淺談全自動(dòng)三軸儀多級(jí)剪切停止應(yīng)變的確定

李雪梅

（中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100176）

淺談全自動(dòng)三軸儀多級(jí)剪切停止應(yīng)變的確定

李雪梅

（中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100176）

三軸試驗(yàn)中一個(gè)試樣多級(jí)加荷(多級(jí)剪)的試驗(yàn)，每一級(jí)剪切應(yīng)變確定的是否合適，直接影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此如何正確確定每一級(jí)剪切應(yīng)變的大小非常重要，利用全自動(dòng)三軸儀的自動(dòng)計(jì)算、校驗(yàn)、修正功能進(jìn)行多級(jí)剪試驗(yàn)，確定好每一級(jí)的剪切停止應(yīng)變，可以確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

三軸試驗(yàn)；多級(jí)剪切；剪切停止應(yīng)變

三軸試驗(yàn)是土工試驗(yàn)一項(xiàng)重要的力學(xué)試驗(yàn)，自1934年問(wèn)世以來(lái)已成為測(cè)定土的靜力特性、動(dòng)力特性和研究沙土液化的主要試驗(yàn)方法，用三軸試驗(yàn)測(cè)定土的參數(shù)已成為重要的工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。

利用三軸試驗(yàn)測(cè)定土的強(qiáng)度參數(shù)C、φ值，通常需要3～4個(gè)試樣，但是實(shí)際工程中出于經(jīng)濟(jì)性考慮和由于天然土質(zhì)的不均勻或有不規(guī)則裂隙等多方面因素的影響，很難取到試驗(yàn)所需的均勻性的土樣數(shù)量，對(duì)淤泥性軟土在裝試樣時(shí)也較難保證對(duì)試樣不擾動(dòng)。因此，用一個(gè)試樣測(cè)定土的強(qiáng)度參數(shù)C、φ值的三軸多級(jí)剪切試驗(yàn)方法，就有了它特有的優(yōu)越性。這種試驗(yàn)方法也是土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中認(rèn)可的。

1 多級(jí)剪的原理

GBT 50123-1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：對(duì)于無(wú)法切取多個(gè)試樣、靈敏度較低的原狀土，可使用一個(gè)試樣多級(jí)加荷剪切測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)的試驗(yàn)方法。簡(jiǎn)稱(chēng)“多級(jí)剪”。

土的強(qiáng)度參數(shù)C、φ值是土本身的特性，若土的含水率和密度保持不變，則其值不因所受應(yīng)力的改變而改變。多級(jí)剪是測(cè)定試樣在施加第Ι級(jí)圍壓σ3和軸向應(yīng)力σ1而達(dá)到破壞后，破壞面的傾角α＝(45°+φ/2)，其值在以后各級(jí)圍壓增量Δσ3和軸向應(yīng)力增量Δσ1作用下均保持不變。在第一級(jí)圍壓σ3和軸向應(yīng)力σ1作用下，破壞面形成后，粘聚力C被克服，隨后施加的Δσ3只增加破壞面上的法向力Δσ1和剪切力Δτ。從理論上講，利用摩爾圓求得的公切線(xiàn)的C、φ值就不再變化而是一個(gè)定值。

多級(jí)剪有不退軸向力和退軸向力兩種不同的加荷方式(應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)右圖)。

第一種，按常規(guī)試驗(yàn)方法安裝好試樣，先施加第一級(jí)圍壓σ3，(以UU多級(jí)剪切為例)然后按照0.5%～1.0%的速率逐漸施加軸向力P(即剪切)。待軸向力隨軸向應(yīng)變?chǔ)诺脑黾佣呄蚍€(wěn)定時(shí)停止施加軸向力P，記下此時(shí)的軸向力P、軸向位移s等參數(shù)，然后施加第二級(jí)圍壓Δσ3，受第二級(jí)圍壓Δσ3的作用，軸向力P、軸向位移s將有微小變化，因此在施加第Ⅱ級(jí)軸向力ΔP前，要將軸向力P、軸向位移s調(diào)整到施加第Ⅰ級(jí)軸向力P終了時(shí)的狀態(tài)，然后再施加第二級(jí)軸向力ΔP，直到第Ⅱ級(jí)軸向力ΔP趨向穩(wěn)定時(shí)停止。如此進(jìn)行第三級(jí)、第四級(jí)圍壓下的軸向力施加，累計(jì)軸向應(yīng)變不超過(guò)20%。這種加荷方式適用于蠕變變形較小的密實(shí)粘土等。

UU多級(jí)剪應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

第二種，與第一種加荷方式不同的是，施加第一級(jí)軸向力P終了時(shí)，將第Ι級(jí)軸向力P退到零。然后施加第二級(jí)圍壓Δσ3，隨后施加第二級(jí)軸向力ΔP，直到第Ⅱ級(jí)軸向力ΔP趨向穩(wěn)定。直到最后一級(jí)至土樣明顯破壞。這種加荷方式適用于含水率較大、密度較低的軟粘土等。

2 全自動(dòng)三軸儀多級(jí)剪切停止應(yīng)變的確定

由于土樣并不是理想的彈塑性材料，在實(shí)際工作中，很難等到軸向力隨軸向應(yīng)變的增加而趨于穩(wěn)定，但是利用全自動(dòng)三軸儀進(jìn)行多級(jí)剪切試驗(yàn)就容易很多，該儀器通過(guò)一些試驗(yàn)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行自動(dòng)控制，即：在試驗(yàn)前先設(shè)置一些控制參數(shù)來(lái)確保試驗(yàn)順利完成。設(shè)置參數(shù)需要有一定試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明土樣在受到軸向力后到達(dá)屈服點(diǎn)前為彈性變形階段，也就是說(shuō)土樣剛開(kāi)始試驗(yàn)是以彈性變形為主，應(yīng)力差讀數(shù)的變化量相差不大，當(dāng)土樣從彈性變形為主轉(zhuǎn)化成塑性變形為主時(shí)，應(yīng)力差讀數(shù)變化量急劇減小，土樣達(dá)到破壞。

通過(guò)大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在三軸多級(jí)剪試驗(yàn)過(guò)程中，施加第一級(jí)圍壓σ1，其軸向力接近穩(wěn)定值所需的軸向應(yīng)變?chǔ)?較大，為5%～10%。而在第二級(jí)圍壓下，軸向力接近穩(wěn)定值所需的軸向應(yīng)變?yōu)?%～5%。因此，利用全自動(dòng)三軸儀做多級(jí)剪試驗(yàn)時(shí)，其“剪停應(yīng)變”分配宜采用如下比：

第一級(jí)：8%～10%；

第二級(jí)：3%～6%；

第三級(jí)：3%～6%；

……

累計(jì)的軸向應(yīng)變不超過(guò)20%。

“判剪結(jié)束應(yīng)力差標(biāo)準(zhǔn)”，是多級(jí)剪中每級(jí)軸向應(yīng)力趨向穩(wěn)定的一個(gè)量的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)每級(jí)軸向應(yīng)力在兩個(gè)采數(shù)周期內(nèi)的變化量小于等于設(shè)定的“判剪結(jié)束應(yīng)力差標(biāo)準(zhǔn)”值時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為本級(jí)軸向應(yīng)力趨向穩(wěn)定，本級(jí)剪切結(jié)束，開(kāi)始下一級(jí)的試驗(yàn)。根據(jù)大量的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，“判剪結(jié)束應(yīng)力差標(biāo)準(zhǔn)”的取值，應(yīng)根據(jù)土樣性質(zhì)的不同在0.5～3.0kPa之間選取，土偏粘取值應(yīng)小，反之，土偏粉取值可稍大。

“起判應(yīng)變”是軸向應(yīng)變剪切到多少時(shí)開(kāi)始判別軸向應(yīng)力是否趨向穩(wěn)定，和“判剪結(jié)束應(yīng)力差標(biāo)準(zhǔn)”一起起作用，當(dāng)軸向應(yīng)變小于“起判應(yīng)變”時(shí)，“判剪結(jié)束應(yīng)力差標(biāo)準(zhǔn)”無(wú)效。因此，該參數(shù)應(yīng)盡量選擇小一些，一般采用2%～3%。

中糧海淀永豐工程項(xiàng)目中，土樣編號(hào)10-24，該土樣為不飽和粘土。剪停應(yīng)變第一級(jí)8%，第二級(jí)6%，第三級(jí)6%；起判應(yīng)變3%；判剪結(jié)束應(yīng)力差標(biāo)準(zhǔn)3.0kPa。其物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1，剪切過(guò)程數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 土樣的物理性指標(biāo)

表2 剪切數(shù)據(jù)

在確定剪停應(yīng)變參數(shù)后，進(jìn)行多級(jí)剪切和多樣剪切對(duì)比試驗(yàn)。其結(jié)果表明：兩者的測(cè)試結(jié)果十分接近(見(jiàn)表3)。

表3 土樣多樣剪切和多級(jí)剪切的比對(duì)

3 結(jié)論

三軸壓縮試驗(yàn)中一個(gè)試樣多級(jí)加荷試驗(yàn)適用于不易取到多個(gè)試樣，或在開(kāi)取多個(gè)試樣有困難的情況下，含水率較大、密度較低的軟粘土或者是蠕變變形較小的密實(shí)粘土。進(jìn)行多級(jí)剪試驗(yàn)需要試驗(yàn)人員必須具備一定的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，在利用全自動(dòng)三軸儀進(jìn)行一個(gè)試樣多級(jí)加荷試驗(yàn)中，通過(guò)“判剪結(jié)束應(yīng)力差標(biāo)準(zhǔn)”、“起判應(yīng)變”等參數(shù)的控制使剪切停止應(yīng)變的確定變得簡(jiǎn)單，這樣確定的剪停應(yīng)變，測(cè)得土樣的抗剪強(qiáng)度與多樣剪的結(jié)果很相近，能夠確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

[1]朱思哲，劉虔，包承綱，等.三軸試驗(yàn)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].中國(guó)電力出版社，2003.

[2]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督局，中華人民共和國(guó)住建部.GB/T50123-1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1999.

[3]南京水利科學(xué)研究院，中華人民共和國(guó)水利部.SL 237-1999土工試驗(yàn)規(guī)程[S].中國(guó)水利水電出版社，1999.

TU411.3

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2017-07-24