砂土內(nèi)摩擦角的兩種試驗(yàn)方法對比

(蘇州昱創(chuàng)流體科技有限公司 江蘇 蘇州 215636)

摘要：*，內(nèi)摩擦角是砂土的一個(gè)重要的強(qiáng)度指標(biāo)，而直剪試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)是獲得砂土內(nèi)摩擦角的兩種重要的土工試驗(yàn)方法。土的強(qiáng)度指標(biāo)的大小與試驗(yàn)方法、土的性質(zhì)（包括密實(shí)狀態(tài)、顆粒級配等）以及應(yīng)力歷史等因素有關(guān)。本文采用同一種標(biāo)準(zhǔn)砂，對比研究了土工試驗(yàn)中應(yīng)用普遍的直剪試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)得到的內(nèi)摩擦角。結(jié)果表明，由于儀器結(jié)構(gòu)、試樣應(yīng)力狀態(tài)以及剪切破壞面的不同，三軸剪切試驗(yàn)得到的內(nèi)摩擦角的平均值比直剪試驗(yàn)強(qiáng)度大27%左右。

關(guān)鍵詞：砂土 內(nèi)摩擦角 直剪試驗(yàn) 三軸剪切試驗(yàn)

Comparison of friction angle of sand obtained by two test methods

Suzhou Yuchuang Fluid Technology Co., Ltd., Jiangsu Suzhou 215636, China;

Abstract: It is well know that friction angle is a very important strength parameter of sand and triaxial shear test and direct shear test are two commonly used methods to obtained this parameter. The test results of friction angle is influenced by test methods, soil properties(including density state and particle grading) and stress history. Using the same standard sand，the friction angle obtained by triaxial shear test and direct shear test are compared. The results show that due to the differences of instrument structure, stress conditions and shear failure surfaces，the average friction angle obtained by  triaxial shear test are almost 30% higher than that obtained by direct shear test .

Key words: Sand, Friction angle , Direct shear test, Triaxial shear test

一、引言 

在工程實(shí)踐中，建筑物地基和土工構(gòu)筑物產(chǎn)生破壞情況，是因?yàn)橥馏w在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力作用下，土中剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度峰值。該土體所謂處于極限平衡狀態(tài)。當(dāng)外部荷載不斷增大。連成一個(gè)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(shí)踐或在土力學(xué)研究中，作為重要的課題之一。

內(nèi)摩擦角是砂土的一個(gè)重要的強(qiáng)度指標(biāo)，而直剪試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)是獲得砂土內(nèi)摩擦角的兩種重要的土工試驗(yàn)方法。土的強(qiáng)度指標(biāo)的大小與試驗(yàn)方法、土的性質(zhì)（包括密實(shí)狀態(tài)、顆粒級配等）以及應(yīng)力歷史有關(guān)。

二、試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方法

圖1  昱創(chuàng)四聯(lián)電機(jī)式直剪試驗(yàn)儀

2.1、直剪試驗(yàn) 

本次試驗(yàn)采用本公司生產(chǎn)的四聯(lián)電機(jī)式直剪儀。固結(jié)壓力0~1000kPa，剪應(yīng)力為0~1000kPa，剪切位移0~8mm，剪切速率0.001~4mm/min，能夠滿足快剪、固結(jié)快剪、慢剪等試驗(yàn)，以慢速度24h土的相對位移1.44mm，如果剪切位移6mm，大概四天剪切完成。根據(jù)土的性質(zhì)和試驗(yàn)要求，剪切速率可以任意調(diào)整。例如這次砂土試驗(yàn)采用剪切速率為0.048mm/min，大約一個(gè)半小時(shí)。這對于砂土來說也已足夠慢了。

電機(jī)式直剪試驗(yàn)其優(yōu)點(diǎn)是體積緊湊、操作方便、出力準(zhǔn)確、自動化程度高，可以限制剪切位移、進(jìn)退正確，試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)采集儲存不需要電腦采集，當(dāng)一旦幾組試驗(yàn)結(jié)果出來，即可導(dǎo)入計(jì)算機(jī)處理結(jié)果。

在本次對比試驗(yàn)中，直剪試驗(yàn)一共做了21組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)四個(gè)土樣，分別施加100、200、300、400kPa固結(jié)壓力。21組試驗(yàn)平均Φ值為29.88°。

圖2  全自動三軸試驗(yàn)儀

（Quadruple multifunctional triaxial tester）

2.2、三軸試驗(yàn) 

三軸試驗(yàn)儀又稱三軸剪力儀，可以單聯(lián)也可以四聯(lián)結(jié)構(gòu)。四聯(lián)結(jié)構(gòu)為四個(gè)壓力室置于同一臺加荷平臺上，由軸向力推動加荷平臺向四個(gè)壓力施加相同應(yīng)變剪切位移，由于四個(gè)壓力室承受四個(gè)不同圍壓，因此四個(gè)不同的剪應(yīng)力與四個(gè)不同圍壓關(guān)系，就能得到四組莫爾圓，就能獲得莫爾包線和強(qiáng)度參數(shù)。

由于人工智能型三軸剪力儀自動化程度高，整個(gè)過程毋需人工操作。在一般情況下，三軸儀圍壓0~1000kPa，孔壓0~1000kPa。排水量由體變傳感器測量，對于土樣直徑為39.1，則軸向應(yīng)力為0~2.5MPa。對于不同的深度土樣和試驗(yàn)要求時(shí)儀器上選用適合的互為匹配的荷重傳感器。例如圍壓在1500kPa，土樣面積30cm²，那么荷重傳感器就選用20kN。

在本次對比試驗(yàn)中，三軸試驗(yàn)一共做了14組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)四個(gè)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(yàn)平均Φ值為37.99°，比直剪試驗(yàn)結(jié)果大27%。

2.3、砂樣的制備 

對于直剪試驗(yàn)稱取一定重量的標(biāo)準(zhǔn)砂，通過漏斗徐徐注入剪切盒。并在試樣頂部加上透水板傳壓活塞采用施加氣壓加荷裝置，按100、200、300、400kPa施加固結(jié)壓力。

對于三軸試驗(yàn)，我們選擇土樣直徑39.1mm，高度為80mm的制樣器（筒）內(nèi)，稱取一定質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砂，通過漏斗徐徐注入乳膠薄膜內(nèi)，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。

2.4、試樣方法

直剪試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)，對于砂土來說，固結(jié)時(shí)間為30分鐘，直剪剪切速率為0.048mm/min，在120分鐘完成試驗(yàn)；三軸剪切速率為0.05mm/min，在200分鐘完成試驗(yàn)。

三、試驗(yàn)曲線及結(jié)果

3.1部分直剪試驗(yàn)曲線

圖3  一組直剪曲線

（The first group of direct shear curves）

圖4  第二組直剪曲線

（The second group of direct shear curves）

圖5  第三組直剪曲線

（The third group of direct shear curves）

3.2 部分三軸試驗(yàn)曲線

圖6  一組三軸

（The first group of triaxial curves）

圖7  第二組三軸

（The second group of triaxial curves）

圖8  第三組三軸

（The third group of triaxial curves）

3.3直剪儀及三軸試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果     

四、結(jié)論

1、兩種強(qiáng)度試驗(yàn)儀器的研發(fā)，是本公司創(chuàng)新科技的結(jié)果，具有體積緊湊、操作簡便、試驗(yàn)正確穩(wěn)定、自動化程度高，具有時(shí)代特色的人工智能儀器。

2、土的抗剪強(qiáng)度和試驗(yàn)儀器、試驗(yàn)方法、土的基本性質(zhì)以及試驗(yàn)技術(shù)有著密切關(guān)系，目前國內(nèi)使用的強(qiáng)度試驗(yàn)儀還是比較傳統(tǒng)的方法，需要進(jìn)一步研究和創(chuàng)新發(fā)展。特別是直剪儀的剪切面積，在剪切過程中不斷縮小，因此導(dǎo)致實(shí)際強(qiáng)度偏小；還有剪切試驗(yàn)中固結(jié)壓力不能滿足高層建筑和深層地基試驗(yàn)要求，建議在創(chuàng)新研發(fā)中需要加以改進(jìn)和提高。

3、兩種強(qiáng)度試驗(yàn)儀器比較，試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，同時(shí)表明三軸試驗(yàn)的強(qiáng)度比直剪試驗(yàn)強(qiáng)度提高27%左右。

參考文獻(xiàn)：

1.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50123-2019 中國計(jì)劃出版社

2.土木工程實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)手冊 同濟(jì)大學(xué)出版社 1995.5 唐益群、葉為民

3.土工試驗(yàn)與原理 同濟(jì)大學(xué)出版社 1992.2 楊熙章