不固结不排水试验试验仪器

试验采用应力控制式单剪仪，该仪器主要由水平剪力系统、垂直加力系统、测量系统、剪切盒4部分组成，如图1所示。剪切盒由16个6mm厚的叠环、1个12mm的叠环、加压盖板和底座组成，如图1所示。12mm厚的叠环放在试样中部(上下对称，均匀变形)，水平剪力通过钢丝绳作用在该叠环上，该叠环带动整个试样变形。击实完试样后，放上加压盖板，盖板和底座形状一样，都有突出的齿，齿嵌入土样内，能更好地约束试样。然后加上钢珠，垂直压力通过支架、钢珠和盖板施加到试样上，保证垂直压力均匀。

单剪仪是直剪仪的改良型式，至今已有3种不同样式的单剪仪，分别是在瑞典、挪威和英国首先研制并应用的。常用的是挪威岩土研究所单剪仪(NGISSD)和剑桥Rosceo单剪仪(CAMSSD)。

早在1936年瑞典岩土研究所就研制了如图2(a)所示的仪器。试样在侧向用橡皮膜包围，橡皮膜外面有若干个重叠的铝环防止试样受压后侧向膨胀，使试样处于0K固结状态，但受剪力作用时这些环可以互相错动。剪力施加在顶盖上，均匀分布于试样，橡皮膜能防止排水。其后，挪威岩土研究所制做了类似的仪器，如图2(b)所示，试样是圆柱状，侧向用绕有刚弦的橡皮膜包围，刚弦直径0.2mm，螺距0.5mm，其目的是防止试样受到压力作用后发生侧向膨胀，达到0K固结状态。

瑞典–挪威型的单剪仪的优点是：试样中各部分的应变比直剪仪中的均匀，而且试样的排水受到橡皮套的限制。缺点是：当试样中出现正的孔隙压力时，它会促使橡皮套鼓胀，因此达不到完全不排水的目的，只有当试样中出现负的孔隙压力时，才能保证试样不吸水。

英国剑桥大学利用图2(c)所示的刚性式单剪仪进行研究。试样为方形，剪切时在剪力方向的侧板可以转动，但互相平行，保持试样的长度不变。用这种方法使试样的剪应变均匀，而且不发生侧向膨胀。但是剑桥型单剪仪构造比前2种复杂，试样封闭也困难，不宜用于常规试验，处于研究应用中。K.H.Roscoe，J.M.Duncan 和P.Dunlop 分别假定试样为弹性体和弹塑性体，分析了剑桥型单剪仪中试样的应力状态，发现试样中间部分的应力比较均匀，但两侧的应力却很不均匀。但是，如果假定软土试样中的应力是均匀的，则单剪仪给出的应力–应变关系和抗剪强度还是能代表一些实际情况的。K.H.Roscoe指出，单剪仪剪切中的应力不均匀是由于试样垂直面缺少应力补偿，而剑桥型单剪仪的优点就在于侧面板可以提供应力补偿，比其他几种仪器高级，然而这也造成了试样应力复杂。他认为，试样顶面核心处的应力分布较均匀(如图2)。

随后，许多学者对单剪仪中的应力状态做了试验和数值研究，所有成果认为，试样中的应力状态分布不均匀(其实，直剪、三轴试验中都有应力分布不均匀现象)，测试结果比较吻合K.H.Roscoe的弹性解。

D.W.Airey和D.M.wood 汇总了前人的单剪仪研究成果发现，塑性黏土试样中的应力分布较砂土中的应力分布均匀得多，利用该试样测出的结果较可信。单剪中的应力状态不能完全确定，只能测出水平面上的正应力和剪应力，计算不出整个应力状态来，阻碍了单剪试验结果和莫尔圆联系起来。

为了保证实验结果有可比性和较好的规律性，将准备好的土料搅拌均匀，按照14.0%的含水量在土料上均匀洒水，稍静置后装入塑料袋，然后置于密闭容器里24小时以上。制作试件时，重新测量土样的含水量，然后，按干密度ρ_d=1.6g·om的要求，制作h=8.0em，d=3.91cm的试件，击实试件时，按试件的高度分4层击实，各层土料的质量相等，每层击实至要求高度后，将表面刨毛，然后再加第二层土料，如此继续进行直至击实最后一层。

将击实好的试件用三瓣膜夹好，装入饱和器内并拧紧螺丝，每一组4个试件，平行做两次实验，由于本实验中，要测3种状态下的情况，即初始状态、自然浸水状态和真空抽气饱和状态，每一种情况下最少需要8个试件，3种情况最少需要24个试件。试件做好之后，需要做真空抽气饱和的试件，放入饱和罐内，拧紧饱和罐的螺丝，进行抽气，当真空度接近一个大气压后，继续抽气一个小时，然后徐徐注入清水，并使真空度保持稳定。待饱和器完全淹没水中后，停止抽气，解除饱和罐内的真空，让试件在饱和罐内静置10小时以上；需要做自然浸水状态的试件，放入盛有水的桶中，桶中的水要将试件淹没，静置10小时以上；需要做初始状态的试件，加工好之后，即可进行三轴不固结不排水剪切实验。

土的强度指标是确定土的承载能力的一个重要指标，因此，准确测定土的抗剪强度指标，对于建筑工程的设计和施工有着很大的意义。用三轴剪切试验测土的抗剪强度指标是较为普遍的一种方法，而且对于高层建筑，在进行地质勘察时，要求对取出的原状土，用三轴剪切实验来测定土的抗剪强度指标。随着社会的发展，兴建的高层建筑越来越多，使得三轴剪切实验的应用也越来越广泛，所以，使三轴实验的检测不断地完善有着很大的必要性，基于这一要求，对上在三轴不固结不排水实验中，其饱和程度对强度指标的影响进行了研究。

实验室的试验设备，总是尽可能地使土体模拟实际运行中的破坏方式，这样确定的土体应力–应变特性、强度参数才有应用价值。实际中直剪试验和三轴试验应用最广泛，除了简单实用外，直剪和三轴试验确实能反映一些土体的实际破坏问题。但是实际中很多土体都处于单剪状态下，如地震时地面下处于向上传播的剪切波中的土体单元、受载时桩身的应力状态。

剪切过程为快速剪切，不考虑排水问题。分级加荷，至少10级，每级水平剪力按0.1P(P为垂直压力)施加。开始时加载步可以大些，待到剪应变增量明显时，可以逐渐减小，按0.05P加载，临界破坏时减至最小。快剪主要是求剪切时不排水条件下的抗剪强度。因此水平剪力施加要快，使其在较短的时间内减损，但减速过快时，可能产生较大的塑性阻力及其他影响，常规试样要求试样在3～5min内剪损。本试验的试样尺寸较一般常规试验尺寸大得多，变形也大(最大变形达8mm)。在刚开始的6，7级加荷中，变形较小，但是随后的加载中，有最长达到8min时试样才破坏。如果按照3～5min内加载，则可能造成测得较小的剪切位移和较大的剪切力。临近破坏时，试样的变形大，且变形持续时间长，在100和200kPa下试样往往被拉断。但在300和400kPa时，试样不会被拉断，只是变形很大，出现开裂。直剪试验限于剪切盒尺寸，采用环刀内静压密实，然后推入剪力盒中。直剪试验按照《土工试验规范》(SL237–1999)操作，加载过程同上。

结果见表1，2。通过对比发现：黏聚力单剪比直剪低20.3%，内摩擦角相差5°左右。

对于该差异分析如下：

(1)试样中难免存在一些人为误差及仪器的误差。

(2)试验尺寸效应。试样单剪试样直径和高度远大于直剪试验，但是M.Vucetic和S.Lacasse 通过对不同尺寸的单剪试样的对比发现，确实存在尺寸效应，但是影响不是很大。

(3)正如前文所述，单剪试验中，测量核心处应力的结果较吻合理想单剪状态，而测得整个试样面的平均应力和理想单剪相差比较大，与直剪相差25%，比三轴试验低28%。

(4)由于是模拟填方体土样，由于单剪和直剪的剪力盒所限，试样制备方法不一样，单剪试样采用标准击锤击实，直剪试样采用静压。不同制备方法压实土的结构性不一样，结构性差异导致强度发展和最终强度特性也是不同的。

(5)试验压实土在剪切时会剪胀，而在直剪试验中，由于剪切盒内壁的限制，剪胀会影响结果，根据Taylor的剪胀原理会提供过大的剪切强度参数。而本文单剪试验允许试样发生侧向膨胀，减小部分剪胀的影响，测得的结果比直剪低，比较接近真实土体破坏。 2100433B

首先根据工程问题的性质确定分析方法，进而决定采用总应力或有效应力强度指标，然后选择测试方法。一般认为，有效应力强度指标宜用于分析地基的长期稳定性，而对于饱和软粘土的短期稳定间题，则宜采用不固结不排水试验或快剪试验的强度指标。一般工程问题多采用总应力分析法，其指标和测试方法的选择大致如下：若建筑物施工速度较快，而地基土的透水性和排水条件不良时，可采用不固结不排水试验或快剪试验的结果；如果地基荷载增长速率较慢，地基土的透水性不太小（如低塑性的粘土）以及排水条件又较佳时（如粘土层中夹砂层），则可以采用固结排水试验和慢剪试验指标；如果介于以上两种情况之间，可用固结不排水或固结快剪试验结果。由于实际加荷情况和土的性质是复杂的，而且在建筑物的施工和使用过程中都要经历不同的固结状态，因此，在确定强度指标时还应结合工程经验。

1.能控制围压和轴压在预定的时间内线性变化直至设定值, 完成土样的饱和。固结试验中, 围压和反压在最短的时间内达到设定值并保持不变。当时间到达设定值时终止该试验自动运行下一个试验。B值测定试验, 系统控制围压在最短的时间内达到设定值并保持不变来测量B值, 可要求试样B值达到最大时结束试验。 2.固结排水、固结不排水、不固结不排水试验。可以通过测量径向变形而不是排水体积来直接推导泊松比。 3.径向和轴向按比例梯度加卸荷载,从而形成线性的应力路径。 4.可根据径向传感器反馈的径向变形数据调整试样底座的高度来保持试样径向无变形, 模拟土体的现场应力状态。 5.系统允许在应力空间中设置单调连续。