单样多级加荷法三轴UU试验对天津软土抗剪强度的影响

石 峥，陈 雷

(交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

三轴试验就是在土样的三个轴向上施加应力的条件下，研究土的变形以及累计变形的发展，直至试样破坏全过程的试验。根据过程中固结排水条件，通常分为不固结不排水剪(UU)、固结不排水剪(CU)和固结排水剪(CD)[1]。

1 概述

我国于20世纪50年代开始研制三轴仪。目前，三轴试验已广泛应用于测定土的静力特性、动力特性和砂土液化研究，是研究土的本构关系的主要手段。利用三轴试验测定的强度参数和本构模型中的模型参数已成为岩土工程设计的重要依据。目前开展的三轴试验多侧重于对软土方面的测试和研究，如龚晓南针对河口滨海相沉积软土，对不同切土方向的土样进行三轴UU、CU试验，得到黏土的各向异性强度和变形特性[2]；杨爱武等通过不同条件三轴试验方法对天津滨海沉积软土的各向异性强度和变形特性进行研究[3]；王建华对软黏土不固结不排水循环强度[4]、变形试验和对其破坏准则等方面的研究[5]，而针对不同加荷方法对试验强度影响方面的研究较少。

天津滨海新区位于渤海海岸线的边缘部位，是典型的海陆交互相滨海沉积软土地区，该地区浅部广泛分布有第四纪全新世中期以来海侵形成的软土，主要为淤泥质黏性土或淤泥，该段土层属欠固结土，土性呈流塑、软塑状态，土层具强度低，压缩性高，渗透性差等性质。

本次选取天津地区饱和软黏土为试验对象，利用两种不同加荷方式，进行UU试验，得出对抗剪强度的影响以及试验参数之间的相应关系。

2 试验方法及要求

本次试验选取天津滨海新区沿海地区表层软土，试验使用直径为39.1 mm，高度为80 mm的试样，试验仪器为南京土壤仪器厂生产的TSZ-1型应变控制式三轴仪。

三轴不固结不排水法(UU)，这种方法是施加围压σ3和轴向压力的过程中，不允许试样排水。如果试样是饱和软黏土则施加的外力为孔隙水压力承担，土粒间有效应力σ′保持不变，因而强度不因围压σ3的增大而增加，尽管每级σ3不同，但各个莫尔圆直径基本相同，理论上强度包线是水平线抗剪强度指标，Фuu=0[6]。

三轴试验按照对土样加荷方法不同，一般分为多试样单级加荷法(以下称方法一)，这种方法也是室内三轴常用的加荷方法。另一种是单试样多级加荷法(以下称方法二)，这种方法土样用量少，又避免了土样之间的不均匀性，有着一定的优势。但与方法一试验结果有着一定的差异。

依据GB/T 50123-1999，方法二适用于灵敏度较低的原状土[1]，因此本次对土样先进行无侧限试验，选取低灵敏度土样进行三轴试验。剪切速率为0.8 mm/min，加围压考虑到土体本身自重压力、土的软硬程度及前期固结压力的影响。由于本次试验用的是饱和软黏土，方法一的第一级围压宜用50 kPa，第二级宜为100 kPa，第三级宜为150 kPa；方法二第一级用50 kPa，第二级及以后各级围压应按等于或大于前一级最大主应力施加[1]。根据多次试验经验，为便于分析对比两种方法对强度指标的影响，方法二施加各级围压在满足规范要求条件下可以与常规方法施加相同的围压。

运用方法一时，由于本次试验用土为软黏土，多为塑性变形，曲线没有明显的峰值，所以每级剪切应变达到20%剪切终止，剪切峰值则可取应变为15%主应力差作为破坏点[1]。

运用方法二时，考虑到用每级的最大主应力稳定或趋于稳定作为每级剪切的终止标准，在实际生产操作中不易进行控制，故经过多次试验对比，得出当第一级剪切应变达7%之后，应力-应变曲线的发展趋势已基本稳定，故第一级剪切应变宜为7%，考虑到最后一级(一般为第三级)周围压力下的剪切累计应变量不超过20%，所以后两级应变宜设定为5%，易于操作控制。

2.1 方法一的加载方法及试验曲线

一般选取3个试样，每个土样施加不同围压即σ3=50 kPa，σ3=100 kPa，σ3=150 kPa，待围压稳定后，进行剪切直至破坏。其应力应变曲线如图1所示。

2.2 方法二的加荷方法及试验曲线

轴向压力逐级卸荷的加荷方法是指当第一级剪切完成后，轴向压力退至零，待孔隙水压力稳定后再施加第二级周围压力，稳定后进行剪切试验，剪切完成后轴向压力再次退至零，待孔隙水压力稳定后再施加第三级周围压力，累计的轴向应变不超过20%。其应力应变曲线如图2所示。

图1 多式样单级加荷应力与应变关系Fig.1 Relationship between multi-sample single-level loading stress and strain图2 单试样多级加荷应力与应变关系Fig.2 Relationship between single-sample multi-level loading stress and strain

3 试验结果分析

3.1 方法一和方法二试验结果比较

本次选用3组天津滨海新区沿海地区饱和软黏土进行试验分析和比较，物理指标见表1。

表1 土的基本物理性质Tab.1 Basic physical properties of soil

将每组试样分别运用两种方法进行三轴UU试验，得出结果共计16组，汇总后见表2。

根据表2中实测数据，对3组试样进行统计，分别计算出平均值u和标准差s。运用统计学原理，土样1、2、3测得结果均服从正态分布，在置信区间为95%的水平，置信因子为k=1.645，得出土样1的6组数据，土样2的5组数据，土样3的5组数据，实测结果均在u±1.645 s以内[7-9]。测量值无显著偏离，可以认为测得数据均为合格，因此运用强度参数黏聚力Cuu、摩擦角Фuu平均值，作为3个土样的标准值。得出结果见表3。

表2 原状土样1、2、3两种方法的抗剪强度指标C值、Ф值对比Tab.2 Comparison of shear strength indexes C value and Ф value of two methods of undisturbed soil samples 1, 2 and 3

表3 原状土样1、2、3两种方法的抗剪强度指标平均值及标准差Tab.3 Average of shear strength index and standard deviation of the two methods of soil sample 1, 2 and 3

对同一种土两种不同方法所得出试验参数的差异进行分析，得出方法二试验参数Cuu、Фuu均偏大，所以抗剪强度也较常规多样法偏大。考虑到抗剪强度参数偏大有可能是所用土样的结构性所致，因此制取重塑样进行试验，结果见表4。

通过分析表3和表4，对于抗剪强度参数来说，两种方法运用重塑样进行试验仍有一定差异。并且方法二测出参数较大。对于同一种方法来说，无论运用原状样还是重塑样进行试验，摩擦角Фuu基本相同，而利用重塑土样进行试验得出黏聚力Cuu明显小于原状样的试验结果。这也说明破坏了土样的结构性，土样的抗剪强度明显降低。而两种方法得出试验参数的差异来源于方法本身，而与所用土样本身的结构性关系不大。

3.2 两种试验方法的不同点与优势

通过两种不同加荷方式进行的UU试验，得出在试样充足并且足够均匀的情况下宜采用方法一，在不同围压的情况下试样都能剪切出峰值或无峰值趋势趋于稳定。方法二可在现场采集原状土样较少的情况下使用，并能够缩短试验周期，快速有效。每级剪切结束轴向压力退荷为零，由于试样没排水，让试样充分进行回弹，近似认为试样与开始加第一级围压前相同，然后开始加下一级围压进行剪切。这样得出的几个试验强度包线与方法一的相似。对于不同类型土质的土样应控制好每级应变。

表4 重塑土样1、2、3两种方法的抗剪强度指标C值、Ф值及其平均值对比Tab.4 Comparison of shear strength index C value,Ф value and their mean value of two methods of remodeling soil samples 1, 2 and 3

3.3 两种试验方法结果不同分析

通过两种不同加荷方法对天津滨海地区软土进行UU试验结果的分析，得出结果比较相似，相比方法一，方法二结果偏大。从实验过程分析：方法一和方法二第一级剪切条件基本相同，由于试样剪切时属于无峰值类型的土，所以剪切应变偏小时，抗剪强度偏小。当方法二剪切应力发展趋势已基本稳定，两种方法抗剪强度虽然相差不大，但方法二选取的应变小，则抗剪强度偏小。相比方法一，方法二的第二级剪切前土样由于前一级剪切的变形再回弹，回弹并不能完全，土样只能近似回到初始的样子，所以密度有所增高，故剪切后测得抗剪强度偏高，第三级也是如此。在绘制强度包线时，方法二得出的参数偏大。

4 结论

(1)经过多次试验对比，以饱和软黏土作为试样，运用单试样多级加荷UU试验方法进行第一级剪切时，当剪切应变达7%之后，应力-应变曲线的发展趋势已基本稳定，故第一级剪切应变宜为7%，考虑到最后一级(一般为第3级)周围压力下的剪切累计应变量不超过20%，所以后两级应变宜设定为5%，易于操作控制。

(2)两种方法得出的试验参数的不同是方法本身带来的误差所致，与所用土样的结构性关系不大。常规多样法UU试验的摩擦角是1°左右，这是由于几个土样密度虽然不超差，但稍有差异所致，这并不影响抗剪强度的有效性。单试样多级加荷的方法虽然可以较好地避免常规多样法由于取样的差异带来的误差，但是这种方法也存在着一定误差：在某级围压下剪切结束后，撤去轴向压力，土样回弹虽已完全，但施加过某一级压力，土样会产生一定的压缩，土样体积缩小，密度增大，从而测得的抗剪强度略有偏高。

(3)理论上饱和软黏土的UU试验摩擦角Фuu=0，所以根据库伦理论τ=σtanφ+c，抗剪强度τ近似等于黏聚力Cuu。对于饱和软黏土作为试样，常规多样法UU试验测得值更接近理论值。以常规多样法UU试验结果为标准，单试样多级加荷UU试验，测出抗剪强度参数黏聚力、摩擦角均比常规多样法测出的高，因此测得的抗剪强度也偏高。