试验操作步骤对无侧限抗压强度试验数据的影响探讨

张洪霞

（中铁第五勘察设计集团有限公司东北分院，黑龙江 哈尔滨150001）

土在外力作用下在剪切面单位面积上所能承受的最大剪应力称为土的抗剪强度，是由颗粒间的内摩擦力以及由胶结物和水膜的分子引力所产生的黏聚力共同组成。土工试验是工程勘察的重要组成部分，在工程设计和施工中有着非常重要的意义。其结果能对工程的勘察效果产生重大影响。无侧限抗压强度试验是土的力学试验之一，是土重要力学基本内容，可提供土的力学性质指标，供设计计算时使用，它操作简单，适用广泛；它是指土样在侧面不受限制、无侧向压力条件下，抵抗垂直压力的极限强度，它可以估价土的承载力和抗剪强度。土的灵敏度指无侧限抗压强度与其重塑土（密度与含水量就与原状土相同）的无侧限抗压强度之比。灵敏度反映土的受结构振动影响的程度，灵敏度越大，结构扰动影响越明显。它可以用来评价土的结构性。影响土的强度的因素较多，如土的类型、密度、含水量、深度及受力条件等等。根据现有的测试设备和技术条件，准确测定土的抗剪强度指标是比较困难的，也只作近似模拟。它可以用来评价地基稳定性；计算路堤、土坝、挡土墙等斜坡稳定性以及挡土建筑物土的压力，都需要土的抗剪强度指标。试验室测定土的抗剪强度指标的仪器有直接剪切仪、三轴压缩仪及无侧限压力仪，本文着重研究应用无侧限压力仪测定无侧限抗压强度试验步骤中影响数据的主要原因，探求试验数据准确性，真实性，可靠性。

1 试验原理

无侧限抗压强度试验是指在不加任何侧向压力的情况下，对圆柱体试样施加轴向压力，直至试样剪切破坏为止，它是抵抗垂直压力的极限强度。试样破坏时的轴向压力以qu 表示。本试验适用于测定自重下不变形的饱和粘性土。

2 试验装置

应变控制式无侧限压缩仪。应变控制式就是在试验过程中，一定时间内控制试样产生一定的变形，测定与此变形相应的应力。它能较准确的测出峰值和终值强度，目前广为采用,如图1。

图1 应变控制式无侧限压缩仪及重塑筒

图2 切土盘及切土试样

3 试验步骤

①将削好的试样立即称量，准确至0.1 克。同时取削下的余土测定含水率。用卡尺测量高度及上、中、下各部位直径。计算试件平均直径。在试件端抹一薄层凡士林，为了防止水分蒸发，试件的侧面也可抹一层薄凡士林。②将制备好的试件放在加压板上，转动手轮，使其与上加压板刚刚好接触，调测力计百分表读数为零点。③以轴向应变1%-3%/min 的速度转动手轮(6-12r/min)，使试验在8-10min 内完成。轴向应变在3%以前，每0.5%轴向应变记读百分表读数一次，轴向应变达3%以后，每1%轴向应变记计百分表读数一次。④当百分表达到峰值或读数达到稳定了，再继续剪3%-5%轴向应变值即可停止试验。如读数没有稳定值，则轴向应变达20%的即可停止试验。⑤试验结束后，迅速反转手轮，取下试件，描述土样破坏情况。剪切前、后试样如图（三、四）⑥测定灵敏度，将破坏后的试件去掉表面凡士林后，再加少许土，包以塑料布，用手捏搓，破坏其结构，重塑土与重塑前尺寸、密度相等，然后立即重复②至⑥步骤进行试验。

图3

图4

4 试验指标

4.1 D0= (D1+2D2+D3)/4 ；D0- 试件平均直径（cm）；D1、D2、D3-试件上、中、下各部位的直径（cm）。

4.2 △h=n*△L-R ；△h 为轴向变形,n 为螺杆上升转数，△L 为螺杆上升转的垂直距离,R 为测力计读数。

4.4 试样面积校正As=A0/1-1 ； A0为试验前的试样面积，As 为较正后试样面积。

4.5 抗压强度qu=10C*R/As ； C 为量力环率定系数，R 为测力计读数；10 为单位换算系数。

4.6 灵敏度St=qu/qu'； qu 原状试样的无侧限抗压强度，qu'为重塑土无侧限抗压强度。

4.7 抗剪强度S=qu/2。（表1）

5 试验步骤过程中对数据的影响的因素及探讨

表1 无侧限试验记录简表

5.1 试样制备的影响，此试验的制样是关键，室内试验适用于饱和的无裂隙的粘性土，同时需要具有两个条件，一个是在不排水的条件下，要求试验时有一定的应变速率，在较短的时间内迅速完成试验，另一个是试样在自重作用下不变形。如土样在野外取样，通过运输至试验室时与其所处于的地层、深度、结构、环境状态等等是基本一致的，这种状态下测得的试验数据才能客观反映土的原始的真实的力学性能。现实取土、运样过程中往往存在设备或是人为的操作影响，运输中防震、防晒等原因，使土样在到达试验室时，表现为土样包装的部分缺失和损坏、土样的形变，甚至失水等等。使土样增加了脆性，必定影响试验数据。外业人员直接钻取的圆柱体土样（一般80mm×200mm），经过原状土分样器后分三个扇形土柱，放在切土盘（如图二）上切成39.1mm×20mm 圆柱体，切土过程中，一定用切土刀紧靠侧板，由上往下细心切削，同时转动圆盘，也要避免扰动，较软的土用力均匀且不要太大，较硬的土，一点点削，一二分钟即可结束。对天然土样，土样中含有各种不确定的杂质，比如含有铁锰结核、钙质结核、贝壳、碎石、树根等。裸露出的部分，可以剃除，有凹坑的用削下的余土填补。不同的人在制样过程中的处理方式是不一样的，也会对数据有一定的影响。

5.2 凡士林的影响。要求此试验时有一定的应变速率，在较短的时间内完成试验，制好的试样，试件抹一薄层凡士林，凡士林一方面防止水分蒸发，另一方面也是为了保证试件与上下平面紧紧相贴。使试样数据较为准确。土样量多时，制样人员可以将制好的试样抹一薄层凡士林放在恒温箱里养生、备用。

5.3 试样饱和的影响试样饱和是重要问题,土样的饱和度愈小,土的孔隙内残留气体也就愈多,由于气体因孔隙水压的变化面胀缩,因而饱和度的影响成为一个不确定的因素,为了保证试验数据准确度,要求试样必须饱和,采用真空气饱和法是比较有效的方法。由于某些较为密实的土体饱和处理做的不够彻底，在实验开始时还存在气体在其中，将影响数据。

5.4 实验过程中的影响。试验过程，针对不同的试样，控制剪切速率，根据试样的软硬程度选用不同的量程的测力计，快速准确调测力计百分表，可以使读数更加准确，真实。读数人员应熟练，做到手疾眼快，迅速计下读数。使试验在8-10 分钟内完成，防止试验过程中试样发生排水现象及表面水分的蒸发，影响试验数据。试样受压破坏时候，有脆性和塑性破坏两种，脆性破坏一定有明显的裂隙在，轴向压力具有峰值。塑性破坏的，轴向应力一定无峰值，选取轴向压力15%的为破坏值，但试验应进行到轴向应变达到20%，重塑试样的取值标准与原状试样相同。试验人员一定注意观察读数，特别是峰值。土质不均匀的，脆性和塑性不明显，20%应严格控制，有时可以稍延长一小段时间观察，甚至达到23%。但一定保证在10 分钟试验结束，结束后取下试样，描述试样破坏后的形状，破坏点，破坏程度，并画简易图，增加数据的可靠性。

5.5 重塑土制样的影响。重塑试样除了不具有原状试样的结构外，应保持与原状试样相同的密度和含水率，尺寸。天然结构的土经重塑后，它的结构粘聚力已全部消散，但就放置一段时间后，它可以恢复一部分，放置的时间越长，恢复的程度愈大，需要测定灵敏度时，重塑试样应立即进行。灵敏度的重塑土制备过程中，将破坏的后的试件立即去掉表面凡士林，再加削掉的少许土，包以塑料布防止失水，用手捏搓，破坏它的结构，放入重塑筒内，用金属垫板，将试样挤成与其原状土样一样的圆柱形，使重塑土与重塑前尺寸、密度、含水量相等。捏搓过程中，视土的情况，均匀用力，塑料布一定严密，防止水蒸发。做到重塑土与重塑前密度相等，否则将影响灵敏度的数据。

6 针对上述各影响的改进方法或注意事项

6.1 野外取样、送样应最接近原状样，若原状样发生了变化，在试验室可以截取中间的部分。饱和软土试样预固结后再进行试验。制样过程中快速准确，严格按照规范、标准进行，避免土体的扰动，削刀、切刀在使用前应该冲洗擦拭干净保证刀韧光泽并充分烘干，在一二分钟完成，立即涂抹凡士林。

6.2 在实际操作中，对土样按标准规定的要求进行饱和后，要测试土样饱和后的含水率、密度及饱和度，以确定试验土样完全饱和。

6.3 重塑土制备过程中，加土后塑成圆柱体，可以通过重新测量质量，与原质量保持一样的方法解决做到重塑土与重塑前密度相等。试验过程中试验人员一定提高技能，增加基础知识，增强熟练程度，积累经验。

结束语

土的抗剪强度是构筑物和建筑物安全稳定的重要力学性质指标，是研究土的强度特性的重要指标之一，抗剪强度过高或过低都会影响工程。无侧限抗压试验是三轴压缩试验的一种特殊形式，一种特例，也可以用三轴压缩仪进行试验，围压力为零，测定饱和粘土的不排水强度。由于饱和粘土在取样操作中和试样制备过程中应力的释放，粘聚力的消散，不排水强度常常偏大一些，但它操作简单，可以快速应用。本文对土工试验室中无侧限抗压强度试验步骤中的各方面影响进行了分析和讨论，尽量降低影响，消除不利因素。在实际试验中，严格按规范规章要求试验，在遵从实验操作规程的同时，将上述改进方法应用在实际操作里，取得了很好的效果，一定程度上减小了误差，进一步保证了土工实验数据的准确性、真实性和可靠性。