試驗(yàn)操作步驟對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響探討

張洪霞

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司東北分院，黑龍江 哈爾濱150001）

土在外力作用下在剪切面單位面積上所能承受的最大剪應(yīng)力稱為土的抗剪強(qiáng)度，是由顆粒間的內(nèi)摩擦力以及由膠結(jié)物和水膜的分子引力所產(chǎn)生的黏聚力共同組成。土工試驗(yàn)是工程勘察的重要組成部分，在工程設(shè)計(jì)和施工中有著非常重要的意義。其結(jié)果能對工程的勘察效果產(chǎn)生重大影響。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是土的力學(xué)試驗(yàn)之一，是土重要力學(xué)基本內(nèi)容，可提供土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，供設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)使用，它操作簡單，適用廣泛；它是指土樣在側(cè)面不受限制、無側(cè)向壓力條件下，抵抗垂直壓力的極限強(qiáng)度，它可以估價(jià)土的承載力和抗剪強(qiáng)度。土的靈敏度指無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與其重塑土（密度與含水量就與原狀土相同）的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比。靈敏度反映土的受結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響的程度，靈敏度越大，結(jié)構(gòu)擾動(dòng)影響越明顯。它可以用來評價(jià)土的結(jié)構(gòu)性。影響土的強(qiáng)度的因素較多，如土的類型、密度、含水量、深度及受力條件等等。根據(jù)現(xiàn)有的測試設(shè)備和技術(shù)條件，準(zhǔn)確測定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是比較困難的，也只作近似模擬。它可以用來評價(jià)地基穩(wěn)定性；計(jì)算路堤、土壩、擋土墻等斜坡穩(wěn)定性以及擋土建筑物土的壓力，都需要土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。試驗(yàn)室測定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的儀器有直接剪切儀、三軸壓縮儀及無側(cè)限壓力儀，本文著重研究應(yīng)用無側(cè)限壓力儀測定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)步驟中影響數(shù)據(jù)的主要原因，探求試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，真實(shí)性，可靠性。

1 試驗(yàn)原理

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是指在不加任何側(cè)向壓力的情況下，對圓柱體試樣施加軸向壓力，直至試樣剪切破壞為止，它是抵抗垂直壓力的極限強(qiáng)度。試樣破壞時(shí)的軸向壓力以qu 表示。本試驗(yàn)適用于測定自重下不變形的飽和粘性土。

2 試驗(yàn)裝置

應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀。應(yīng)變控制式就是在試驗(yàn)過程中，一定時(shí)間內(nèi)控制試樣產(chǎn)生一定的變形，測定與此變形相應(yīng)的應(yīng)力。它能較準(zhǔn)確的測出峰值和終值強(qiáng)度，目前廣為采用,如圖1。

圖1 應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀及重塑筒

圖2 切土盤及切土試樣

3 試驗(yàn)步驟

①將削好的試樣立即稱量，準(zhǔn)確至0.1 克。同時(shí)取削下的余土測定含水率。用卡尺測量高度及上、中、下各部位直徑。計(jì)算試件平均直徑。在試件端抹一薄層凡士林，為了防止水分蒸發(fā)，試件的側(cè)面也可抹一層薄凡士林。②將制備好的試件放在加壓板上，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使其與上加壓板剛剛好接觸，調(diào)測力計(jì)百分表讀數(shù)為零點(diǎn)。③以軸向應(yīng)變1%-3%/min 的速度轉(zhuǎn)動(dòng)手輪(6-12r/min)，使試驗(yàn)在8-10min 內(nèi)完成。軸向應(yīng)變在3%以前，每0.5%軸向應(yīng)變記讀百分表讀數(shù)一次，軸向應(yīng)變達(dá)3%以后，每1%軸向應(yīng)變記計(jì)百分表讀數(shù)一次。④當(dāng)百分表達(dá)到峰值或讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定了，再繼續(xù)剪3%-5%軸向應(yīng)變值即可停止試驗(yàn)。如讀數(shù)沒有穩(wěn)定值，則軸向應(yīng)變達(dá)20%的即可停止試驗(yàn)。⑤試驗(yàn)結(jié)束后，迅速反轉(zhuǎn)手輪，取下試件，描述土樣破壞情況。剪切前、后試樣如圖（三、四）⑥測定靈敏度，將破壞后的試件去掉表面凡士林后，再加少許土，包以塑料布，用手捏搓，破壞其結(jié)構(gòu)，重塑土與重塑前尺寸、密度相等，然后立即重復(fù)②至⑥步驟進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3

圖4

4 試驗(yàn)指標(biāo)

4.1 D0= (D1+2D2+D3)/4 ；D0- 試件平均直徑（cm）；D1、D2、D3-試件上、中、下各部位的直徑（cm）。

4.2 △h=n*△L-R ；△h 為軸向變形,n 為螺桿上升轉(zhuǎn)數(shù)，△L 為螺桿上升轉(zhuǎn)的垂直距離,R 為測力計(jì)讀數(shù)。

4.4 試樣面積校正As=A0/1-1 ； A0為試驗(yàn)前的試樣面積，As 為較正后試樣面積。

4.5 抗壓強(qiáng)度qu=10C*R/As ； C 為量力環(huán)率定系數(shù)，R 為測力計(jì)讀數(shù)；10 為單位換算系數(shù)。

4.6 靈敏度St=qu/qu'； qu 原狀試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，qu'為重塑土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

4.7 抗剪強(qiáng)度S=qu/2。（表1）

5 試驗(yàn)步驟過程中對數(shù)據(jù)的影響的因素及探討

表1 無側(cè)限試驗(yàn)記錄簡表

5.1 試樣制備的影響，此試驗(yàn)的制樣是關(guān)鍵，室內(nèi)試驗(yàn)適用于飽和的無裂隙的粘性土，同時(shí)需要具有兩個(gè)條件，一個(gè)是在不排水的條件下，要求試驗(yàn)時(shí)有一定的應(yīng)變速率，在較短的時(shí)間內(nèi)迅速完成試驗(yàn)，另一個(gè)是試樣在自重作用下不變形。如土樣在野外取樣，通過運(yùn)輸至試驗(yàn)室時(shí)與其所處于的地層、深度、結(jié)構(gòu)、環(huán)境狀態(tài)等等是基本一致的，這種狀態(tài)下測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)才能客觀反映土的原始的真實(shí)的力學(xué)性能?，F(xiàn)實(shí)取土、運(yùn)樣過程中往往存在設(shè)備或是人為的操作影響，運(yùn)輸中防震、防曬等原因，使土樣在到達(dá)試驗(yàn)室時(shí)，表現(xiàn)為土樣包裝的部分缺失和損壞、土樣的形變，甚至失水等等。使土樣增加了脆性，必定影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)。外業(yè)人員直接鉆取的圓柱體土樣（一般80mm×200mm），經(jīng)過原狀土分樣器后分三個(gè)扇形土柱，放在切土盤（如圖二）上切成39.1mm×20mm 圓柱體，切土過程中，一定用切土刀緊靠側(cè)板，由上往下細(xì)心切削，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，也要避免擾動(dòng)，較軟的土用力均勻且不要太大，較硬的土，一點(diǎn)點(diǎn)削，一二分鐘即可結(jié)束。對天然土樣，土樣中含有各種不確定的雜質(zhì)，比如含有鐵錳結(jié)核、鈣質(zhì)結(jié)核、貝殼、碎石、樹根等。裸露出的部分，可以剃除，有凹坑的用削下的余土填補(bǔ)。不同的人在制樣過程中的處理方式是不一樣的，也會(huì)對數(shù)據(jù)有一定的影響。

5.2 凡士林的影響。要求此試驗(yàn)時(shí)有一定的應(yīng)變速率，在較短的時(shí)間內(nèi)完成試驗(yàn)，制好的試樣，試件抹一薄層凡士林，凡士林一方面防止水分蒸發(fā)，另一方面也是為了保證試件與上下平面緊緊相貼。使試樣數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。土樣量多時(shí)，制樣人員可以將制好的試樣抹一薄層凡士林放在恒溫箱里養(yǎng)生、備用。

5.3 試樣飽和的影響試樣飽和是重要問題,土樣的飽和度愈小,土的孔隙內(nèi)殘留氣體也就愈多,由于氣體因孔隙水壓的變化面脹縮,因而飽和度的影響成為一個(gè)不確定的因素,為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度,要求試樣必須飽和,采用真空氣飽和法是比較有效的方法。由于某些較為密實(shí)的土體飽和處理做的不夠徹底，在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)還存在氣體在其中，將影響數(shù)據(jù)。

5.4 實(shí)驗(yàn)過程中的影響。試驗(yàn)過程，針對不同的試樣，控制剪切速率，根據(jù)試樣的軟硬程度選用不同的量程的測力計(jì)，快速準(zhǔn)確調(diào)測力計(jì)百分表，可以使讀數(shù)更加準(zhǔn)確，真實(shí)。讀數(shù)人員應(yīng)熟練，做到手疾眼快，迅速計(jì)下讀數(shù)。使試驗(yàn)在8-10 分鐘內(nèi)完成，防止試驗(yàn)過程中試樣發(fā)生排水現(xiàn)象及表面水分的蒸發(fā)，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試樣受壓破壞時(shí)候，有脆性和塑性破壞兩種，脆性破壞一定有明顯的裂隙在，軸向壓力具有峰值。塑性破壞的，軸向應(yīng)力一定無峰值，選取軸向壓力15%的為破壞值，但試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行到軸向應(yīng)變達(dá)到20%，重塑試樣的取值標(biāo)準(zhǔn)與原狀試樣相同。試驗(yàn)人員一定注意觀察讀數(shù)，特別是峰值。土質(zhì)不均勻的，脆性和塑性不明顯，20%應(yīng)嚴(yán)格控制，有時(shí)可以稍延長一小段時(shí)間觀察，甚至達(dá)到23%。但一定保證在10 分鐘試驗(yàn)結(jié)束，結(jié)束后取下試樣，描述試樣破壞后的形狀，破壞點(diǎn)，破壞程度，并畫簡易圖，增加數(shù)據(jù)的可靠性。

5.5 重塑土制樣的影響。重塑試樣除了不具有原狀試樣的結(jié)構(gòu)外，應(yīng)保持與原狀試樣相同的密度和含水率，尺寸。天然結(jié)構(gòu)的土經(jīng)重塑后，它的結(jié)構(gòu)粘聚力已全部消散，但就放置一段時(shí)間后，它可以恢復(fù)一部分，放置的時(shí)間越長，恢復(fù)的程度愈大，需要測定靈敏度時(shí)，重塑試樣應(yīng)立即進(jìn)行。靈敏度的重塑土制備過程中，將破壞的后的試件立即去掉表面凡士林，再加削掉的少許土，包以塑料布防止失水，用手捏搓，破壞它的結(jié)構(gòu)，放入重塑筒內(nèi)，用金屬墊板，將試樣擠成與其原狀土樣一樣的圓柱形，使重塑土與重塑前尺寸、密度、含水量相等。捏搓過程中，視土的情況，均勻用力，塑料布一定嚴(yán)密，防止水蒸發(fā)。做到重塑土與重塑前密度相等，否則將影響靈敏度的數(shù)據(jù)。

6 針對上述各影響的改進(jìn)方法或注意事項(xiàng)

6.1 野外取樣、送樣應(yīng)最接近原狀樣，若原狀樣發(fā)生了變化，在試驗(yàn)室可以截取中間的部分。飽和軟土試樣預(yù)固結(jié)后再進(jìn)行試驗(yàn)。制樣過程中快速準(zhǔn)確，嚴(yán)格按照規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，避免土體的擾動(dòng)，削刀、切刀在使用前應(yīng)該沖洗擦拭干凈保證刀韌光澤并充分烘干，在一二分鐘完成，立即涂抹凡士林。

6.2 在實(shí)際操作中，對土樣按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求進(jìn)行飽和后，要測試土樣飽和后的含水率、密度及飽和度，以確定試驗(yàn)土樣完全飽和。

6.3 重塑土制備過程中，加土后塑成圓柱體，可以通過重新測量質(zhì)量，與原質(zhì)量保持一樣的方法解決做到重塑土與重塑前密度相等。試驗(yàn)過程中試驗(yàn)人員一定提高技能，增加基礎(chǔ)知識，增強(qiáng)熟練程度，積累經(jīng)驗(yàn)。

結(jié)束語

土的抗剪強(qiáng)度是構(gòu)筑物和建筑物安全穩(wěn)定的重要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，是研究土的強(qiáng)度特性的重要指標(biāo)之一，抗剪強(qiáng)度過高或過低都會(huì)影響工程。無側(cè)限抗壓試驗(yàn)是三軸壓縮試驗(yàn)的一種特殊形式，一種特例，也可以用三軸壓縮儀進(jìn)行試驗(yàn)，圍壓力為零，測定飽和粘土的不排水強(qiáng)度。由于飽和粘土在取樣操作中和試樣制備過程中應(yīng)力的釋放，粘聚力的消散，不排水強(qiáng)度常常偏大一些，但它操作簡單，可以快速應(yīng)用。本文對土工試驗(yàn)室中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)步驟中的各方面影響進(jìn)行了分析和討論，盡量降低影響，消除不利因素。在實(shí)際試驗(yàn)中，嚴(yán)格按規(guī)范規(guī)章要求試驗(yàn)，在遵從實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程的同時(shí)，將上述改進(jìn)方法應(yīng)用在實(shí)際操作里，取得了很好的效果，一定程度上減小了誤差，進(jìn)一步保證了土工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、真實(shí)性和可靠性。