無側(cè)限抗壓試驗(yàn)：測定土體抗壓強(qiáng)度的經(jīng)典方法

概述與基本原理

無側(cè)限抗壓試驗(yàn)（Unconfined Compression Test）是一種測定粘性土（主要為飽和軟粘土）在無側(cè)向約束條件下抵抗單軸壓縮破壞能力的常規(guī)室內(nèi)土工試驗(yàn)方法。其核心原理在于模擬土體在豎向荷載作用下，不受任何側(cè)向限制時(shí)的承載與破壞過程。

該試驗(yàn)設(shè)備相對簡單，操作便捷，主要用于評估飽和粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度（通常取其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的一半）。它適用于具有一定粘聚力的細(xì)粒土，對于砂土等無粘性土或結(jié)構(gòu)性非常敏感的土體則不太適用。

試驗(yàn)設(shè)備要求

進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)所需的關(guān)鍵儀器包括：

1. 壓力加載裝置: 通常采用應(yīng)變控制式機(jī)械或液壓壓力機(jī)，能夠以恒定的軸向應(yīng)變速率（通常為每分鐘1%至3%）對試樣施加壓縮荷載。
2. 測力系統(tǒng): 精度符合要求的荷載傳感器或測力環(huán)，用于實(shí)時(shí)測量施加在試樣上的軸向壓力。
3. 變形測量裝置: 量程合適的位移傳感器（如百分表或電子位移計(jì)），用于精確測量試樣的軸向縮短量（應(yīng)變）。
4. 試樣制備工具: 包括切土器（如鋼絲鋸或?qū)Ｓ们型帘P）、修土刀、直尺、卡尺、稱量設(shè)備（感量0.01g）、保濕器等，用于制備符合標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形試樣。
5. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng): 能夠同步記錄荷載與變形數(shù)據(jù)的軟件或記錄儀。

標(biāo)準(zhǔn)試樣制備步驟

試樣的質(zhì)量直接影響試驗(yàn)結(jié)果的可靠性：

1. 原狀土取樣: 使用薄壁取土器或其他合適方法，小心地從現(xiàn)場取得具有代表性的不擾動土樣，運(yùn)輸和儲存期間需防止擾動、失水和溫度變化。
2. 試樣切削: 在保濕環(huán)境下，用切土器將土樣切削成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的圓柱體（通常直徑39.1mm，高度80mm，或直徑35mm，高度87.5mm等，具體尺寸依據(jù)相關(guān)規(guī)范）。切削時(shí)應(yīng)避免沖擊、擠壓或反復(fù)修刮。
3. 尺寸量測與描述: 用卡尺精確測量試樣兩端和中部三個(gè)位置的直徑（取其平均值計(jì)算橫截面積A?），精確測量試樣高度H?。同時(shí)記錄試樣顏色、氣味、均勻性、夾雜物等特征。
4. 試樣安裝: 將制備好的試樣兩端涂抹薄層凡士林，放置于壓力機(jī)承壓板中心，確保對中。安裝好位移傳感器。整個(gè)過程應(yīng)迅速，防止試樣失水。

試驗(yàn)操作流程

1. 參數(shù)設(shè)置: 設(shè)定壓力機(jī)的軸向應(yīng)變速率（通常粘性土采用1%/min左右）。
2. 初始讀數(shù): 記錄位移傳感器和荷載傳感器的初始讀數(shù)（歸零）。
3. 加載: 啟動壓力機(jī)，以設(shè)定的恒定應(yīng)變速率對試樣施加連續(xù)的軸向壓縮荷載。
4. 數(shù)據(jù)記錄: 在加載過程中，按一定時(shí)間間隔（或應(yīng)變增量間隔，如每0.5%應(yīng)變）同步記錄軸向荷載P和對應(yīng)的軸向變形ΔH（或軸向應(yīng)變ε? = ΔH / H?）。
5. 觀測破壞: 密切觀察試樣，記錄其表面出現(xiàn)裂紋、鼓脹或顯著屈服變形時(shí)的荷載及變形情況。
6. 試驗(yàn)終止: 當(dāng)荷載達(dá)到峰值（最大值）并出現(xiàn)明顯下降（或應(yīng)變達(dá)到15%-20%，或試樣完全破壞變形）時(shí)，停止加載。若試樣呈脆性破壞，記錄峰值荷載；若呈塑性破壞，通常取軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)的荷載作為破壞荷載。
7. 破壞形態(tài)記錄: 詳細(xì)描述并繪制（或拍照）試樣破壞后的形態(tài)（如腰鼓形、傾斜剪裂、脆性斷裂等）。
8. 含水量測定: 試驗(yàn)結(jié)束后，立即取試樣破壞部位有代表性的土樣測定其含水量ω。

數(shù)據(jù)處理與分析要點(diǎn)

1. 計(jì)算軸向應(yīng)變 (ε):
   ε = (ΔH) / H?
   （ΔH為軸向變形量，H?為試樣初始高度）

2. 計(jì)算軸向應(yīng)力 (σ)/ 偏應(yīng)力 (q):
   由于無側(cè)限，圍壓σ?=0，故軸向應(yīng)力σ?即為偏應(yīng)力q：
   σ = q = P / A
   （P為實(shí)測軸向荷載）
   因試樣在壓縮過程中橫截面積會增大，通常認(rèn)為體積不變（飽和土不排水條件），需進(jìn)行面積修正：
   A = A? / (1 - ε)
   （A?為試樣初始橫截面積）
   因此，修正后的軸向應(yīng)力為：
   σ = q = P * (1 - ε) / A?

3. 繪制應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線:
   以軸向應(yīng)變ε為橫坐標(biāo)，修正后的軸向應(yīng)力σ（或偏應(yīng)力q）為縱坐標(biāo)，繪制完整的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線（q~ε曲線）。

4. 確定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度 (q? / σ?):

   • 對于有明顯峰值點(diǎn)的曲線，取峰值應(yīng)力作為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度q?。
   • 對于無明顯峰值、應(yīng)變硬化型曲線，通常取軸向應(yīng)變ε=15%時(shí)所對應(yīng)的應(yīng)力作為q?（需依據(jù)具體規(guī)范要求）。
   • 結(jié)果精確至1 kPa。

5. 計(jì)算不排水抗剪強(qiáng)度 (c? / s?):
   根據(jù)飽和粘性土在快剪（不排水）條件下的抗剪強(qiáng)度理論（φ?≈0），其不排水抗剪強(qiáng)度c?（或s?）近似等于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的一半：
   c? = s? ≈ q? / 2
   （這是該方法最重要的應(yīng)用之一）

6. 計(jì)算靈敏度 (S?):
   若同時(shí)進(jìn)行了原狀土和重塑土（保持相同含水量和密度）的無側(cè)限抗壓試驗(yàn)：
   S? = q?(原狀) / q?(重塑)
   S?反映土的結(jié)構(gòu)性對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

7. 破壞形態(tài)分析: 結(jié)合試樣破壞形態(tài)（如腰鼓形提示塑性流動，斜裂縫提示剪切破壞），有助于理解土的破壞模式。

工程應(yīng)用與意義

• 快速評估地基承載力: 對于飽和軟粘土地基，q?或c?是估算淺基礎(chǔ)承載力的重要參數(shù)。
• 評價(jià)邊坡穩(wěn)定性: 分析飽和粘土邊坡的短期（施工期）快速穩(wěn)定性，需要不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)。
• 控制施工質(zhì)量: 用于現(xiàn)場填土（如路堤、堤壩）壓實(shí)后的強(qiáng)度質(zhì)量控制檢驗(yàn)。
• 估算樁側(cè)摩阻力: 在初步設(shè)計(jì)中，常利用c?來估算粘土中樁的側(cè)摩阻力。
• 判斷土性狀態(tài): 結(jié)合液塑限指標(biāo)，q?可輔助判斷粘性土的稠度狀態(tài)（軟硬程度）。
• 評估靈敏度: 通過S?值判斷土的觸變性，預(yù)測擾動對土體強(qiáng)度的削弱程度，對施工擾動控制有指導(dǎo)意義。
• 驗(yàn)證其他試驗(yàn)結(jié)果: 作為簡單快速的試驗(yàn)，常用來初步驗(yàn)證或?qū)Ρ热S試驗(yàn)等更復(fù)雜方法的結(jié)果。

重要注意事項(xiàng)

1. 試樣代表性: 試驗(yàn)結(jié)果的可靠性高度依賴于試樣的代表性和制備質(zhì)量（擾動程度）。
2. 飽和狀態(tài): 該方法主要適用于飽和粘性土。非飽和土或含砂量高的土，結(jié)果解釋需謹(jǐn)慎。
3. 加載速率: 必須嚴(yán)格按照規(guī)范控制應(yīng)變速率（通常1%/min），速率過快會高估強(qiáng)度，過慢可能低估。
4. 面積修正: 對于應(yīng)變較大的情況（尤其塑性破壞土），忽略面積修正會導(dǎo)致顯著低估真實(shí)應(yīng)力。
5. 破壞標(biāo)準(zhǔn): 對于無明顯峰值的土，采用哪個(gè)應(yīng)變值作為破壞標(biāo)準(zhǔn)（如15%）需明確依據(jù)規(guī)范。
6. 適用范圍: 該試驗(yàn)僅能提供一個(gè)總強(qiáng)度參數(shù)（主要反映粘聚力c?），無法分離出土的內(nèi)摩擦角φ。對于摩擦占主導(dǎo)或復(fù)雜應(yīng)力路徑問題，需進(jìn)行三軸試驗(yàn)等。

無側(cè)限抗壓試驗(yàn)憑借其設(shè)備簡單、操作快捷、成本低廉等優(yōu)勢，在巖土工程勘查、設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量控制中始終扮演著基礎(chǔ)而重要的角色。正確理解其原理、熟練掌握操作流程并準(zhǔn)確分析結(jié)果，是獲取可靠土體強(qiáng)度參數(shù)的基本前提。