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砂土內摩擦角的兩種試驗方法對比
(蘇州昱創流體科技有限公司 江蘇 蘇州 215636)
摘要：*，內摩擦角是砂土的一個重要的強度指標，而直剪試驗和三軸剪切試驗是獲得砂土內摩擦角的兩種重要的土工試驗方法。土的強度指標的大小與試驗方法、土的性質（包括密實狀態、顆粒級配等）以及應力歷史等因素有關。本文采用同一種標準砂，對比研究了土工試驗中應用普遍的直剪試驗和三軸剪切試驗得到的內摩擦角。結果表明，由于儀器結構、試樣應力狀態以及剪切破壞面的不同，三軸剪切試驗得到的內摩擦角的平均值比直剪試驗強度大27%左右。
關鍵詞：砂土 內摩擦角 直剪試驗 三軸剪切試驗
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
在工程實踐中，建筑物地基和土工構筑物產生破壞情況，是因為土體在自重應力和附加應力作用下，土中剪應力達到土的抗剪強度峰值。該土體所謂處于極限平衡狀態。當外部荷載不斷增大。連成一個滑動面，也就是一部分土體對另一部分土體產生相對移動，即為土的剪切破壞。因此土的強度問題的研究一直在工程實踐或在土力學研究中，作為重要的課題之一。
內摩擦角是砂土的一個重要的強度指標，而直剪試驗和三軸剪切試驗是獲得砂土內摩擦角的兩種重要的土工試驗方法。土的強度指標的大小與試驗方法、土的性質（包括密實狀態、顆粒級配等）以及應力歷史有關。
二、試驗儀器和試驗方法
圖1 昱創四聯電機式直剪試驗儀
2.1、直剪試驗
本次試驗采用本公司生產的四聯電機式直剪儀。固結壓力0~1000kPa，剪應力為0~1000kPa，剪切位移0~8mm，剪切速率0.001~4mm/min，能夠滿足快剪、固結快剪、慢剪等試驗，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。根據土的性質和試驗要求，剪切速率可以任意調整。例如這次砂土試驗采用剪切速率為0.048mm/min，大約一個半小時。這對于砂土來說也已足夠慢了。
電機式直剪試驗其優點是體積緊湊、操作方便、出力準確、自動化程度高，可以限制剪切位移、進退正確，試驗過程中數據采集儲存不需要電腦采集，當一旦幾組試驗結果出來，即可導入計算機處理結果。
在本次對比試驗中，直剪試驗一共做了21組試驗，每組試驗四個土樣，分別施加100、200、300、400kPa固結壓力。21組試驗平均Φ值為29.88°。
圖2 全自動三軸試驗儀
（Quadruple multifunctional triaxial tester）
2.2、三軸試驗
三軸試驗儀又稱三軸剪力儀，可以單聯也可以四聯結構。四聯結構為四個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壓力施加相同應變剪切位移，由于四個壓力室承受四個不同圍壓，因此四個不同的剪應力與四個不同圍壓關系，就能得到四組莫爾圓，就能獲得莫爾包線和強度參數。
由于人工智能型三軸剪力儀自動化程度高，整個過程毋需人工操作。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，則軸向應力為0~2.5MPa。對于不同的深度土樣和試驗要求時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。
在本次對比試驗中，三軸試驗一共做了14組試驗，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組試驗平均Φ值為37.99°，比直剪試驗結果大27%。
2.3、砂樣的制備
對于直剪試驗稱取一定重量的標準砂，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施加固結壓力。
對于三軸試驗，我們選擇土樣直徑39.1mm，高度為80mm的制樣器（筒）內，稱取一定質量的標準砂，通過漏斗徐徐注入乳膠薄膜內，裝好土樣帽，經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
直剪試驗和三軸剪切試驗，對于砂土來說，固結時間為30分鐘，直剪剪切速率為0.048mm/min，在120分鐘完成試驗；三軸剪切速率為0.05mm/min，在200分鐘完成試驗。
三、試驗曲線及結果
3.1部分直剪試驗曲線
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直剪儀及三軸試驗的試驗結果
兩種試驗結果對比表 | ||||
序號 | 直剪試驗 | 三軸試驗 | ||
φD’ | Δhf | φS’ | εf | |
1 | 31.67 | 3.23mm | 37.23 | 6.10 |
2 | 31.55 | 3.21mm | 38.49 | 6.10 |
3 | 29.40 | 3.40mm | 37.47 | 5.9 |
4 | 29.24 | 3.20mm | 36.68 | 7.8 |
5 | 28.74 | 2.98mm | 36.66 | 7.8 |
6 | 31.18 | 3.24mm | 38.53 | 5.6 |
7 | 28.55 | 3.21mm | 38.01 | 5.6 |
8 | 27.43 | 3.23mm | 38.03 | 5.6 |
9 | 30.20 | 2.99mm | 38.40 | 5.6 |
10 | 30.45 | 2.98mm | 39.31 | 6.7 |
11 | 28.74 | 3.48mm | 38.37 | 7.9 |
12 | 30.15 | 3.24mm | 37.75 | 7.8 |
13 | 27.55 | 3.48mm | 38.37 | 7.8 |
14 | 30.48 | 3.47mm | 38.64 | 6.7 |
15 | 30.11 | 3.29mm |
|
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16 | 30.67 | 3.13mm | 直剪試驗平均值 | 29.8 |
17 | 30.07 | 3.78mm | 三軸試驗平均值 | 38 |
18 | 29.71 | 3.72mm | 直剪試驗均方差 | 1.214 |
19 | 31.32 | 3.58mm | 三軸試驗均方差 | 0.735 |
20 | 31.36 | 3.40mm |
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21 | 28.89 | 3.44mm |
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四、結論
1、兩種強度試驗儀器的研發，是本公司創新科技的結果，具有體積緊湊、操作簡便、試驗正確穩定、自動化程度高，具有時代特色的人工智能儀器。
2、土的抗剪強度和試驗儀器、試驗方法、土的基本性質以及試驗技術有著密切關系，目前國內使用的強度試驗儀還是比較傳統的方法，需要進一步研究和創新發展。特別是直剪儀的剪切面積，在剪切過程中不斷縮小，因此導致實際強度偏??；還有剪切試驗中固結壓力不能滿足高層建筑和深層地基試驗要求，建議在創新研發中需要加以改進和提高。
3、兩種強度試驗儀器比較，試驗結果比較吻合，同時表明三軸試驗的強度比直剪試驗強度提高27%左右。
參考文獻：
1.中華人民共和國國家標準《土工試驗方法標準》GB/T 50123-2019 中國計劃出版社
2.土木工程實訓實驗技術手冊 同濟大學出版社 1995.5 唐益群、葉為民
3.土工試驗與原理 同濟大學出版社 1992.2 楊熙章
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