砂土內(nèi)摩擦角的兩種試驗方法對比

摘要：*，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（C、φ）是用于計算建筑物地基的穩(wěn)定性和確定地基承載力的主要參數(shù)。由于土的成因、顆粒級配、地基土的應(yīng)力歷史和強(qiáng)度試驗方法等不同而產(chǎn)生差異。但從理論上認(rèn)為，在有效應(yīng)力條件下各類土的強(qiáng)度參數(shù)應(yīng)該比較接近。目前國內(nèi)外勘測試驗單位也包括高校在內(nèi)，直剪試驗和三軸試驗是確定土的強(qiáng)度參數(shù)主要手段，然而對三軸儀價格比較昂貴，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，操作繁瑣，試驗周期較長，因此通常采用直剪試驗進(jìn)行，對重要工程或試驗研究必須采用三軸試驗。考慮到這兩種儀器的共性和特殊性以及他們的優(yōu)缺點，我們以傳承和創(chuàng)新的思想實現(xiàn)了人工智能優(yōu)化設(shè)計與生產(chǎn)，在主要技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)要求方面均滿足符合國家土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)的條件下，開展了對標(biāo)準(zhǔn)砂在有效應(yīng)力條件下的對比試驗。通過對比試驗和資料整理，兩種儀器試驗數(shù)據(jù)的重復(fù)性、穩(wěn)定性較好，為此進(jìn)一步了證明標(biāo)準(zhǔn)砂的強(qiáng)度規(guī)律符合庫倫定律τ_f=σtanφ，但這兩種試驗中由于土樣應(yīng)力狀態(tài)和儀器結(jié)構(gòu)不同，因此得到的強(qiáng)度指標(biāo)有很大的差異。

0  引言 

在工程實踐中，建筑物地基和土工構(gòu)筑物產(chǎn)生破壞情況，是因為土體在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力作用下，土體剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度。該土體處于所謂的極限平衡狀態(tài)。當(dāng)外部荷載不斷增大，連成一個滑動面，也就是一部分土體對另一部分土體產(chǎn)生相對移動，即為土的剪切破壞。因此土的強(qiáng)度問題的研究一直在工程實踐或在土力學(xué)研究中，作為重要的課題之一。

土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角是土的強(qiáng)度的重要指標(biāo)，本文首先選用松散的、單一的標(biāo)準(zhǔn)砂（砂的干密度為1.57g/cm³,風(fēng)干含水量0，比重為2.65，孔隙比為0.688，砂的粒徑為0.07-0.25mm）進(jìn)行兩種儀器的對比試驗，因為標(biāo)準(zhǔn)砂的強(qiáng)度試驗方法比較簡單，土的性質(zhì)比較穩(wěn)定，試驗時間比較短促，邊界條件容易控制，可比性強(qiáng)。

1  試驗儀器和試驗方法

圖1  四聯(lián)氣壓式直剪試驗儀

1.1  四聯(lián)直剪試驗 

1.1.1  儀器介紹

采用本公司研發(fā)生產(chǎn)的四聯(lián)氣壓式直剪儀（見圖1）。固結(jié)壓力的施加采用高精度的調(diào)壓閥，通過滾動膜片和定向的活塞在氣缸中施加固結(jié)壓力，固結(jié)壓力范圍0~800kPa。剪切力的施加利用步進(jìn)電機(jī)通過機(jī)械傳動四個剪切盒剪切土樣，剪應(yīng)力的大小由力傳感器經(jīng)過單片機(jī)采集儲存，剪切位移由步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角計算，剪切速率0.001~4mm/min，剪切位移0~6mm，能夠滿足快剪、固結(jié)快剪、慢剪等試驗。根據(jù)土的性質(zhì)和試驗要求，剪切速率可以任意調(diào)整。本次標(biāo)準(zhǔn)砂的試驗的剪切速率為0.048mm/min，*在有效應(yīng)力條件下的試驗要求。

1.1.2  試驗方法

稱取四份94.2g的風(fēng)干標(biāo)準(zhǔn)砂，通過漏斗分別向剪切盒中徐徐注入試樣，制備成高度20mm，面積30cm²的試樣，并在剪切盒頂部加設(shè)透水板和傳壓活塞，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，按100、200、300、400kPa施加固結(jié)壓力。固結(jié)時間兩小時后，按0.048mm/min的剪切速度，施加剪應(yīng)力直至位移達(dá)到5-6mm。

在本次試驗中，直剪試驗一共做了21組，每組試驗四個土樣，分別施加100、200、300、400kPa固結(jié)壓力。21組試驗結(jié)果見表1，內(nèi)摩擦角值31.67°，極小值27.43°，平均值為29.88°，均方差1.214，變異系數(shù)0.04。

圖2  四聯(lián)多功能三軸試驗儀

1.2  四聯(lián)三軸試驗 

1.2.1  儀器介紹

所謂四聯(lián)三軸試驗（見圖2），是指四個不同圍壓的土樣壓力室，在同一個等應(yīng)變控制條件下進(jìn)行軸向加壓直至破壞。

四個土樣的圍壓分別由四個液壓控制器加壓，壓力范圍0~1600kPa；壓力室置于同一個加荷平臺，由機(jī)電驅(qū)動加荷平臺向四個壓力室施加等應(yīng)變剪切位移，由于四個壓力室承受四個不同圍壓，因此由四個力傳感器所產(chǎn)生的剪應(yīng)力與四個不同圍壓建立相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，得到四組莫爾圓，獲得了一組莫爾包線和強(qiáng)度值。

由于人工智能型三軸剪力儀自動化程度高，整個過程無需人工操作。在一般情況下土樣直徑為39.1mm，高度為80mm，圍壓0~1600kPa，孔壓0~1600kPa，排水量0~50ml，軸向位移0-30mm，軸向壓力4.8MPa。因此本儀器可以進(jìn)行不同深度土層的三軸試驗，同時滿足高層、超高層的試樣的研究。

1.2.2  試驗方法

稱取四份151g的標(biāo)準(zhǔn)砂，分別通過漏斗徐徐注入承膜筒的乳膠薄膜內(nèi)，制備成高度為80mm，直徑39.1mm的試樣，裝好土樣帽，經(jīng)微型真空泵的抽泄空氣后，拆開對開模施加圍壓100、200、300、400kPa。

在本次試驗中，三軸試驗一共做了14組，每組試驗四個土樣，分別施加100、200、300、400kPa周圍壓力，剪切速率為0.05mm/min。14組試驗結(jié)果見表1，內(nèi)摩擦角值39.31°，極小值36.66°，平均值為38°，均方差0.735，變異系數(shù)0.02。

2  試驗曲線及結(jié)果匯總

2.1部分直剪試驗曲線

（a）剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系

(b)抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系

圖3  第1組直剪試驗曲線

(a)剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系

(b)抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系

圖4  第二組直剪試驗曲線

(a)剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系

(b)抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系

圖5  第三組直剪試驗曲線

2.2 部分三軸試驗曲線

（a）主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系

(b)強(qiáng)度包線

圖6  第1組三軸試驗曲線

（a）主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系

(b)強(qiáng)度包線

圖7  第二組三軸試驗曲線

（a）主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系

(b)強(qiáng)度包線

圖8  第三組三軸試驗曲線

2.3直剪試驗與三軸試驗的結(jié)果匯總            

表1  兩種試驗結(jié)果匯總表

表2  兩種試驗結(jié)果比較表

3  分析意見

3.1  應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

根據(jù)21組直剪試驗和14組三軸試驗的結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)砂的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈非線性的雙曲線關(guān)系，形態(tài)穩(wěn)定，符合客觀規(guī)律。

3.2  強(qiáng)度指標(biāo)

從理論到試驗結(jié)果表明，無粘性的砂性土（標(biāo)準(zhǔn)砂）的內(nèi)聚力為0，強(qiáng)度指標(biāo)主要通過摩擦角反應(yīng)土的性質(zhì)。參照《第27屆土工測試學(xué)術(shù)研討會論文集》中，“第二屆平行土工試驗-砂土三軸壓縮試驗”一文，其中有七所高校的試驗結(jié)果砂土的內(nèi)聚力為0，平均內(nèi)摩擦角為39.3°，與本試驗的三軸試驗結(jié)果比較吻合。

3.3  試驗特征

由于直剪試驗和三軸試驗的土樣，在加荷固結(jié)和剪切過程中的受力方向和剪切面有所不同，因此試驗結(jié)果存在較大差異。

3.4  人工智能四聯(lián)三軸儀

四聯(lián)三軸儀不僅可以替代四臺單聯(lián)三軸儀的所有功能，而且可以獲得較好的試驗結(jié)果，結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、數(shù)據(jù)可靠、提高工效數(shù)倍，推動三軸試驗人工智能現(xiàn)代創(chuàng)舉。

4  結(jié)論與討論

本文采用兩種不同的強(qiáng)度試驗儀器，對標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行一系列的比較試驗，通過試驗和資料整理得到以下幾點結(jié)論：

（1）兩種嶄新的強(qiáng)度試驗儀器主要技術(shù)指標(biāo)均符合中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123-2019》

（2）氣壓式的四聯(lián)直剪儀替代了杠桿砝碼加荷，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、無級變速、出力大于原直剪儀的兩倍，滿足不同要求的強(qiáng)度試驗；四聯(lián)三軸儀是國內(nèi)外土工試驗中的創(chuàng)新，通過人工智能開發(fā)，圍壓可達(dá)到1600kPa，滿足深層土的強(qiáng)度試驗，一次試驗可以獲得四種不同圍壓下的強(qiáng)度值，該儀器可以提高四倍工效。

（3）兩種不同強(qiáng)度的試驗結(jié)果表明，砂土的強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)聚力均為0，三軸儀的平均內(nèi)摩擦角為38°，直剪試驗的平均內(nèi)摩擦角為29.8°，因此砂土在三軸試驗下的強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角比直剪試驗高出27%。

（4）本試驗僅對松散標(biāo)準(zhǔn)砂的有效強(qiáng)度試驗，而對于其他各種土性的擾動土和原狀土希望同仁們一起開展有效應(yīng)力下的試驗研究，期待獲得共識。