2　單剪試驗研究顆粒破碎的優勢

直剪試驗的示意圖如圖1（a）所示，將試樣裝入由上下兩部分構成的剪切盒內，首先施加垂直壓力，然后沿著水平方向施加剪切力，在上下剪切盒之間形成剪切破壞面。單剪試驗示意圖如圖1（b）所示，試樣裝入剪切盒中，同樣施加垂直力和水平剪切力，但是試樣在每個剪切環之間都有剪切變形，是一種整體剪切破壞的形式。

圖1　試驗示意圖

單剪試驗和直剪試驗有明顯的差別，吳明等[10]在其研究中做過詳細的闡述，主要體現在單剪試驗克服了直剪試驗預先規定剪切面的缺點，試樣的剪切破壞是整體破壞，剪應變分布非常均勻，可以測試排水或不排水條件下的強度與剪切模量，單剪試樣的應力條件較直剪試驗更好，可以改善直剪試驗剪切面上剪應力分布不均勻、土樣剪切破壞先從邊緣開始、在邊緣發生應力集中、中間試樣出現斜剪等的問題。

珊瑚砂是一種容易發生顆粒破碎的特殊砂土，顆粒之間接觸力的升高和顆粒之間的相對運動是導致珊瑚砂發生顆粒破碎的兩個主要原因，當進行直剪試驗時，由于預先規定的單一剪切面，所以試樣中發生相對剪切位移的區域是比較少的，集中在剪切面的附近，如圖2所示。在大部分區域內顆粒未發生充分相對運動，因此試驗完成之后，試樣中僅有部分區域的顆粒產生了較充分的破碎。如果將此試驗結果用于研究剪切作用導致的顆粒破碎，那么其結果顯然是不準確的，會導致顆粒破碎程度的降低。在單剪試驗中，每個剪切環之間都有相對位移，所以整個試樣的絕大部分區域內剪切應變都是一致的，對于研究剪切作用下珊瑚砂的顆粒破碎是一種更準確有效的方法。

圖2　直剪試樣變形圖

本次試驗采用的是英國GDS公司生產的EMDCSS循環動單剪儀，設定試驗參數后該儀器可以實現全自動的單剪及循環單剪的試驗，并實現數據的高精度采集。剪切盒共有30個重疊的剪切環，每個環的內徑為50mm，高度為1mm，表層涂有特富龍材料可以有效降低摩擦，并提供良好約束條件用于維持K0應力狀態。試驗設計方案見表1。

表1　試驗設計方案

試驗所采用的試樣（圖3）取自我國海南省三沙市某珊瑚島礁，取樣現場處于海平面以上，大部分情況下為非飽和狀態，當遇到大風浪時會出現海水淹沒的情況，從而變成飽和狀態。本次試驗的試樣采用了15%的天然含水率，試樣分層裝入并擊實，控制試樣的密實度達到0.7。為了保證各組試樣初始顆粒級配的統一，首先稱量出所有試驗所需的試樣量，將試樣充分攪拌后平均分成6份，將其中一份作為原始樣本，其余5份分別進行100kPa、500kPa、1000kPa、1500kPa，2000kPa法向應力的單剪試驗，開展較高法向應力的單剪試驗是為了便于顆粒破碎的產生，試驗采用的剪切速率為1mm/min，最大剪切位移達到10mm。

圖3　試驗所用的試樣