浅谈全自动三轴仪多级剪切停止应变的确定

李雪梅

（中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100176）

浅谈全自动三轴仪多级剪切停止应变的确定

李雪梅

（中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100176）

三轴试验中一个试样多级加荷(多级剪)的试验，每一级剪切应变确定的是否合适，直接影响试验结果的准确性，因此如何正确确定每一级剪切应变的大小非常重要，利用全自动三轴仪的自动计算、校验、修正功能进行多级剪试验，确定好每一级的剪切停止应变，可以确保试验的准确性。

三轴试验；多级剪切；剪切停止应变

三轴试验是土工试验一项重要的力学试验，自1934年问世以来已成为测定土的静力特性、动力特性和研究沙土液化的主要试验方法，用三轴试验测定土的参数已成为重要的工程设计的依据。

利用三轴试验测定土的强度参数C、φ值，通常需要3～4个试样，但是实际工程中出于经济性考虑和由于天然土质的不均匀或有不规则裂隙等多方面因素的影响，很难取到试验所需的均匀性的土样数量，对淤泥性软土在装试样时也较难保证对试样不扰动。因此，用一个试样测定土的强度参数C、φ值的三轴多级剪切试验方法，就有了它特有的优越性。这种试验方法也是土工试验方法标准中认可的。

1 多级剪的原理

GBT 50123-1999《土工试验方法标准》中规定：对于无法切取多个试样、灵敏度较低的原状土，可使用一个试样多级加荷剪切测定土的抗剪强度参数的试验方法。简称“多级剪”。

土的强度参数C、φ值是土本身的特性，若土的含水率和密度保持不变，则其值不因所受应力的改变而改变。多级剪是测定试样在施加第Ι级围压σ3和轴向应力σ1而达到破坏后，破坏面的倾角α＝(45°+φ/2)，其值在以后各级围压增量Δσ3和轴向应力增量Δσ1作用下均保持不变。在第一级围压σ3和轴向应力σ1作用下，破坏面形成后，粘聚力C被克服，随后施加的Δσ3只增加破坏面上的法向力Δσ1和剪切力Δτ。从理论上讲，利用摩尔圆求得的公切线的C、φ值就不再变化而是一个定值。

多级剪有不退轴向力和退轴向力两种不同的加荷方式(应力应变曲线见右图)。

第一种，按常规试验方法安装好试样，先施加第一级围压σ3，(以UU多级剪切为例)然后按照0.5%～1.0%的速率逐渐施加轴向力P(即剪切)。待轴向力随轴向应变ε的增加而趋向稳定时停止施加轴向力P，记下此时的轴向力P、轴向位移s等参数，然后施加第二级围压Δσ3，受第二级围压Δσ3的作用，轴向力P、轴向位移s将有微小变化，因此在施加第Ⅱ级轴向力ΔP前，要将轴向力P、轴向位移s调整到施加第Ⅰ级轴向力P终了时的状态，然后再施加第二级轴向力ΔP，直到第Ⅱ级轴向力ΔP趋向稳定时停止。如此进行第三级、第四级围压下的轴向力施加，累计轴向应变不超过20%。这种加荷方式适用于蠕变变形较小的密实粘土等。

UU多级剪应力应变曲线

第二种，与第一种加荷方式不同的是，施加第一级轴向力P终了时，将第Ι级轴向力P退到零。然后施加第二级围压Δσ3，随后施加第二级轴向力ΔP，直到第Ⅱ级轴向力ΔP趋向稳定。直到最后一级至土样明显破坏。这种加荷方式适用于含水率较大、密度较低的软粘土等。

2 全自动三轴仪多级剪切停止应变的确定

由于土样并不是理想的弹塑性材料，在实际工作中，很难等到轴向力随轴向应变的增加而趋于稳定，但是利用全自动三轴仪进行多级剪切试验就容易很多，该仪器通过一些试验参数对试验进行自动控制，即：在试验前先设置一些控制参数来确保试验顺利完成。设置参数需要有一定试验经验。大量试验数据表明土样在受到轴向力后到达屈服点前为弹性变形阶段，也就是说土样刚开始试验是以弹性变形为主，应力差读数的变化量相差不大，当土样从弹性变形为主转化成塑性变形为主时，应力差读数变化量急剧减小，土样达到破坏。

通过大量的试验发现，在三轴多级剪试验过程中，施加第一级围压σ1，其轴向力接近稳定值所需的轴向应变ε1较大，为5%～10%。而在第二级围压下，轴向力接近稳定值所需的轴向应变为2%～5%。因此，利用全自动三轴仪做多级剪试验时，其“剪停应变”分配宜采用如下比：

第一级：8%～10%；

第二级：3%～6%；

第三级：3%～6%；

……

累计的轴向应变不超过20%。

“判剪结束应力差标准”，是多级剪中每级轴向应力趋向稳定的一个量的标准，当每级轴向应力在两个采数周期内的变化量小于等于设定的“判剪结束应力差标准”值时，系统认为本级轴向应力趋向稳定，本级剪切结束，开始下一级的试验。根据大量的试验经验，“判剪结束应力差标准”的取值，应根据土样性质的不同在0.5～3.0kPa之间选取，土偏粘取值应小，反之，土偏粉取值可稍大。

“起判应变”是轴向应变剪切到多少时开始判别轴向应力是否趋向稳定，和“判剪结束应力差标准”一起起作用，当轴向应变小于“起判应变”时，“判剪结束应力差标准”无效。因此，该参数应尽量选择小一些，一般采用2%～3%。

中粮海淀永丰工程项目中，土样编号10-24，该土样为不饱和粘土。剪停应变第一级8%，第二级6%，第三级6%；起判应变3%；判剪结束应力差标准3.0kPa。其物理性能指标见表1，剪切过程数据见表2。

表1 土样的物理性指标

表2 剪切数据

在确定剪停应变参数后，进行多级剪切和多样剪切对比试验。其结果表明：两者的测试结果十分接近(见表3)。

表3 土样多样剪切和多级剪切的比对

3 结论

三轴压缩试验中一个试样多级加荷试验适用于不易取到多个试样，或在开取多个试样有困难的情况下，含水率较大、密度较低的软粘土或者是蠕变变形较小的密实粘土。进行多级剪试验需要试验人员必须具备一定的经验基础，在利用全自动三轴仪进行一个试样多级加荷试验中，通过“判剪结束应力差标准”、“起判应变”等参数的控制使剪切停止应变的确定变得简单，这样确定的剪停应变，测得土样的抗剪强度与多样剪的结果很相近，能够确保试验结果的准确性。

[1]朱思哲，刘虔，包承纲，等.三轴试验原理与应用技术[M].中国电力出版社，2003.

[2]国家质量监督局，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.

[3]南京水利科学研究院，中华人民共和国水利部.SL 237-1999土工试验规程[S].中国水利水电出版社，1999.

TU411.3

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