摘要：*，土的抗剪強度指標（C、φ）是用于計算建筑物地基的穩定性和確定地基承載力的主要參數。由于土的成因、顆粒級配、地基土的應力歷史和強度試驗方法等不同而產生差異。但從理論上認為，在有效應力條件下各類土的強度參數應該比較接近。目前國內外勘測試驗單位也包括高校在內，直剪試驗和三軸試驗是確定土的強度參數主要手段，然而對三軸儀價格比較昂貴，結構比較復雜，操作繁瑣，試驗周期較長，因此通常采用直剪試驗進行，對重要工程或試驗研究必須采用三軸試驗。考慮到這兩種儀器的共性和特殊性以及他們的優缺點，我們以傳承和創新的思想實現了人工智能優化設計與生產，在主要技術指標和技術要求方面均滿足符合國家土工試驗方法標準的條件下，開展了對標準砂在有效應力條件下的對比試驗。通過對比試驗和資料整理，兩種儀器試驗數據的重復性、穩定性較好，為此進一步了證明標準砂的強度規律符合庫倫定律τ_f=σtanφ，但這兩種試驗中由于土樣應力狀態和儀器結構不同，因此得到的強度指標有很大的差異。

0引言 

在工(gong)程實(shi)踐中，建筑物地(di)基和土(tu)工(gong)構(gou)筑物產生破(po)壞情況，是因(yin)為(wei)土(tu)體(ti)在自重應(ying)力和附加應(ying)力作(zuo)用(yong)下(xia)，土(tu)體(ti)剪(jian)應(ying)力達(da)到土(tu)的(de)(de)(de)大抗(kang)剪(jian)強(qiang)度(du)。該土(tu)體(ti)處于所謂的(de)(de)(de)極(ji)限平衡狀態(tai)。當外(wai)部(bu)(bu)荷載不斷增大，后(hou)連成(cheng)一(yi)個滑(hua)動面，也就是一(yi)部(bu)(bu)分土(tu)體(ti)對另一(yi)部(bu)(bu)分土(tu)體(ti)產生相(xiang)對移動，即為(wei)土(tu)的(de)(de)(de)剪(jian)切破(po)壞。因(yin)此土(tu)的(de)(de)(de)強(qiang)度(du)問題(ti)(ti)的(de)(de)(de)研究一(yi)直在工(gong)程實(shi)踐或在土(tu)力學(xue)研究中，作(zuo)為(wei)重要的(de)(de)(de)課題(ti)(ti)之一(yi)。

土的內聚力和內摩擦角是土的強度的重要指標，本文首先選用松散的、單一的標準砂（砂的干密度為1.57g/cm³,風干含水量0，比重為2.65，孔隙比為0.688，砂的粒徑為0.07-0.25mm）進行兩種儀器的對比試驗，因為標準砂的強度試驗方法比較簡單，土的性質比較穩定，試驗時間比較短促，邊界條件容易控制，可比性強。

1試(shi)驗(yan)儀(yi)器和(he)試(shi)驗(yan)方法

圖1  四(si)聯氣壓式(shi)直剪試驗儀(yi)

1.1  四聯直剪試驗 

1.1.1  儀器介紹

采用本公司研發生產(chan)的四(si)聯氣(qi)壓(ya)式直剪儀(yi)（見圖(tu)1）。固(gu)結壓(ya)(ya)力的(de)(de)(de)施(shi)加(jia)采(cai)用高精度的(de)(de)(de)調壓(ya)(ya)閥，通過滾動膜(mo)片和(he)定向(xiang)的(de)(de)(de)活塞在氣缸中施(shi)加(jia)固(gu)結壓(ya)(ya)力，固(gu)結壓(ya)(ya)力范圍(wei)0~800kPa。剪(jian)切力的施加(jia)利用步進電機(ji)通過機(ji)械傳(chuan)動四(si)個剪(jian)切盒剪(jian)切土樣，剪(jian)應力的大小由力傳(chuan)感器(qi)經過單(dan)片機采(cai)集儲存，剪切位移(yi)由步進電機轉角計算，剪切(qie)速(su)率(lv)0.001~4mm/min，剪切(qie)位移0~6mm，能夠滿足快剪(jian)、固結快剪(jian)、慢剪(jian)等試(shi)驗(yan)(yan)。根據土的性質和(he)試(shi)驗(yan)(yan)要求(qiu)，剪(jian)切(qie)速率(lv)可以(yi)任(ren)意調整。本次標準砂(sha)的試(shi)驗(yan)(yan)的剪(jian)切(qie)速率(lv)為(wei)0.048mm/min，*在有效應力(li)條(tiao)件下的試(shi)驗要求。

1.1.2  試驗方法

稱取四份94.2g的風干(gan)標(biao)準(zhun)砂，通過(guo)漏斗分(fen)別向剪切盒(he)中徐(xu)(xu)徐(xu)(xu)注入試樣(yang)，制備成(cheng)高度(du)20mm，面(mian)積30cm²的試樣，并在(zai)剪切盒頂部加設透(tou)水板和傳壓活塞，調節調壓閥，按100、200、300、400kPa施加固結壓(ya)力。固結時(shi)間兩(liang)小時后，按(an)0.048mm/min的剪(jian)切速度，施加剪(jian)應力直(zhi)至位移達到5-6mm。

在本次試驗(yan)(yan)中，直剪試驗(yan)(yan)一共做了21組，每組試驗(yan)(yan)四個土樣，分別施加100、200、300、400kPa固(gu)結壓力。21組試驗結果見表1，內摩擦(ca)角大值31.67°，小值27.43°，平均值(zhi)為29.88°，均方差1.214，變異系數(shu)0.04。

圖2  四(si)聯多功能三軸試驗(yan)儀

1.2  四聯三軸試驗 

1.2.1  儀器介紹

所謂四(si)聯(lian)三軸試驗（見圖2），是指四個(ge)不同(tong)圍壓的土樣(yang)壓力室(shi)，在同(tong)一個(ge)等應變控制條件下(xia)進行軸向加(jia)壓直至破壞。

四個土(tu)樣的(de)圍壓(ya)分別由四個液壓(ya)控制(zhi)器加(jia)壓(ya)，壓(ya)力(li)范(fan)圍0~1600kPa；壓(ya)力(li)室(shi)置于同一個加(jia)荷(he)平(ping)臺(tai)(tai)，由機電驅動(dong)加(jia)荷(he)平(ping)臺(tai)(tai)向四個壓(ya)力(li)室(shi)施加(jia)等應變剪切位(wei)移，由于四個壓(ya)力(li)室(shi)承受四個不同圍壓(ya)，因(yin)此由四個力(li)傳(chuan)感器所產生的剪(jian)應力與四(si)(si)個不同圍壓(ya)建(jian)立相(xiang)應的應力應變(bian)關系，得到四(si)(si)組莫(mo)爾(er)圓，獲得了一組莫(mo)爾(er)包線和強度值。

由于人工智能型三軸(zhou)剪力(li)儀自動化程度高，整個過程無需人工操作(zuo)。在(zai)一(yi)般(ban)情況下(xia)土(tu)樣(yang)直徑為(wei)39.1mm，高度為80mm，圍(wei)壓0~1600kPa，孔壓0~1600kPa，排水量0~50ml，軸(zhou)向(xiang)位移0-30mm，軸向壓(ya)力4.8MPa。因此本儀器可以(yi)進行不同(tong)深度土層的三軸試驗，同(tong)時滿足高層、超高層的試樣的研究。

1.2.2  試(shi)驗(yan)方法(fa)

稱取四份151g的標準砂，分別通過(guo)漏斗徐徐注入承膜(mo)筒的乳膠薄膜(mo)內，制備(bei)成高度為80mm，直(zhi)徑39.1mm的試樣，裝(zhuang)好土樣帽，經微(wei)型真(zhen)空泵的(de)抽泄空氣后，拆開對開模(mo)施加圍(wei)壓100、200、300、400kPa。

在本(ben)次試驗(yan)中(zhong)，三軸試驗(yan)一共做了14組(zu)，每(mei)組(zu)試驗(yan)四個土樣，分(fen)別施加100、200、300、400kPa周圍(wei)壓(ya)力，剪切速率為0.05mm/min。14組(zu)試(shi)驗(yan)結果見(jian)表1，內摩擦角大值39.31°，小值36.66°，平均值為38°，均方差0.735，變異(yi)系數(shu)0.02。

2  試驗曲線(xian)及結(jie)果匯總

2.1部分直(zhi)剪(jian)試驗曲線

（a）剪(jian)應力與剪(jian)切位移的關系

(b)抗剪強(qiang)度與垂直(zhi)壓力的關系

圖3  第1組直剪試驗曲線

(a)剪(jian)應(ying)力與(yu)剪(jian)切(qie)位移(yi)的關系

(b)抗剪強度與垂直壓力的(de)關系

圖4  第(di)二組直(zhi)剪(jian)試驗曲線

(a)剪(jian)應力(li)與剪(jian)切(qie)位(wei)移的(de)關系

(b)抗剪強度與垂直壓力(li)的關(guan)系

圖(tu)5  第三組直剪試(shi)驗(yan)曲(qu)線(xian)

2.2 部(bu)分(fen)三軸試驗曲線

（a）主應力差與(yu)軸(zhou)向應變的(de)關系

(b)強度包線

圖6  第(di)1組(zu)三軸(zhou)試驗曲(qu)線

（a）主應(ying)(ying)力差(cha)與軸(zhou)向(xiang)應(ying)(ying)變的關系

(b)強度包線(xian)

圖7  第二組(zu)三軸(zhou)試(shi)驗曲線

（a）主應力差(cha)與軸向(xiang)應變(bian)的關系

(b)強度包線

圖8  第三組三軸試驗曲線

2.3直剪試驗(yan)與三軸試驗(yan)的結果匯總            

表1  兩種試驗結果(guo)匯(hui)總表(biao)

表2  兩種試驗(yan)結果比較表

3  分析意見

3.1  應(ying)力應(ying)變關(guan)系(xi)

根據21組直(zhi)剪試驗和14組三軸試驗的(de)結(jie)果表明(ming)，標準砂(sha)的(de)應力應變(bian)曲線呈非線性(xing)的(de)雙曲線關系，形(xing)態穩(wen)定，符合客觀規律。

3.2  強度指標

從(cong)理論到(dao)試驗(yan)結果表明，無粘性(xing)的(de)砂性(xing)土(tu)（標準砂）的(de)內聚力為0，強(qiang)度指標主要通過摩擦角反(fan)應(ying)土的(de)(de)(de)性(xing)質。參照《第27屆全國土工(gong)測試(shi)學術研討會論文集》中，“第二屆平行土工(gong)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)-砂土三軸壓縮試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)”一文，其中有(you)七所高校的(de)(de)(de)試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)結(jie)果砂土的(de)(de)(de)內聚力為0，平均內摩擦角為39.3°，與本試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)的(de)(de)(de)三軸試(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)結(jie)果比較吻合。

3.3  試驗特征

由于直剪試驗(yan)和三軸試驗(yan)的土樣，在加(jia)荷固結(jie)和剪切(qie)過程中的受力方向和剪切(qie)面有所(suo)不同，因此試驗(yan)結(jie)果存在較大(da)差異。

3.4  人工智能四聯三軸儀

四聯三(san)軸儀(yi)不僅(jin)可(ke)以替代(dai)四臺單(dan)聯三(san)軸儀(yi)的(de)所有功能(neng)，而且可(ke)以獲得較好的(de)試(shi)驗(yan)結果，結構緊湊、操作簡單(dan)、數據可(ke)靠、提高工效數倍，推(tui)動三(san)軸試(shi)驗(yan)人工智能(neng)現(xian)代(dai)創舉。

4  結論與討論

本文采用兩種不(bu)同(tong)的強度試驗儀(yi)器(qi)，對標準砂(sha)進行(xing)一(yi)系列的比較(jiao)試驗，通過試驗和資料整理得到以下幾點結論：

（1）兩種嶄新的強度試驗(yan)儀器主(zhu)要技術(shu)指標(biao)(biao)均(jun)符合中華人民共和國(guo)國(guo)家標(biao)(biao)準(zhun)《土工(gong)試驗(yan)方法(fa)標(biao)(biao)準(zhun)GB/T 50123-2019》

（2）氣壓(ya)式的(de)(de)(de)四(si)(si)聯(lian)(lian)直(zhi)剪(jian)儀替(ti)代了杠(gang)桿砝碼加荷(he)，具有結(jie)構緊湊、操作(zuo)方便、無級變(bian)速、出力大(da)于原直(zhi)剪(jian)儀的(de)(de)(de)兩(liang)倍(bei)，滿(man)足(zu)(zu)不(bu)同要(yao)求的(de)(de)(de)強度(du)試驗(yan)；四(si)(si)聯(lian)(lian)三(san)軸儀是國內外土工試驗(yan)中的(de)(de)(de)創新，通(tong)過人工智能開(kai)發，大(da)圍壓(ya)可達到(dao)1600kPa，滿(man)足(zu)(zu)深層土的(de)(de)(de)強度(du)試驗(yan)，一次試驗(yan)可以獲得四(si)(si)種不(bu)同圍壓(ya)下的(de)(de)(de)強度(du)值，該(gai)儀器(qi)可以提高四(si)(si)倍(bei)工效。

（3）兩種不同強度的(de)試(shi)驗結果表明，砂土的(de)強度指(zhi)標內(nei)聚力均為0，三軸(zhou)儀(yi)的(de)平均內(nei)摩擦(ca)(ca)角為38°，直剪試(shi)驗的(de)平均內(nei)摩擦(ca)(ca)角為29.8°，因此(ci)砂土在(zai)三軸(zhou)試(shi)驗下的(de)強度指(zhi)標內(nei)摩擦(ca)(ca)角比直剪試(shi)驗高出27%。

（4）本試驗僅對松散標準砂的(de)有效強(qiang)度(du)試驗，而對于其他各種土性的(de)擾動(dong)土和原狀土希望(wang)同(tong)仁們一起開(kai)展有效應力下(xia)的(de)試驗研究，期待獲得(de)共(gong)識。