淤泥质土多级三轴试验方法探讨

胡志强，肖诗荣，王祥宇，陆世轩

(三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌443002)

摘要：在生产实践中，淤泥质土不易取样、制样，很难获得较多的参数。通过对淤泥质土进行多级三轴试验，探讨了多级三轴试验在实际操作中的可行性及多级三轴试验中应注意的关键问题。在多级三轴试验中，级差应控制在30 kPa，级数为3级，固结时间依次为10 min和20 min。破坏标准：第1级破坏标准为轴向应变达到12%和轴向压力稳定两者的先发生者；第2级和第3级破坏标准均为轴向压力稳定。通过试验证明淤泥质土的多级三轴试验克服了淤泥质土取样、制样的困难，获得的参数黏聚力略大，内摩擦角略小，但其结果仍在合理范围之内，未发生较大的偏差，经过修正可以有效地进行使用。该方法具有较好的应用前景，是一种经济可行的试验方法。

关键词：淤泥质土；强度再生；多级三轴试验；级数级差；固结时间；破坏标准；抗剪强度

中图分类号：TU42文献标志码：A

收稿日期：2014-10-30;修回日期:2015-02-02

作者简介：刘阳(1974-)，女，吉林公主岭人，高级工程师，硕士，主要从事水工结构方面的研究，(电话)0431-85622857(电子信箱)sunny-2099@163.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.018

1研究背景

抗剪强度是土工试验中一个重要的参数，其数值的获得直接指导工程实践。其中利用三轴试验可以较为真实地反映土样的抗剪强度。在很多规范中都要求必须使用三轴试验来测定土的抗剪强度。但是常规三轴试验中，至少需要3个试样才可以获得1个抗剪强度，这就限定了三轴试验的应用范围。在《土工试验规程》(SL237—1999)[1]和《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)[2]中都新增加了一个试样多级加荷试验的方法。运用此法可大大缩短操作时间，并且避免了试样之间的差异，所得的成果规律性较强，强度包线线性较好[3]。对于取样、制样困难而无法完成常规三轴试验的情况下，通过1个试样的多级三轴试验，就可以获得可信的参数，不仅可以减少取样、制样的工作量，而且降低了由于试样差异对试验结果的影响。但是2个规范中对多级三轴试验的适用条件不约而同地限定为硬土、低灵敏性土。对于软土、高灵敏性土的多级三轴试验却很少有人研究，本文通过对武汉江岸区长江一级阶地的淤泥质土(夹少量粉土)进行了多级三轴不固结不排水(UU)试验，评价了淤泥质土多级三轴试验的可行性，并且提出多级三轴试验应该注意的问题。

2淤泥质土强度再生理论

淤泥质土是在静水或非常缓慢的流水环境中沉积，并伴有微生物作用的一种结构性土，其广泛分布在长江中下游地区，它的含水量接近或超过液限；孔隙比>1，有的甚至高达2.5。

由于淤泥质土的这种高孔隙比特性，加之淤泥质土在其沉积形成过程中形成的一定的结构联接强度，原状土样在进行过一次剪切后，轴向作用力在施加的过程中，逐步破坏了这种结构强度。那么在单次剪切后施加比前一次剪切更大的周围压力，增加的围压不仅压缩了试样的孔隙体积，而且引起了土体微观结构的改变，土颗粒的排列较前一次剪切更为密实，土体骨架得到了加强，使其抵抗外界变形的能力也得到加强。

从微观结构上分析，土体的黏聚力来源于土颗粒的联结程度，内摩擦角则取决于土颗粒的排列组合形式。在多级三轴试验中，后2级剪切的围压显著大于第1级剪切，加上给予试样一个短暂的固结时间，由于未排水，试样的总体积没有增大，增加的围压使土颗粒之间的排列更为紧密，减少了土颗粒之间距离，增加了土颗粒之间的接触面积，从而使得土体抗剪强度增加。

黄志全等[4]通过试验对淤泥质土结构性对土强度的影响进行了试验研究，证明了淤泥质土部分重塑样和完全重塑样均有结构愈合现象，为淤泥质土的多级三轴试验提供了有力的理论支持。

3试验方法

3.1　试验准备

(1) 试验设备：SJ-1A.G三轴剪力仪(南京水利仪表厂),如图1。

图1　试验设备 Fig.1　Test equipment

(2) 试样数量：10组。

(3) 试验要求：所有试样均为长江一级阶地原状样，取样深度6.0～10.0 m。取样后立即送往实验室制样，并进行24 h反压饱和，如图2。

图2　试样反压饱和 Fig.2　Back pressure saturation of soil specimen

3.2　围压级差的确定

多级三轴试验的特点就是在不同的周围压力下，对同一个试样进行多次剪切。那么，能否将常规三轴试验的各级围压简单地移植到多级三轴试验的多级围压中？国内对此的研究较少，各个实验室由于相关实验做的较少，也很难确定各级级差。

本次多级三轴试验分别尝试3级剪切和5级剪切，各级级差分别为30 kPa和20 kPa。试验结果表明：对于强度比较低的软土而言，级差过大，会使得最后几级的周围压力过大，超过试样的承受范围，使试样发生压缩固结，甚至产生压破坏。这样必然会减少剪切的级数，使得剪切效果不理想。如果级差过小，增加的周围压力不能使试样的抗剪强度得以充分地再生，从而严重影响次一级的剪切效果；同时，过小的级差也使得各级轴向压力相差较小。另外，由于仪器的精度有限，级差过小会使得各级周围压力难以有效反映到压力室。也就是压力室的真实周围压力值会与仪表指示的数值存在误差。

从本次的试验效果来看，对比3级剪切和5级剪切，3级剪切获得的抗剪强度较为合理，5级剪切由于第4级、第5级围压超过100 kPa，围压致使试样发生压缩，得到的莫尔圆半径较大，使得c偏小、φ偏大。然后对比3级剪切级差分别为20 kPa和30 kPa，可以得出30 kPa的级差较为合适(见表1)。多级三轴试验各级级差的确定要考虑多方面的因素，包括试样的强度、强度的再生能力和仪器的极限与精度。

表1　确定级差、级数试验结果汇总 Table 1　Summary of the number and disparity of loading steps

国内有学者认为多级三轴试验第1级周围压力应该从50kPa或100kPa开始，以后各级按照第1级周围压力的1～3倍递增[5]。

通过试验表明：对于强度较低的淤泥质土，第1级周围压力不应>50kPa，各级级差为第1级周围压力的1～1.5倍为宜。这样不仅考虑到软土的承载能力较小，而且又给试样抗剪强度再生提供充分的外部条件，同时又利于试验的控制。就目前国内各个三轴实验室所采用的仪器而言，还不允许设置过小的级差。对于UU试验，级差不应过小，但是CU试验可以适当减小级差，增加级数，有利于绘制更多的莫尔圆。

通过比较论证决定采用3级围压，第1级围压30 kPa，第2级围压60 kPa，第3级围压90 kPa。

3.3　间隔时间的确定

本次多级三轴试验为不固结不排水剪切试验，理论上各级周围压力均不应给予固结时间。但是正是由于多级三轴试验是在一个试样上多次剪切，如果第1级周围压力下的剪切已将试样减至破坏，那么以后各级的剪切，剪切面的抗剪强度往往是土样的残余强度和周围压力提供的，失去了多级三轴试验的实际意义。

很多研究已经证明土体的固结度对土体抗剪强度有着较为明显的影响，但是当固结度<30%时，对土体抗剪强度的影响较小[6]。

对于已经剪切破坏的土样，在施加下一级轴向压力之前，应该给予较短的固结时间，特别是软黏土。经过一次剪切破坏后，施加更大的周围压力，能使剪切面上的抗剪强度迅速再生，主要原因是上一级剪切改变土颗粒的排列方式，新一级的周围压力使剪切面上的土颗粒完全或者大部分重新排列。因此，这种作用体现在宏观现象上，则为软质黏土抗剪强度再生，甚至使得下一级剪切发生在另一个剪切面上(见图3)。

图3 典型多级三轴剪切破坏状态(淤泥质土多级三轴(UU)试验)Fig.3 Failurestateoftypicalmultileveltriaxialtestonsiltysoil

如果施加各级周围压力后迅速施加轴向压力，就会使得试样的抗剪强度不能充分再生。因此，在保证固结度<30%的前提下，施加各级周围压力时，让试样经历较短的固结时间，使试样的抗剪强度大部分再生。这样一次多级三轴试验的结果就相当于多次常规三轴试验的总和。

本次多级三轴试验，施加第1级周围压力后立即剪切。后2级周围压力分别间隔时间为1 min和3 min。试验表明：间隔时间过短，后2级剪切是在第1级剪切的破坏面上再次发生，峰值主应力小于第1级剪切，未得到φ值。然后将间隔时间扩大为5 min和10 min，通过试验发现：增加间隔时间后，改善了第1级剪切对试样的影响，后2级剪切的峰值主应力略大于第1级，但是获得的φ还是较小(见表2)，说明各级的间隔时间还较短，应该在各级周围压力下间隔10～20 min，这样可能剪切效果会更为理想。根据试验情况决定间隔时间依次为10，20 min。

表2　确定间隔时间试验结果汇总 Table 2　Summary of the time of consolidation determined by the test

3.4　破坏标准的确定

在常规三轴试验中，一般取试样的轴向应变ε1<25%，实际操作中一般取轴向应变ε1在20%以内的抗剪强度为有效值。因为当试样的轴向应变ε1>20%后，试样会受到比较大的扰动。在多级三轴试验中，同样也应该控制试样的轴向总应变不应超过20%。然而多级三轴试验中，第1级的轴向应变ε1往往会达到轴向总应变的60%～80%。因此，在多级三轴试验中很难掌握各级的破坏标准，即什么时候停止施加轴向压力，施加下一级周围压力。笔者总结了以下几种方法。

3.4.1轴向压力稳定或者趋于稳定

方法源于《土工试验规程》(SL237—999)[1]，其优点是利于试验操作，轴向压力通过轴向测力计直观的读取，可以方便及时地控制试验进度；缺点是在第1级剪切中，轴向压力稳定后，一般试样已经完全剪切破坏，试样的后期的强度再生受到一定的影响，会使得第1级的轴向应变ε1较大，从而限制了后几级的轴向应变。

3.4.2人为限定各级轴向应变的最大值

在《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)[2]中没有对试样的破坏标准加以说明。在《土工试验规程》(SD 128—84)[7]中，曾试行过3.4.1节中的破坏标准，但是在新国标中却去除了破坏标准的阐述，说明目前就破坏标准的讨论还没有统一。

国内有部分学者提出，认为限定三轴试验3级轴向应变分别为10%，15%，18%[3]。这样可以通过监测三轴仪的轴向位移计来控制试验的进程，不失为一种方便可行的方法。但是，人为地限定轴向应变，会使得试样在某级剪切中发生没有达到剪破坏或者完全剪破坏[8]。例如，如果在第1级轴向应变达到10%，但是试样还未发生剪破坏，这样得到的第1个莫尔圆会偏小，使得φ值偏大，c值偏小。

3.4.3综合2种方法确定试样破坏标准

本次试验采用3.4.1节的破坏标准，即轴向测力计示数趋于稳定时，停止加荷，开始施加下一级周围压力。 试验结果如表3。

表3　确定破坏标准试验结果汇总 Table 3　Summary of the criterion of damage determined by the test

通过试验表明：在以后的多级三轴试验中，应该参考2种破坏标准，试做1～2个试样，确定试样在各级剪破坏所对应的轴向应变范围。然后在后续试验中按照3.4.2节的破坏标准进行控制，同时若试样未达到限定的轴向应变时轴向测力计就已经稳定，也可以认为试样已经剪破坏，应及时停止施加轴向压力。

通过2个试样的比较，认为淤泥质土多级UU第1级破坏标准为轴向应变达到12%和轴向压力稳定两者的先发生者，第2级和第3级破坏标准均为轴向压力稳定。

4试验结果及分析

4.1　试验土样物理性质

本次试验所用试样的物理性质见表4。

表4　试验土样物理性质参数 Table 4　Physical parameters of test soil samples

4.2　多级三轴与常规三轴试验结果

本次多级三轴试验共设置10组，每组分别进行多级三轴和常规三轴试验，试验结果见表5。

一般情况下UU试验，在剪切过程中试样没有排水，不论围压多大，试样破坏时土的抗剪强度和有效应力必相等，因此UU试验的抗剪强度包络线为一条直线，只能得到试样的黏聚力cu,而φu=0。但是对于淤泥质土这种高孔隙比的结构性土，即使进行了24 h的反压饱和，其饱和度也很难达到100%。在试样的内部还存在大量空气，那么在加压过程中，试样的抗剪强度会有所增长，所得到的抗剪强度包络线为一条曲线，待试样饱和后才回趋于水平。淤泥质土这种极易变形的结构性土，剪切过程极为短暂，往往试样还没有被压缩至饱和就已经发生破坏，使得淤泥质土的常规三轴试验的φu≠0，但是这并不影响其抗剪强度的有效性。UU试验这种试验方法，并不是意味着试样就没有摩擦强度，只不过摩擦强度隐含于黏聚强度内，淤泥质土的UU试验的这种结果同样是有一定参考价值。同时用于多级三轴试验的试样与常规三轴完全一致，本文仅通过对比探讨多级三轴试验的结果与常规三轴试验的结果，说明多级三轴试验的可行性和可信度。

表5　多级三轴试验结果汇总 Table 5　Summary of multilevel triaxial test results

通过对比多级三轴试验和常规三轴试验的结果，不难发现：多级三轴获得参数较常规三轴c值偏大，φ值偏小，多级三轴第1级剪切与常规三轴基本一致，而后2级剪切是在第1级剪切破坏的基础上进行的，致使后2级的峰值主应力略小于同等围压下的常规三轴试验，见图4；对比多级和常规三轴试验的应力-应变曲线不难发现，在第1级剪切中试样的峰值主应力十分接近，而在后2级剪切中多级三轴的峰值主应力均略小于常规三轴试验，而且多级三轴试验不会出现明显的峰值主应力，我们认为轴向主应力差趋于稳定时试样就已经破坏或接近破坏。

图4　多级三轴试验和常规三轴试验的应力-应变曲线 Fig.4　Stress-strain curves of multilevel triaxial test and conventional triaxial test

图5　多级三轴试验和常规三轴试验应力莫尔圆 Fig.5　Mohr’s circles of multilevel triaxial test and conventional triaxial test

对比多级和常规三轴的应力莫尔圆可以发现(见图5)，多级三轴试验第1级剪切的应力莫尔圆与常规三轴的莫尔圆的大小、位置很接近，而后2级剪切的莫尔圆半径略小于常规三轴试验。因此多级三轴试验较常规三轴试验得到的c值略大，φ值略小。

国内外对多级三轴试验的研究较少，同时部分规范中又没有解释多级三轴试验控制条件，使得多级三轴的应用受到了一定局限。通过试验表明，多级三轴试验具有很大的灵活性，对于不同类型的土样，其控制条件也不尽相同。在进行多级三轴试验之前，需要预先进行试剪切，用于确定试验控制条件和破坏标准。从对比数据中也可以发现，多级三轴获得参数仍在合理范围之内，未发生较大的偏差，具有较好的利用价值，也可以经过修正后用于计算。

淤泥质土含水量较大、灵敏度较高，通过精确控制试验条件，利用多级三轴试验方法，可以利用较少的试样获得较多的可信参数，在一定程度上减少了试验过程中取样、制样的工作量，提高了试验的效率。

5结语

本文通过对淤泥质土进行多级三轴试验，探讨了多级三轴在实际操作中的可行性及多级三轴试验中应注意的关键问题：多级三轴试验中级差应控制在30 kPa，级数为3级，固结时间依次为10 min和20 min；第1级破坏标准为轴向应变达到12%和轴向压力稳定两者的先发生者，第2级和第3级破坏标准均为轴向压力稳定。且对于不同类型的土样，其控制条件也不尽相同。在进行多级三轴试验之前，需要预先进行试剪切，用于确定试验控制条件和破坏标准。

试验表明：多级三轴试验克服了类似淤泥质土等软土的取样、制样困难，提高了试验效率，获得参数仍在合理范围之内(多级三轴试验较常规三轴试验得到的c值略大，φ值略小)，未发生较大的偏差，具有较好的应用前景，是一种经济可行的试验方法。

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(编辑：姜小兰)

Discussion of Multilevel Triaxial Test on Silty Soil

HU Zhi-qiang, XIAO Shi-rong, WANG Xiang-yu, LU Shi-xuan

(College of Civil Engineering and Architecture, China Three Gorges University, Yichang443002, China)

Abstract:It is troublesome to collect and prepare specimens of silty soil in practice, posing difficulties to obtaining parameters. In this paper we discuss the feasibility and pivotal problems of multilevel tri-axial test on silty soil. We summarize that the number of loading steps is 3 and the disparity among steps should be controlled within 30kPa. The time of consolidation are 10 minutes and 20 minutes respectively. As for failure criterion, the first stage failure is determined to be when axial strain reaches 12% or when axial pressure gets stable; the second and third stage failure are both determined when axial pressure gets stable. The tests in this paper prove that multilevel triaxial test could overcome the difficulties of collecting and preparing silty soil specimens, and the obtained parameters are reasonable with slight deviations: the cohesion is slightly larger and internal friction angle is slightly smaller. These parameters could be adopted after correction, and the multilevel triaxial test is proved to be an economical and feasible method.

Key words: silty soil; strength recycled; multilevel triaxial test; number and disparity of loading steps; time of consolidation; failure criterion; shear strength

《三峡水库温室气体通量监测与分析研究》

项目启动会议在北京召开

2015年3月12日，《三峡水库温室气体通量监测与分析研究》项目组在北京外国专家大厦召开了项目启动会议，会议由项目负责人长江科学院空间信息研究所所长谭德宝教授级高级工程师主持，参加此次会议的有中国长江三峡集团公司、中国科学院重庆绿色智能技术研究院、中国水利水电科学研究院、三峡大学等单位的专家代表。会议对项目工作组织方案、技术要求和质量保障方案、基础研究实施方案、国际合作方式和国际会议方案进行了讨论，确定了野外观测活动的时间、范围以及观测仪器标准等内容。甲方代表中国长江三峡集团公司科技与环境保护部杨洪斌副主任对项目的实施提出了明确的要求，希望项目组成员加强沟通和密切合作，按时完成项目的预期目标。

该项目是由长江科学院牵头组织实施，联合中国科学院重庆绿色智能技术研究院、中国水利水电科学研究院、三峡大学等科研机构共同开展的。项目的主要任务和目标是在三峡水库开展水库温室气体通量监测与分析，掌握三峡水库温室气体源汇变化的基本规律，开展水库温室气体源汇变化重要过程、关键界面和影响因素的基础研究工作，同时与国际水电协会开展监测方法和机理模型等方面的国际合作，举办第一次水库碳循环与碳通量国际学术会议，提高国内水库温室气体源汇变化领域的研究水平。

(摘自：长江水利科技网)

2015,32(04):92-95，100