砂土内摩擦角的两种试验方法对比

(苏州昱创流体科技有限公司 江苏 苏州 215636)

摘要：*，内摩擦角是砂土的一个重要的强度指标，而直剪试验和三轴剪切试验是获得砂土内摩擦角的两种重要的土工试验方法。土的强度指标的大小与试验方法、土的性质（包括密实状态、颗粒级配等）以及应力历史等因素有关。本文采用同一种标准砂，对比研究了土工试验中应用普遍的直剪试验和三轴剪切试验得到的内摩擦角。结果表明，由于仪器结构、试样应力状态以及剪切破坏面的不同，三轴剪切试验得到的内摩擦角的平均值比直剪试验强度大27%左右。

关键词：砂土 内摩擦角 直剪试验 三轴剪切试验

Comparison of friction angle of sand obtained by two test methods

Suzhou Yuchuang Fluid Technology Co., Ltd., Jiangsu Suzhou 215636, China;

Abstract: It is well know that friction angle is a very important strength parameter of sand and triaxial shear test and direct shear test are two commonly used methods to obtained this parameter. The test results of friction angle is influenced by test methods, soil properties(including density state and particle grading) and stress history. Using the same standard sand，the friction angle obtained by triaxial shear test and direct shear test are compared. The results show that due to the differences of instrument structure, stress conditions and shear failure surfaces，the average friction angle obtained by  triaxial shear test are almost 30% higher than that obtained by direct shear test .

Key words: Sand, Friction angle , Direct shear test, Triaxial shear test

一、引言 

在工程实践中，建筑物地基和土工构筑物产生破坏情况，是因为土体在自重应力和附加应力作用下，土中剪应力达到土的抗剪强度峰值。该土体所谓处于极限平衡状态。当外部荷载不断增大。连成一个滑动面，也就是一部分土体对另一部分土体产生相对移动，即为土的剪切破坏。因此土的强度问题的研究一直在工程实践或在土力学研究中，作为重要的课题之一。

内摩擦角是砂土的一个重要的强度指标，而直剪试验和三轴剪切试验是获得砂土内摩擦角的两种重要的土工试验方法。土的强度指标的大小与试验方法、土的性质（包括密实状态、颗粒级配等）以及应力历史有关。

二、试验仪器和试验方法

图1  昱创四联电机式直剪试验仪

2.1、直剪试验 

本次试验采用本公司生产的四联电机式直剪仪。固结压力0~1000kPa，剪应力为0~1000kPa，剪切位移0~8mm，剪切速率0.001~4mm/min，能够满足快剪、固结快剪、慢剪等试验，以慢速度24h土的相对位移1.44mm，如果剪切位移6mm，大概四天剪切完成。根据土的性质和试验要求，剪切速率可以任意调整。例如这次砂土试验采用剪切速率为0.048mm/min，大约一个半小时。这对于砂土来说也已足够慢了。

电机式直剪试验其优点是体积紧凑、操作方便、出力准确、自动化程度高，可以限制剪切位移、进退正确，试验过程中数据采集储存不需要电脑采集，当一旦几组试验结果出来，即可导入计算机处理结果。

在本次对比试验中，直剪试验一共做了21组试验，每组试验四个土样，分别施加100、200、300、400kPa固结压力。21组试验平均Φ值为29.88°。

图2  全自动三轴试验仪

（Quadruple multifunctional triaxial tester）

2.2、三轴试验 

三轴试验仪又称三轴剪力仪，可以单联也可以四联结构。四联结构为四个压力室置于同一台加荷平台上，由轴向力推动加荷平台向四个压力施加相同应变剪切位移，由于四个压力室承受四个不同围压，因此四个不同的剪应力与四个不同围压关系，就能得到四组莫尔圆，就能获得莫尔包线和强度参数。

由于人工智能型三轴剪力仪自动化程度高，整个过程毋需人工操作。在一般情况下，三轴仪围压0~1000kPa，孔压0~1000kPa。排水量由体变传感器测量，对于土样直径为39.1，则轴向应力为0~2.5MPa。对于不同的深度土样和试验要求时仪器上选用适合的互为匹配的荷重传感器。例如围压在1500kPa，土样面积30cm²，那么荷重传感器就选用20kN。

在本次对比试验中，三轴试验一共做了14组试验，每组试验四个土样，分别施加100、200、300、400kPa周围压力，剪切速率为0.05mm/min。14组试验平均Φ值为37.99°，比直剪试验结果大27%。

2.3、砂样的制备 

对于直剪试验称取一定重量的标准砂，通过漏斗徐徐注入剪切盒。并在试样顶部加上透水板传压活塞采用施加气压加荷装置，按100、200、300、400kPa施加固结压力。

对于三轴试验，我们选择土样直径39.1mm，高度为80mm的制样器（筒）内，称取一定质量的标准砂，通过漏斗徐徐注入乳胶薄膜内，装好土样帽，经微型真空泵的抽泄空气后，拆开对开模施加围压100、200、300、400kPa。

2.4、试样方法

直剪试验和三轴剪切试验，对于砂土来说，固结时间为30分钟，直剪剪切速率为0.048mm/min，在120分钟完成试验；三轴剪切速率为0.05mm/min，在200分钟完成试验。

三、试验曲线及结果

3.1部分直剪试验曲线

图3  一组直剪曲线

（The first group of direct shear curves）

图4  第二组直剪曲线

（The second group of direct shear curves）

图5  第三组直剪曲线

（The third group of direct shear curves）

3.2 部分三轴试验曲线

图6  一组三轴

（The first group of triaxial curves）

图7  第二组三轴

（The second group of triaxial curves）

图8  第三组三轴

（The third group of triaxial curves）

3.3直剪仪及三轴试验的试验结果     

四、结论

1、两种强度试验仪器的研发，是本公司创新科技的结果，具有体积紧凑、操作简便、试验正确稳定、自动化程度高，具有时代特色的人工智能仪器。

2、土的抗剪强度和试验仪器、试验方法、土的基本性质以及试验技术有着密切关系，目前国内使用的强度试验仪还是比较传统的方法，需要进一步研究和创新发展。特别是直剪仪的剪切面积，在剪切过程中不断缩小，因此导致实际强度偏小；还有剪切试验中固结压力不能满足高层建筑和深层地基试验要求，建议在创新研发中需要加以改进和提高。

3、两种强度试验仪器比较，试验结果比较吻合，同时表明三轴试验的强度比直剪试验强度提高27%左右。

参考文献：

1.中华人民共和国国家标准《土工试验方法标准》GB/T 50123-2019 中国计划出版社

2.土木工程实训实验技术手册 同济大学出版社 1995.5 唐益群、叶为民

3.土工试验与原理 同济大学出版社 1992.2 杨熙章