砂土內摩擦角的兩種試驗方法對比

　　摘要：眾所周知，土的抗剪強度指標（C、φ）是用於計算建築物地基的穩定性和確定地基承載力的主要參數。由於土的成因、顆粒級配、地基土的應力歷史和強度試驗方法等不同而產生差異。但從理論上認為，在有效應力條件下各類土的強度參數應該比較接近。目前國內外勘測試驗單位也包括高校在內，直剪試驗和三軸試驗是確定土的強度參數主要手段，然而對三軸儀價格比較昂貴，結構比較複雜，操作繁瑣，試驗周期較長，因此通常採用直剪試驗進行，對重要工程或試驗研究必須採用三軸試驗。考慮到這兩種儀器的共性和特殊性以及他們的優缺點，我們以傳承和創新的思想實現了人工智慧優化設計與生產，在主要技術指標和技術要求方面均滿足符合國家土工試驗方法標準的條件下，開展了對標準砂在有效應力條件下的對比試驗。通過對比試驗和資料整理，兩種儀器試驗數據的重複性、穩定性較好，為此進一步了證明標準砂的強度規律符合庫倫定律τ_f=σtanφ，但這兩種試驗中由於土樣應力狀態和儀器結構不同，因此得到的強度指標有很大的差異。

　　0  引言

　　在工程實踐中，建築物地基和土工構築物產生破壞情況，是因為土體在自重應力和附加應力作用下，土體剪應力達到土的最大抗剪強度。該土體處於所謂的極限平衡狀態。當外部荷載不斷增大，最後連成一個滑動面，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。

　　土的內聚力和內摩擦角是土的強度的重要指標，本文首先選用鬆散的、單一的標準砂（砂的幹密度為1.57g/cm³,風乾含水量0，比重為2.65，孔隙比為0.688，砂的粒徑為0.07-0.25mm）進行兩種儀器的對比試驗，因為標準砂的強度試驗方法比較簡單，土的性質比較穩定，試驗時間比較短促，邊界條件容易控制，可比性強。

　　1  試驗儀器和試驗方法

圖1  四聯氣壓式直剪試驗儀

　　1.1四聯直剪試驗

　　1.1.1  儀器介紹

　　採用本公司研發生產的四聯氣壓式直剪儀（見圖1）。固結壓力的施加採用高精度的調壓閥，通過滾動膜片和定向的活塞在氣缸中施加固結壓力，固結壓力範圍0~800kPa。剪切力的施加利用步進電機通過機械傳動四個剪切盒剪切土樣，剪應力的大小由力傳感器經過單片機採集儲存，剪切位移由步進電機轉角計算，剪切速率0.001~4mm/min，剪切位移0~6mm，能夠滿足快剪、固結快剪、慢剪等試驗。根據土的性質和試驗要求，剪切速率可以任意調整。本次標準砂的試驗的剪切速率為0.048mm/min，完全滿足在有效應力條件下的試驗要求。

　　1.1.2  試驗方法

　　稱取四份94.2g的風乾標準砂，通過漏鬥分別向剪切盒中徐徐注入試樣，製備成高度20mm，面積30cm²的試樣，並在剪切盒頂部加設透水板和傳壓活塞，調節調壓閥，按100、200、300、400kPa施加固結壓力。固結時間兩小時後，按0.048mm/min的剪切速度，施加剪應力直至位移達到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固結壓力。21組試驗結果見表1，內摩擦角最大值31.67°，最小值27.43°，平均值為29.88°，均方差1.214，變異係數0.04。

圖2  四聯多功能三軸試驗儀

　　1.2四聯三軸試驗

　　1.2.1  儀器介紹

　　所謂四聯三軸試驗（見圖2），是指四個不同圍壓的土樣壓力室，在同一個等應變控制條件下進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，壓力範圍0~1600kPa；壓力室置於同一個加荷平臺，由機電驅動加荷平臺向四個壓力室施加等應變剪切位移，由於四個壓力室承受四個不同圍壓，因此由四個力傳感器所產生的剪應力與四個不同圍壓建立相應的應力應變關係，得到四組莫爾圓，獲得了一組莫爾包線和強度值。

　　由於人工智慧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的標準砂，分別通過漏鬥徐徐注入承膜筒的乳膠薄膜內，製備成高度為80mm，直徑39.1mm的試樣，裝好土樣帽，經微型真空泵的抽洩空氣後，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組試驗結果見表1，內摩擦角最大值39.31°，最小值36.66°，平均值為38°，均方差0.735，變異係數0.02。

　　2  試驗曲線及結果匯總

　　2.1部分直剪試驗曲線

（a）剪應力與剪切位移的關係

(b)抗剪強度與垂直壓力的關係

圖3  第1組直剪試驗曲線

(a)剪應力與剪切位移的關係

(b)抗剪強度與垂直壓力的關係

圖4  第二組直剪試驗曲線

(a)剪應力與剪切位移的關係

(b)抗剪強度與垂直壓力的關係

圖5  第三組直剪試驗曲線

　　2.2 部分三軸試驗曲線

（a）主應力差與軸向應變的關係

(b)強度包線

圖6  第1組三軸試驗曲線

（a）主應力差與軸向應變的關係

(b)強度包線

圖7  第二組三軸試驗曲線

（a）主應力差與軸向應變的關係

(b)強度包線

圖8  第三組三軸試驗曲線

　　2.3直剪試驗與三軸試驗的結果匯總

表1  兩種試驗結果匯總表

序號	直剪試驗		三軸試驗
	φD』	Δhf	φS』	εf
1	31.67	3.23mm	37.23	6.1
2	31.55	3.21mm	38.49	6.1
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
16	30.67	3.13mm
17	30.07	3.78mm
18	29.71	3.72mm
19	31.32	3.58mm
20	31.36	3.40mm
21	28.89	3.44mm

表2  兩種試驗結果比較表

直剪試驗內摩擦角					三軸試驗內摩擦角
最大值	最小值	平均值	均方差	變異係數	最大值	最小值	平均值	均方差	變異係數
31.67	27.43	29.8	1.214	0.04	39.31	36.66	38	0.735	0.02

　　3  分析意見

　　3.1  應力應變關係

　　根據21組直剪試驗和14組三軸試驗的結果表明，標準砂的應力應變曲線呈非線性的雙曲線關係，形態穩定，符合客觀規律。

　　3.2  強度指標

　　從理論到試驗結果表明，無粘性的砂性土（標準砂）的內聚力為0，強度指標主要通過摩擦角反應土的性質。參照《第27屆全國土工測試學術研討會論文集》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果砂土的內聚力為0，平均內摩擦角為39.3°，與本試驗的三軸試驗結果比較吻合。

　　3.3  試驗特徵

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

　　3.4  人工智慧四聯三軸儀

　　四聯三軸儀不僅可以替代四臺單聯三軸儀的所有功能，而且可以獲得較好的試驗結果，結構緊湊、操作簡單、數據可靠、提高工效數倍，推動三軸試驗人工智慧現代創舉。

　　4  結論與討論

　　本文採用兩種不同的強度試驗儀器，對標準砂進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論：

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

　　（2）氣壓式的四聯直剪儀替代了槓桿砝碼加荷，具有結構緊湊、操作方便、無級變速、出力大於原直剪儀的兩倍，滿足不同要求的強度試驗；四聯三軸儀是國內外土工試驗中的創新，通過人工智慧開發，最大圍壓可達到1600kPa，滿足深層土的強度試驗，一次試驗可以獲得四種不同圍壓下的強度值，該儀器可以提高四倍工效。

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

　　（4）本試驗僅對鬆散標準砂的有效強度試驗，而對於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力下的試驗研究，期待獲得共識。