不固結不排水試驗

不固結不排水試驗是指運用三軸單剪儀對土的抗剪強度進行測定的一種試驗。

土的強度指標是確定土的承載能力的一個重要指標，因此，準確測定土的抗剪強度指標，對於建築工程的設計和施工有著很大的意義。用三軸剪下試驗測土的抗剪強度指標是較為普遍的一種方法，而且對於高層建築，在進行地質勘察時，要求對取出的原狀土，用三軸剪下實驗來測定土的抗剪強度指標。

基本介紹

• 中文名：不固結不排水試驗
• 外文名：unconsolidated undrained test
• 學科：土木工程
• 目的：測定土的抗剪強度
• 儀器：單剪儀
• 套用：建築工程的設計和施工

實驗背景

土的強度指標是確定土的承載能力的一個重要指標，因此，準確測定土的抗剪強度指標，對於建築工程的設計和施工有著很大的意義。用三軸剪下試驗測土的抗剪強度指標是較為普遍的一種方法，而且對於高層建築，在進行地質勘察時，要求對取出的原狀土，用三軸剪下實驗來測定土的抗剪強度指標。隨著社會的發展，興建的高層建築越來越多，使得三軸剪下實驗的套用也越來越廣泛，所以，使三軸實驗的檢測不斷地完善有著很大的必要性，基於這一要求，對上在三軸不固結不排水實驗中，其飽和程度對強度指標的影響進行了研究。

實驗室的試驗設備，總是儘可能地使土體模擬實際運行中的破壞方式，這樣確定的土體應力–應變特性、強度參數才有套用價值。實際中直剪試驗和三軸試驗套用最廣泛，除了簡單實用外，直剪和三軸試驗確實能反映一些土體的實際破壞問題。但是實際中很多土體都處於單剪狀態下，如地震時地面下處於向上傳播的剪下波中的土體單元、受載時樁身的應力狀態。

試件的加工與製作

為了保證實驗結果有可比性和較好的規律性，將準備好的土料攪拌均勻，按照14.0%的含水量在土料上均勻灑水，稍靜置後裝入塑膠袋，然後置於密閉容器里24小時以上。製作試件時，重新測量土樣的含水量，然後，按乾密度ρ_d=1.6g·om的要求，製作h=8.0em，d=3.91cm的試件，擊實試件時，按試件的高度分4層擊實，各層土料的質量相等，每層擊實至要求高度後，將表面刨毛，然後再加第二層土料，如此繼續進行直至擊實最後一層。

將擊實好的試件用三瓣膜夾好，裝入飽和器內並擰緊螺絲，每一組4個試件，平行做兩次實驗，由於本實驗中，要測3種狀態下的情況，即初始狀態、自然浸水狀態和真空抽氣飽和狀態，每一種情況下最少需要8個試件，3種情況最少需要24個試件。試件做好之後，需要做真空抽氣飽和的試件，放入飽和罐內，擰緊飽和罐的螺絲，進行抽氣，當真空度接近一個大氣壓後，繼續抽氣一個小時，然後徐徐注入清水，並使真空度保持穩定。待飽和器完全淹沒水中後，停止抽氣，解除飽和罐內的真空，讓試件在飽和罐內靜置10小時以上；需要做自然浸水狀態的試件，放入盛有水的桶中，桶中的水要將試件淹沒，靜置10小時以上；需要做初始狀態的試件，加工好之後，即可進行三軸不固結不排水剪下實驗。

試驗儀器

試驗採用應力控制式單剪儀，該儀器主要由水平剪力系統、垂直加力系統、測量系統、剪下盒4部分組成，如圖所示。剪下盒由16個6mm厚的疊環、1個12mm的疊環、加壓蓋板和底座組成，如圖所示。12mm厚的疊環放在試樣中部(上下對稱，均勻變形)，水平剪力通過鋼絲繩作用在該疊環上，該疊環帶動整個試樣變形。擊實完試樣後，放上加壓蓋板，蓋板和底座形狀一樣，都有突出的齒，齒嵌入土樣內，能更好地約束試樣。然後加上鋼珠，垂直壓力通過支架、鋼珠和蓋板施加到試樣上，保證垂直壓力均勻。

單剪儀是直剪儀的改良型式，至今已有3種不同樣式的單剪儀，分別是在瑞典、挪威和英國首先研製並套用的。常用的是挪威岩土研究所單剪儀(NGISSD)和劍橋Rosceo單剪儀(CAMSSD)。

早在1936年瑞典岩土研究所就研製了如圖(a)所示的儀器。試樣在側向用橡皮膜包圍，橡皮膜外面有若干個重疊的鋁環防止試樣受壓後側向膨脹，使試樣處於0K固結狀態，但受剪力作用時這些環可以互相錯動。剪力施加在頂蓋上，均勻分布於試樣，橡皮膜能防止排水。其後，挪威岩土研究所製做了類似的儀器，如圖(b)所示，試樣是圓柱狀，側向用繞有剛弦的橡皮膜包圍，剛弦直徑0.2mm，螺距0.5mm，其目的是防止試樣受到壓力作用後發生側向膨脹，達到0K固結狀態。

瑞典–挪威型的單剪儀的優點是：試樣中各部分的應變比直剪儀中的均勻，而且試樣的排水受到橡皮套的限制。缺點是：當試樣中出現正的孔隙壓力時，它會促使橡皮套鼓脹，因此達不到完全不排水的目的，只有當試樣中出現負的孔隙壓力時，才能保證試樣不吸水。

英國劍橋大學利用圖(c)所示的剛性式單剪儀進行研究。試樣為方形，剪下時在剪力方向的側板可以轉動，但互相平行，保持試樣的長度不變。用這種方法使試樣的剪應變均勻，而且不發生側向膨脹。但是劍橋型單剪儀構造比前2種複雜，試樣封閉也困難，不宜用於常規試驗，處於研究套用中。K.H.Roscoe，J.M.Duncan和P.Dunlop分別假定試樣為彈性體和彈塑性體，分析了劍橋型單剪儀中試樣的應力狀態，發現試樣中間部分的應力比較均勻，但兩側的應力卻很不均勻。但是，如果假定軟土試樣中的應力是均勻的，則單剪儀給出的應力–應變關係和抗剪強度還是能代表一些實際情況的。K.H.Roscoe指出，單剪儀剪下中的應力不均勻是由於試樣垂直面缺少應力補償，而劍橋型單剪儀的優點就在於側面板可以提供應力補償，比其他幾種儀器高級，然而這也造成了試樣應力複雜。他認為，試樣頂面核心處的應力分布較均勻(如圖)。

隨後，許多學者對單剪儀中的應力狀態做了試驗和數值研究，所有成果認為，試樣中的應力狀態分布不均勻(其實，直剪、三軸試驗中都有應力分布不均勻現象)，測試結果比較吻合K.H.Roscoe的彈性解。

D.W.Airey和D.M.wood匯總了前人的單剪儀研究成果發現，塑性黏土試樣中的應力分布較砂土中的應力分布均勻得多，利用該試樣測出的結果較可信。單剪中的應力狀態不能完全確定，只能測出水平面上的正應力和剪應力，計算不出整個應力狀態來，阻礙了單剪試驗結果和莫爾圓聯繫起來。

試驗剪下過程

剪下過程為快速剪下，不考慮排水問題。分級加荷，至少10級，每級水平剪力按0.1P(P為垂直壓力)施加。開始時載入步可以大些，待到剪應變增量明顯時，可以逐漸減小，按0.05P載入，臨界破壞時減至最小。快剪主要是求剪下時不排水條件下的抗剪強度。因此水平剪力施加要快，使其在較短的時間內減損，但減速過快時，可能產生較大的塑性阻力及其他影響，常規試樣要求試樣在3～5min內剪損。本試驗的試樣尺寸較一般常規試驗尺寸大得多，變形也大(最大變形達8mm)。在剛開始的6，7級加荷中，變形較小，但是隨後的載入中，有最長達到8min時試樣才破壞。如果按照3～5min內載入，則可能造成測得較小的剪下位移和較大的剪下力。臨近破壞時，試樣的變形大，且變形持續時間長，在100和200kPa下試樣往往被拉斷。但在300和400kPa時，試樣不會被拉斷，只是變形很大，出現開裂。直剪試驗限於剪下盒尺寸，採用環刀內靜壓密實，然後推入剪力盒中。直剪試驗按照《土工試驗規範》(SL237–1999)操作，載入過程同上。

試驗結果分析

結果見表1，2。通過對比發現：黏聚力單剪比直剪低20.3%，內摩擦角相差5°左右。

對於該差異分析如下：

(1)試樣中難免存在一些人為誤差及儀器的誤差。

(2)試驗尺寸效應。試樣單剪試樣直徑和高度遠大於直剪試驗，但是M.Vucetic和S.Lacasse通過對不同尺寸的單剪試樣的對比發現，確實存在尺寸效應，但是影響不是很大。

(3)正如前文所述，單剪試驗中，測量核心處應力的結果較吻合理想單剪狀態，而測得整個試樣面的平均應力和理想單剪相差比較大，與直剪相差25%，比三軸試驗低28%。

(4)由於是模擬填方體土樣，由於單剪和直剪的剪力盒所限，試樣製備方法不一樣，單剪試樣採用標準擊錘擊實，直剪試樣採用靜壓。不同製備方法壓實土的結構性不一樣，結構性差異導致強度發展和最終強度特性也是不同的。

(5)試驗壓實土在剪下時會剪脹，而在直剪試驗中，由於剪下盒內壁的限制，剪脹會影響結果，根據Taylor的剪脹原理會提供過大的剪下強度參數。而本文單剪試驗允許試樣發生側向膨脹，減小部分剪脹的影響，測得的結果比直剪低，比較接近真實土體破壞。