2.6　三轴抗剪试验研究

2.6.1　破坏形态及应力应变关系

不固结不排水情况下，试件在各级恒定围压下，随着轴向荷载的不断增大最后发生剪切破坏，从破坏试件本身可以看出：

（1）试件在剪切破坏过程中，向周围膨胀，表现出较为明显的剪胀特征。

（2）部分试件受剪切后，呈现出较为明显的剪切破坏面，如图2.6-1所示，但部分试件破坏后剪切破坏面不太明显，或成散粒状态。分析原因，胶凝砂砾石材料具有较为明显的脆性破坏特性，这是由于在正应力与剪应力共同作用下，试块颗粒间发生错动和挤压，使颗粒排列趋于某一方向运动，最终形成一个软弱剪切面，试样沿着这一剪切破坏面破坏；而在砂率较大的情况下，试件内部骨料颗粒之间的填充物主要是砂，试样在剪切破坏后，骨料颗粒间的错动排列呈现不规则，形成的剪切破坏面不固定，破坏后试样成散粒状。

（3）试件基本从胶结面剪切破坏，骨料一般不会破碎。分析原因，胶凝砂砾石材料不同于混凝土材料，主要是通过胶凝材料将骨料胶结在一起，在受到破坏荷载的情况下，首先受到破坏的是颗粒间胶结材料，骨料不会破碎。

胶凝砂砾石材料是一种典型的弹塑性材料，具有明显的非线性、应变软化和剪胀性等特征。在低应力水平下表现出线弹性性质，随着应力逐步增大进入塑性阶段，直至达到峰值强度，此后，随着应变的增大应力降低，体现出明显的软化特征，最终趋于残余强度。图2.6-2为水泥用量50kg/m3、粉煤灰掺量40kg/m3、水胶比1.0、砂率0.2时不同围压下三轴试验得到的应力应变曲线。

经试验分析可得以下结论。

（1）应力应变曲线总体上可以分为以下3个阶段。

1）近似直线段。从开始加载到应力达到胶凝砂砾石材料极限强度的75%左右时，试件应力随应变基本呈线性增长，当应变在1%左右时达到弹性极限强度，该强度也可称为屈服强度。应变在0～1%阶段内，胶凝砂砾石材料可近似地看作线弹性材料。

2）曲线上升段。随着应变的继续增加，当应力超过材料的弹性极限强度时，应力随应变的增加缓慢增加，增加幅度明显减小，材料表现出非线性特征，此时试件表面开始出现裂缝，数量较少；当试件应力接近胶凝砂砾石材料的极限强度时，试件裂缝数量增加，裂缝宽度增大，试件表面裂缝大部分为竖向裂缝，内部已开始从胶结面处大致呈45°开裂；当试件应力达到极限强度时，试件严重开裂以致不能承受更大的外荷载，此时极限强度称为峰值强度，相应的应变称为峰值应变。从曲线可以看出，当应变值在2%左右时材料达到峰值强度。

3）曲线下降段。超过峰值强度后，试件开裂严重，以致材料处于失稳扩展状态，因而其承受荷载的能力下降。随着应变的增加，起初应力快速下降，试件逐渐向周围扩展，体积膨胀，表现出较明显的剪胀特性；继续对试样施加压力，变形的增大致使剪切位移克服了颗粒之间的咬合作用，颗粒结构崩解松散，凝聚力下降很快，但试件仍然能够承受一定的外荷载；当应变超过9%时，随着变形的增大，材料强度基本保持不变，趋于一个定值，即残余强度。

（2）在同一胶凝含量和水胶比下，随着轴心抗压强度或立方体抗压强度的增加，曲线屈服强度和峰值强度基本上也随之增加。

2.6.2　结果与分析

在三轴试验应力应变曲线中，当围压为0时，对应的峰值强度可认为是其轴心抗压强度，故按轴心抗压强度的大小排列试验曲线数据，研究曲线各特征强度与围压的关系。

2.6.2.1　峰值强度与围压的关系

根据应力应变曲线，随着围压的升高，材料破坏时峰值强度也随之提高，同时，随着轴心抗压强度的增加，对应的三轴抗剪强度也在增加。为探寻围压、峰值强度和轴心抗压强度之间的关系，对测得的三轴试验曲线进行数据拟合分析，结果见表2.6-1和表2.6-2。

由表2.6-1和表2.6-2可以看出，随着围压的增大，胶凝砂砾石材料破坏时峰值强度也随之增大，两者呈现出较为明显的线性相关性。

2.6.2.2　屈服强度与围压的关系

根据三轴试验应力应变曲线，随着围压的升高，材料的屈服强度也随之提高。对三轴试验曲线屈服强度与围压进行拟合分析，结果见表2.6-3。

由表2.6-3可以看出，胶凝砂砾石材料三轴试验中，随着围压的增大，材料屈服强度也随之增大，两者呈现出较为明显的线性相关性。

同时，结合表2.6-1、表2.6-2和表2.6-3可以看出，屈服强度与围压的拟合直线的斜率与截距为峰值强度与围压的拟合直线的斜率与截距的75%左右。

2.6.2.3　残余强度与围压的关系

根据三轴试验应力应变曲线，随着围压的升高，材料的残余强度也随之提高。对三轴试验曲线残余强度与围压进行拟合分析，结果见表2.6-4。

由表2.6-4可以看出，胶凝砂砾石材料三轴试验中，随着围压的增大，材料残余强度也随之增大，两者呈现出较为明显的线性相关性。

2.6.2.4　胶凝砂砾石材料抗剪指标与抗压强度的关系

结合三轴试验应力应变曲线，绘制摩尔-库仑圆，依据摩尔-库仑原理，求得材料抗剪强度指标值：凝聚力与内摩擦角。

为了进一步研究胶凝砂砾石材料一维应力状态下立方体抗压强度与二维应力状态下三轴抗剪强度的关系，将立方体试块28d抗压强度与同一配合比下的三轴抗剪强度指标进行对应，结果见表2.6-5。

对表2.6-5中数据进行曲线拟合，如图2.6-3和图2.6-4所示。

由图2.6-3和图2.6-4中可以看出，随着胶凝砂砾石材料立方体抗压强度的增加，其三轴抗剪强度也在增加，具体表现在凝聚力c值和内摩擦角φ值的增加，图中分别用幂函数和多项式对数据进行了拟合，相关性较高。

2.6.2.5　固结排水试验

（1）试验步骤。饱和试样采用期龄28d的试样进行浸泡饱和，并在三轴仪上进行反压饱和并固结。试验开始前应先对试样进行抽气饱和，抽气过程中会边抽气边进水，抽气一段时间保持真空度稳定后，待抽气筒内水面无气泡冒出时即停止抽气，并释放抽气缸内真空，之后保持试样在水中静置10h以上，随后再进行试验，其具体操作步骤如下。

1）装样。装样步骤同不固结不排水试验（唯一不同的是，试样下部放置的是透水垫片），装样前应先用球阀将底座和试样帽上的透水石充水饱和，防止试样在剪切排水过程中试件内的部分水渗入透水石以致测出的体积不准。待绑扎好试样后，用球阀吸水将仪器底部（与外界反压管阀也连通）与试样上下两端连通的反压管内空气排净，以免管内空气进入试样。

2）反压饱和。反压饱和步骤除了与不固结不排水试验加压步骤中“将围压管和反压管依次与仪器上相对应的开关阀相连并开启”之前相同外，同时应将压力/体积控制器上与反压管阀相连通的排水管阀打开，并将CATS软件程序选中“饱和”，先对试样施加50kPa的周围压力预压，之后分级施加围压与反压（施加反压过程中始终保持围压比反压大50kPa），运行程序，直到设定的饱和度B（孔隙压力系数）满足要求为止（鉴于该材料与土还存在较大的差异，饱和度B可能不会太大）。

3）固结。待饱和完成后，调节围压与反压数值，使二者差值满足所需数值（差值与有效围压接近），将CATS软件程序选中“固结”，运行该程序直到试件体积不发生变化，表示固结已完成。

4）固结排水。待固结完成后，针对固结过程中施加的周围压力（分别为0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa），这里，围压指有效周围压力，即电脑上围压读数与反压读数之差，在允许试样有水排出的情况下，逐渐增大轴向荷载直至试件破坏，输出数据。

（2）结果分析。以配比中水泥用量50kg/m3、粉煤灰掺量40kg/m3、水胶比1.2、砂率0.4为例来探讨有关固结排水的情况，固结排水应力应变关系曲线如图2.6-5所示，轴向应变与体积应变曲线如图2.6-6所示。

从图2.6-5轴向应变与体积应变关系曲线中可以看出，在固结排水剪中，胶凝砂砾石材料的体积随应力应变的变化而变化，起初体积随偏应力的增加而减小，且减小幅度越来越小，当减小至0以后，压力再增大时，试样呈现出剪胀特征。体积应变分为剪胀和剪缩两类，表现在排水剪中，体缩变形则排水，体胀变形则吸水。在一般情况下，材料先呈现剪缩变形，之后，随着应变的逐渐增大，剪胀变形越来越明显。在同一配合比下，围压越大，剪缩变形越大；相反地，围压越小，剪胀变形越大。

由于胶凝砂砾石材料由胶凝材料、砂砾石和砂组成，且砂砾石颗粒大小不一，由于颗粒本身强度很高，再加上颗粒与胶凝材料的胶结作用，材料的抗剪强度主要由胶凝材料与颗粒间的黏结力、颗粒间的咬合力和摩擦阻力组成。在剪切过程中，由于受到轴向荷载这一外力作用，引起颗粒沿剪切面方向移动或滚动，出现体变。起初由于颗粒间凝聚力很大，要克服剪应力发生剪切破坏，外力提供的轴向荷载一般较大，从试件破坏过程可以看出，试件最后剪切破坏时，颗粒一般不会破碎，剪切破坏的发生一般是随着变形的增大，剪切位移克服了颗粒之间的咬合作用，颗粒结构崩解松散，凝聚力下降很快，最后，由于内摩擦力还在发挥作用，使试样还能承受一定的外荷载。

在排水剪切过程中，当围压较小时，阻碍颗粒移动的阻力就相对变小，最后剪胀变形就越大，发生剪胀变形的结果，会导致材料整体结构变松，强度明显削弱，反映在应力应变曲线上即为应变软化型。

2.6.2.6　K-G试验

根据《土工试验规程》（SL 237—1999）“土的变形参数试验”，对于三维应力状态，引入球应力p与偏应力q两个分量反映土的复杂应力状态，而体积模量K和剪切模量G分别反映了土体在球应力和偏应力作用下的弹性性质。对于胶凝砂砾石材料而言，当胶凝材料含量较低时，力学性能与土体材料有相似之处，为此进行K-G试验研究，探讨胶凝砂砾石材料在三维应力状态下的力学特性。

试验采用LY-C型拉压真三轴仪设备，试件尺寸为150mm×150mm× 150mm，设备单轴最大压力为450kN，单轴最大拉力为75kN，活塞行程为50mm。

以配比中水泥用量40kg/m3、粉煤灰掺量40kg/m3、水胶比1.0、砂率0.2为例进行试验。

（1）试验步骤。

1）切线体积模量Kt。根据q＝0，即σ1＝σ2＝σ3等向固结排水，作体积应变与正应力曲线，即εv-p（lnp）曲线，

2）切线剪切模量Gt。剪切模量Gt的试验是先使土样在三向等压条件下固结至某平均正应力p，然后在p＝常数的条件下做排水的三轴剪切试验把试件剪切至破坏，在剪切的过程中dp＝0，即不变，作剪应变与偏应力曲线，即εd-q曲线，

（2）试验结果。试块等向压缩应力应变值见表2.6-6。

根据试验结果，图2.6-7和图2.6-8中给出了平均正应力与体积应变的拟合曲线和剪应变与偏应力的拟合曲线，根据拟合曲线即可求出切线体积模量Kt和切线剪切模量Gt。