[科普中国]-不固结不排水试验

实验背景

土的强度指标是确定土的承载能力的一个重要指标，因此，准确测定土的抗剪强度指标，对于建筑工程的设计和施工有着很大的意义。目前，用三轴剪切试验测土的抗剪强度指标是较为普遍的一种方法，而且对于高层建筑，在进行地质勘察时，要求对取出的原状土，用三轴剪切实验来测定土的抗剪强度指标。随着社会的发展，兴建的高层建筑越来越多，使得三轴剪切实验的应用也越来越广泛，所以，使三轴实验的检测不断地完善有着很大的必要性，基于这一要求，对上在三轴不固结不排水实验中，其饱和程度对强度指标的影响进行了研究。

实验室的试验设备，总是尽可能地使土体模拟实际运行中的破坏方式，这样确定的土体应力–应变特性、强度参数才有应用价值。实际中直剪试验和三轴试验应用最广泛，除了简单实用外，直剪和三轴试验确实能反映一些土体的实际破坏问题。但是实际中很多土体都处于单剪状态下，如地震时地面下处于向上传播的剪切波中的土体单元、受载时桩身的应力状态。1

试件的加工与制作为了保证实验结果有可比性和较好的规律性，将准备好的土料搅拌均匀，按照14.0%的含水量在土料上均匀洒水，稍静置后装入塑料袋，然后置于密闭容器里24小时以上。制作试件时，重新测量土样的含水量，然后，按干密度ρd=1.6g·om的要求，制作h=8.0em，d=3.91cm的试件，击实试件时，按试件的高度分4层击实，各层土料的质量相等，每层击实至要求高度后，将表面刨毛，然后再加第二层土料，如此继续进行直至击实最后一层。

将击实好的试件用三瓣膜夹好，装入饱和器内并拧紧螺丝，每一组4个试件，平行做两次实验，由于本实验中，要测3种状态下的情况，即初始状态、自然浸水状态和真空抽气饱和状态，每一种情况下最少需要8个试件，3种情况最少需要24个试件。试件做好之后，需要做真空抽气饱和的试件，放入饱和罐内，拧紧饱和罐的螺丝，进行抽气，当真空度接近一个大气压后，继续抽气一个小时，然后徐徐注入清水，并使真空度保持稳定。待饱和器完全淹没水中后，停止抽气，解除饱和罐内的真空，让试件在饱和罐内静置10小时以上；需要做自然浸水状态的试件，放入盛有水的桶中，桶中的水要将试件淹没，静置10小时以上；需要做初始状态的试件，加工好之后，即可进行三轴不固结不排水剪切实验。1

试验仪器试验采用应力控制式单剪仪，该仪器主要由水平剪力系统、垂直加力系统、测量系统、剪切盒4部分组成，如图所示。剪切盒由16个6mm厚的叠环、1个12mm的叠环、加压盖板和底座组成，如图所示。12mm厚的叠环放在试样中部(上下对称，均匀变形)，水平剪力通过钢丝绳作用在该叠环上，该叠环带动整个试样变形。击实完试样后，放上加压盖板，盖板和底座形状一样，都有突出的齿，齿嵌入土样内，能更好地约束试样。然后加上钢珠，垂直压力通过支架、钢珠和盖板施加到试样上，保证垂直压力均匀。

单剪仪是直剪仪的改良型式，至今已有3种不同样式的单剪仪，分别是在瑞典、挪威和英国首先研制并应用的。目前常用的是挪威岩土研究所单剪仪(NGISSD)和剑桥Rosceo单剪仪(CAMSSD)。

早在1936年瑞典岩土研究所就研制了如图(a)所示的仪器。试样在侧向用橡皮膜包围，橡皮膜外面有若干个重叠的铝环防止试样受压后侧向膨胀，使试样处于0K固结状态，但受剪力作用时这些环可以互相错动。剪力施加在顶盖上，均匀分布于试样，橡皮膜能防止排水。其后，挪威岩土研究所制做了类似的仪器，如图(b)所示，试样是圆柱状，侧向用绕有刚弦的橡皮膜包围，刚弦直径0.2mm，螺距0.5mm，其目的是防止试样受到压力作用后发生侧向膨胀，达到0K固结状态。

瑞典–挪威型的单剪仪的优点是：试样中各部分的应变比直剪仪中的均匀，而且试样的排水受到橡皮套的限制。缺点是：当试样中出现正的孔隙压力时，它会促使橡皮套鼓胀，因此达不到完全不排水的目的，只有当试样中出现负的孔隙压力时，才能保证试样不吸水。

英国剑桥大学利用图(c)所示的刚性式单剪仪进行研究。试样为方形，剪切时在剪力方向的侧板可以转动，但互相平行，保持试样的长度不变。用这种方法使试样的剪应变均匀，而且不发生侧向膨胀。但是剑桥型单剪仪构造比前2种复杂，试样封闭也困难，不宜用于常规试验，处于研究应用中。K.H.Roscoe，J.M.Duncan2和P.Dunlop3分别假定试样为弹性体和弹塑性体，分析了剑桥型单剪仪中试样的应力状态，发现试样中间部分的应力比较均匀，但两侧的应力却很不均匀。但是，如果假定软土试样中的应力是均匀的，则单剪仪给出的应力–应变关系和抗剪强度还是能代表一些实际情况的。K.H.Roscoe指出，单剪仪剪切中的应力不均匀是由于试样垂直面缺少应力补偿，而剑桥型单剪仪的优点就在于侧面板可以提供应力补偿，比其他几种仪器高级，然而这也造成了试样应力复杂。他认为，试样顶面核心处的应力分布较均匀(如图)。

随后，许多学者对单剪仪中的应力状态做了试验和数值研究，所有成果认为，试样中的应力状态分布不均匀(其实，直剪、三轴试验中都有应力分布不均匀现象)，测试结果比较吻合K.H.Roscoe的弹性解。

D.W.Airey和D.M.wood4汇总了前人的单剪仪研究成果发现，塑性黏土试样中的应力分布较砂土中的应力分布均匀得多，利用该试样测出的结果较可信。单剪中的应力状态不能完全确定，只能测出水平面上的正应力和剪应力，计算不出整个应力状态来，阻碍了单剪试验结果和莫尔圆联系起来。1

试验剪切过程剪切过程为快速剪切，不考虑排水问题。分级加荷，至少10级，每级水平剪力按0.1P(P为垂直压力)施加。开始时加载步可以大些，待到剪应变增量明显时，可以逐渐减小，按0.05P加载，临界破坏时减至最小。快剪主要是求剪切时不排水条件下的抗剪强度。因此水平剪力施加要快，使其在较短的时间内减损，但减速过快时，可能产生较大的塑性阻力及其他影响，常规试样要求试样在3～5min内剪损。本试验的试样尺寸较一般常规试验尺寸大得多，变形也大(最大变形达8mm)。在刚开始的6，7级加荷中，变形较小，但是随后的加载中，有最长达到8min时试样才破坏。如果按照3～5min内加载，则可能造成测得较小的剪切位移和较大的剪切力。临近破坏时，试样的变形大，且变形持续时间长，在100和200kPa下试样往往被拉断。但在300和400kPa时，试样不会被拉断，只是变形很大，出现开裂。直剪试验限于剪切盒尺寸，采用环刀内静压密实，然后推入剪力盒中。直剪试验按照《土工试验规范》(SL237–1999)操作，加载过程同上。1

试验结果分析结果见表1，2。通过对比发现：黏聚力单剪比直剪低20.3%，内摩擦角相差5°左右。

对于该差异分析如下：

(1)试样中难免存在一些人为误差及仪器的误差。

(2)试验尺寸效应。试样单剪试样直径和高度远大于直剪试验，但是M.Vucetic和S.Lacasse5通过对不同尺寸的单剪试样的对比发现，确实存在尺寸效应，但是影响不是很大。

(3)正如前文所述，单剪试验中，测量核心处应力的结果较吻合理想单剪状态，而测得整个试样面的平均应力和理想单剪相差比较大，与直剪相差25%，比三轴试验低28%。

(4)由于是模拟填方体土样，由于单剪和直剪的剪力盒所限，试样制备方法不一样，单剪试样采用标准击锤击实，直剪试样采用静压。不同制备方法压实土的结构性不一样，结构性差异导致强度发展和最终强度特性也是不同的。

(5)试验压实土在剪切时会剪胀，而在直剪试验中，由于剪切盒内壁的限制，剪胀会影响结果，根据Taylor的剪胀原理会提供过大的剪切强度参数。而本文单剪试验允许试样发生侧向膨胀，减小部分剪胀的影响，测得的结果比直剪低，比较接近真实土体破坏。6