2.6　三軸抗剪試驗研究

2.6.1　破壞形態及應力應變關系

不固結不排水情況下，試件在各級恒定圍壓下，隨著軸向荷載的不斷增大最后發生剪切破壞，從破壞試件本身可以看出：

（1）試件在剪切破壞過程中，向周圍膨脹，表現出較為明顯的剪脹特征。

（2）部分試件受剪切后，呈現出較為明顯的剪切破壞面，如圖2.6-1所示，但部分試件破壞后剪切破壞面不太明顯，或成散粒狀態。分析原因，膠凝砂礫石材料具有較為明顯的脆性破壞特性，這是由于在正應力與剪應力共同作用下，試塊顆粒間發生錯動和擠壓，使顆粒排列趨于某一方向運動，最終形成一個軟弱剪切面，試樣沿著這一剪切破壞面破壞；而在砂率較大的情況下，試件內部骨料顆粒之間的填充物主要是砂，試樣在剪切破壞后，骨料顆粒間的錯動排列呈現不規則，形成的剪切破壞面不固定，破壞后試樣成散粒狀。

（3）試件基本從膠結面剪切破壞，骨料一般不會破碎。分析原因，膠凝砂礫石材料不同于混凝土材料，主要是通過膠凝材料將骨料膠結在一起，在受到破壞荷載的情況下，首先受到破壞的是顆粒間膠結材料，骨料不會破碎。

膠凝砂礫石材料是一種典型的彈塑性材料，具有明顯的非線性、應變軟化和剪脹性等特征。在低應力水平下表現出線彈性性質，隨著應力逐步增大進入塑性階段，直至達到峰值強度，此后，隨著應變的增大應力降低，體現出明顯的軟化特征，最終趨于殘余強度。圖2.6-2為水泥用量50kg/m3、粉煤灰摻量40kg/m3、水膠比1.0、砂率0.2時不同圍壓下三軸試驗得到的應力應變曲線。

經試驗分析可得以下結論。

（1）應力應變曲線總體上可以分為以下3個階段。

1）近似直線段。從開始加載到應力達到膠凝砂礫石材料極限強度的75%左右時，試件應力隨應變基本呈線性增長，當應變在1%左右時達到彈性極限強度，該強度也可稱為屈服強度。應變在0～1%階段內，膠凝砂礫石材料可近似地看作線彈性材料。

2）曲線上升段。隨著應變的繼續增加，當應力超過材料的彈性極限強度時，應力隨應變的增加緩慢增加，增加幅度明顯減小，材料表現出非線性特征，此時試件表面開始出現裂縫，數量較少；當試件應力接近膠凝砂礫石材料的極限強度時，試件裂縫數量增加，裂縫寬度增大，試件表面裂縫大部分為豎向裂縫，內部已開始從膠結面處大致呈45°開裂；當試件應力達到極限強度時，試件嚴重開裂以致不能承受更大的外荷載，此時極限強度稱為峰值強度，相應的應變稱為峰值應變。從曲線可以看出，當應變值在2%左右時材料達到峰值強度。

3）曲線下降段。超過峰值強度后，試件開裂嚴重，以致材料處于失穩擴展狀態，因而其承受荷載的能力下降。隨著應變的增加，起初應力快速下降，試件逐漸向周圍擴展，體積膨脹，表現出較明顯的剪脹特性；繼續對試樣施加壓力，變形的增大致使剪切位移克服了顆粒之間的咬合作用，顆粒結構崩解松散，凝聚力下降很快，但試件仍然能夠承受一定的外荷載；當應變超過9%時，隨著變形的增大，材料強度基本保持不變，趨于一個定值，即殘余強度。

（2）在同一膠凝含量和水膠比下，隨著軸心抗壓強度或立方體抗壓強度的增加，曲線屈服強度和峰值強度基本上也隨之增加。

2.6.2　結果與分析

在三軸試驗應力應變曲線中，當圍壓為0時，對應的峰值強度可認為是其軸心抗壓強度，故按軸心抗壓強度的大小排列試驗曲線數據，研究曲線各特征強度與圍壓的關系。

2.6.2.1　峰值強度與圍壓的關系

根據應力應變曲線，隨著圍壓的升高，材料破壞時峰值強度也隨之提高，同時，隨著軸心抗壓強度的增加，對應的三軸抗剪強度也在增加。為探尋圍壓、峰值強度和軸心抗壓強度之間的關系，對測得的三軸試驗曲線進行數據擬合分析，結果見表2.6-1和表2.6-2。

由表2.6-1和表2.6-2可以看出，隨著圍壓的增大，膠凝砂礫石材料破壞時峰值強度也隨之增大，兩者呈現出較為明顯的線性相關性。

2.6.2.2　屈服強度與圍壓的關系

根據三軸試驗應力應變曲線，隨著圍壓的升高，材料的屈服強度也隨之提高。對三軸試驗曲線屈服強度與圍壓進行擬合分析，結果見表2.6-3。

由表2.6-3可以看出，膠凝砂礫石材料三軸試驗中，隨著圍壓的增大，材料屈服強度也隨之增大，兩者呈現出較為明顯的線性相關性。

同時，結合表2.6-1、表2.6-2和表2.6-3可以看出，屈服強度與圍壓的擬合直線的斜率與截距為峰值強度與圍壓的擬合直線的斜率與截距的75%左右。

2.6.2.3　殘余強度與圍壓的關系

根據三軸試驗應力應變曲線，隨著圍壓的升高，材料的殘余強度也隨之提高。對三軸試驗曲線殘余強度與圍壓進行擬合分析，結果見表2.6-4。

由表2.6-4可以看出，膠凝砂礫石材料三軸試驗中，隨著圍壓的增大，材料殘余強度也隨之增大，兩者呈現出較為明顯的線性相關性。

2.6.2.4　膠凝砂礫石材料抗剪指標與抗壓強度的關系

結合三軸試驗應力應變曲線，繪制摩爾-庫侖圓，依據摩爾-庫侖原理，求得材料抗剪強度指標值：凝聚力與內摩擦角。

為了進一步研究膠凝砂礫石材料一維應力狀態下立方體抗壓強度與二維應力狀態下三軸抗剪強度的關系，將立方體試塊28d抗壓強度與同一配合比下的三軸抗剪強度指標進行對應，結果見表2.6-5。

對表2.6-5中數據進行曲線擬合，如圖2.6-3和圖2.6-4所示。

由圖2.6-3和圖2.6-4中可以看出，隨著膠凝砂礫石材料立方體抗壓強度的增加，其三軸抗剪強度也在增加，具體表現在凝聚力c值和內摩擦角φ值的增加，圖中分別用冪函數和多項式對數據進行了擬合，相關性較高。

2.6.2.5　固結排水試驗

（1）試驗步驟。飽和試樣采用期齡28d的試樣進行浸泡飽和，并在三軸儀上進行反壓飽和并固結。試驗開始前應先對試樣進行抽氣飽和，抽氣過程中會邊抽氣邊進水，抽氣一段時間保持真空度穩定后，待抽氣筒內水面無氣泡冒出時即停止抽氣，并釋放抽氣缸內真空，之后保持試樣在水中靜置10h以上，隨后再進行試驗，其具體操作步驟如下。

1）裝樣。裝樣步驟同不固結不排水試驗（唯一不同的是，試樣下部放置的是透水墊片），裝樣前應先用球閥將底座和試樣帽上的透水石充水飽和，防止試樣在剪切排水過程中試件內的部分水滲入透水石以致測出的體積不準。待綁扎好試樣后，用球閥吸水將儀器底部（與外界反壓管閥也連通）與試樣上下兩端連通的反壓管內空氣排凈，以免管內空氣進入試樣。

2）反壓飽和。反壓飽和步驟除了與不固結不排水試驗加壓步驟中“將圍壓管和反壓管依次與儀器上相對應的開關閥相連并開啟”之前相同外，同時應將壓力/體積控制器上與反壓管閥相連通的排水管閥打開，并將CATS軟件程序選中“飽和”，先對試樣施加50kPa的周圍壓力預壓，之后分級施加圍壓與反壓（施加反壓過程中始終保持圍壓比反壓大50kPa），運行程序，直到設定的飽和度B（孔隙壓力系數）滿足要求為止（鑒于該材料與土還存在較大的差異，飽和度B可能不會太大）。

3）固結。待飽和完成后，調節圍壓與反壓數值，使二者差值滿足所需數值（差值與有效圍壓接近），將CATS軟件程序選中“固結”，運行該程序直到試件體積不發生變化，表示固結已完成。

4）固結排水。待固結完成后，針對固結過程中施加的周圍壓力（分別為0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa），這里，圍壓指有效周圍壓力，即電腦上圍壓讀數與反壓讀數之差，在允許試樣有水排出的情況下，逐漸增大軸向荷載直至試件破壞，輸出數據。

（2）結果分析。以配比中水泥用量50kg/m3、粉煤灰摻量40kg/m3、水膠比1.2、砂率0.4為例來探討有關固結排水的情況，固結排水應力應變關系曲線如圖2.6-5所示，軸向應變與體積應變曲線如圖2.6-6所示。

從圖2.6-5軸向應變與體積應變關系曲線中可以看出，在固結排水剪中，膠凝砂礫石材料的體積隨應力應變的變化而變化，起初體積隨偏應力的增加而減小，且減小幅度越來越小，當減小至0以后，壓力再增大時，試樣呈現出剪脹特征。體積應變分為剪脹和剪縮兩類，表現在排水剪中，體縮變形則排水，體脹變形則吸水。在一般情況下，材料先呈現剪縮變形，之后，隨著應變的逐漸增大，剪脹變形越來越明顯。在同一配合比下，圍壓越大，剪縮變形越大；相反地，圍壓越小，剪脹變形越大。

由于膠凝砂礫石材料由膠凝材料、砂礫石和砂組成，且砂礫石顆粒大小不一，由于顆粒本身強度很高，再加上顆粒與膠凝材料的膠結作用，材料的抗剪強度主要由膠凝材料與顆粒間的黏結力、顆粒間的咬合力和摩擦阻力組成。在剪切過程中，由于受到軸向荷載這一外力作用，引起顆粒沿剪切面方向移動或滾動，出現體變。起初由于顆粒間凝聚力很大，要克服剪應力發生剪切破壞，外力提供的軸向荷載一般較大，從試件破壞過程可以看出，試件最后剪切破壞時，顆粒一般不會破碎，剪切破壞的發生一般是隨著變形的增大，剪切位移克服了顆粒之間的咬合作用，顆粒結構崩解松散，凝聚力下降很快，最后，由于內摩擦力還在發揮作用，使試樣還能承受一定的外荷載。

在排水剪切過程中，當圍壓較小時，阻礙顆粒移動的阻力就相對變小，最后剪脹變形就越大，發生剪脹變形的結果，會導致材料整體結構變松，強度明顯削弱，反映在應力應變曲線上即為應變軟化型。

2.6.2.6　K-G試驗

根據《土工試驗規程》（SL 237—1999）“土的變形參數試驗”，對于三維應力狀態，引入球應力p與偏應力q兩個分量反映土的復雜應力狀態，而體積模量K和剪切模量G分別反映了土體在球應力和偏應力作用下的彈性性質。對于膠凝砂礫石材料而言，當膠凝材料含量較低時，力學性能與土體材料有相似之處，為此進行K-G試驗研究，探討膠凝砂礫石材料在三維應力狀態下的力學特性。

試驗采用LY-C型拉壓真三軸儀設備，試件尺寸為150mm×150mm× 150mm，設備單軸最大壓力為450kN，單軸最大拉力為75kN，活塞行程為50mm。

以配比中水泥用量40kg/m3、粉煤灰摻量40kg/m3、水膠比1.0、砂率0.2為例進行試驗。

（1）試驗步驟。

1）切線體積模量Kt。根據q＝0，即σ1＝σ2＝σ3等向固結排水，作體積應變與正應力曲線，即εv-p（lnp）曲線，

2）切線剪切模量Gt。剪切模量Gt的試驗是先使土樣在三向等壓條件下固結至某平均正應力p，然后在p＝常數的條件下做排水的三軸剪切試驗把試件剪切至破壞，在剪切的過程中dp＝0，即不變，作剪應變與偏應力曲線，即εd-q曲線，

（2）試驗結果。試塊等向壓縮應力應變值見表2.6-6。

根據試驗結果，圖2.6-7和圖2.6-8中給出了平均正應力與體積應變的擬合曲線和剪應變與偏應力的擬合曲線，根據擬合曲線即可求出切線體積模量Kt和切線剪切模量Gt。