪切试验原理

Figure1The principle of tri-axial shear test

试样受到各向均等应力σ3时，应力圆为一点；随着主应力差(σ1-σ3)的逐渐加大，应力圆随之扩大，如图1(d)中虚线圆。作出(σ1-σ3)～εa的关系曲线，如图1(c)；如出现峰值将峰值作为破坏点，若无峰值时将轴向应变εa=15%时的(σ1-σ3)值作为破坏点，得到剪破时主应力差(σ1-σ3)f及大主应力σ1f=(σ1-σ3)f+σ3。用σ1f，σ3作应力圆即为极限应力圆。通常一组实验用3～4个试样，每个试样的σ3值不同，这样，一组实验可得到3～4个极限应力圆。根据极限平衡条件可知，极限应力圆必与强度包线相切。作各极限应力圆的公切线即为强度包线，从而得到c、φ值，如图1(d)。这就是静力三轴试验获得土体抗剪强度指标的基本原理。同时，通过绘制(σ1-σ3)～εa的关系曲线，还可以得出土体在静力三轴试验过程中的变形特性。

3静力三轴剪切试验方法

常规的静力三轴剪切试验根据试验过程中试样的固结条件和孔隙水压力消散的情况可分为三种试验方法：不固结不排水试验(UU)、固结不排水试验(CU)和固结排水试验(CD)。

三种试验方法的试验步骤在《土工试验规程》(SL237-1999)[2]中有所规定，这里不再累述。需要指出的是：不同的试验方法需要控制不同的剪切速率，并且在排水剪切试验中孔隙水压力增量u要符合小于等于0.02σ3的要求[3]。

4原状与重塑粉土固结排水剪切试验结果对比

4.1试验土料

本文试验所用1#、3#土料为取自不同位置和深度的南通港洋口港区人工岛地基粉土。针对这2种原状土进行了天然密度、含水率、比重、界限含水率及颗粒分析等常规试验，试验与计算结果如表1。依据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)[4]土类定名规定，将1#、3#土定名为粉土。

表1试验土料基本物理参数

Table 1The basic physic properties of test soils

4.2试验结果对比

基于前述1#和3#原状样和与之初始干密度相同的采用干装法成样的重塑土样在围压为100、200、300kPa下进行的固结排水剪切试验结果，确定有效应力抗剪强度指标。破坏准则根据《土工试验方法标准》[5]的规定：应变硬化时采用轴向应变a=15%所对应的主应力差作为破坏点；应变软化时采用峰值主应力差作为破坏点。图2显示了破坏时的摩尔应力圆及库伦强度包线，试验数据整理结果如表2所示。由表2可见：在固结排水剪切试验条件下，3#重塑试样的有效内摩擦角比较接近于原状样，而1#重塑试样与原状样的差别明显，干装法重塑样的有效内摩擦角比原状样约低12%。

(a)1#粉土

(b)3#粉土

图21、3#粉土摩尔应力圆

Figure2The Mohr stress circles of # 1、3silt

表21#和3#土固结排水剪切试验的抗剪强度指标

Table2The shear resistance indexes of CD for 1# and 3# silt

小结

本文对常规静力三轴剪切试验的试验设备、原理、方法做了简单陈述，并给出了原状粉土与重塑粉土试样静力三轴固结排水剪切试验结果对比，分析得出原状土与重塑土的试验结果存在一定差异，在工程设计中需注意工程条件及相关参数的选用。

作者简介

白昌滨（1985-），助理工程师，2010年毕业于吉林大学勘查技术与工程专业，长期从事地质灾害勘查与治理工作。

参考文献

[1] 侍倩. 土工试验与测试技术[M]. 化学工业出版社, 2005, 1.

[2] SL237-1999, 土工试验规程[S].

[3] 朱思哲, 刘虔, 包承纲, 郭熙灵, 常亚屏. 三轴试验原理与应用技术[M].北京:中国电力出版社, 2003.

[4] GB 5007-2011，建筑地基基础设计规范[S].

[5] GBT 50123-1999, 土工试验方法标准[S].