無側限抗壓試驗：測定土體抗壓強度的經典方法

概述與基本原理

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

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

試驗設備要求

進行無側限抗壓試驗所需的關鍵儀器包括：

1. 壓力加載裝置: 通常采用應變控制式機械或液壓壓力機，能夠以恒定的軸向應變速率（通常為每分鐘1%至3%）對試樣施加壓縮荷載。
2. 測力系統: 精度符合要求的荷載傳感器或測力環，用于實時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），用于精確測量試樣的軸向縮短量（應變）。
4. 試樣制備工具: 包括切土器（如鋼絲鋸或專用切土盤）、修土刀、直尺、卡尺、稱量設備（感量0.01g）、保濕器等，用于制備符合標準的圓柱形試樣。
5. 數據采集系統: 能夠同步記錄荷載與變形數據的軟件或記錄儀。

標準試樣制備步驟

試樣的質量直接影響試驗結果的可靠性：

1. 原狀土取樣: 使用薄壁取土器或其他合適方法，小心地從現場取得具有代表性的不擾動土樣，運輸和儲存期間需防止擾動、失水和溫度變化。
2. 試樣切削: 在保濕環境下，用切土器將土樣切削成標準尺寸的圓柱體（通常直徑39.1mm，高度80mm，或直徑35mm，高度87.5mm等，具體尺寸依據相關規范）。切削時應避免沖擊、擠壓或反復修刮。
3. 尺寸量測與描述: 用卡尺精確測量試樣兩端和中部三個位置的直徑（取其平均值計算橫截面積A?），精確測量試樣高度H?。同時記錄試樣顏色、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，放置于壓力機承壓板中心，確保對中。安裝好位移傳感器。整個過程應迅速，防止試樣失水。

試驗操作流程

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

數據處理與分析要點

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

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

3. 繪制應力-應變關系曲線:
   以軸向應變ε為橫坐標，修正后的軸向應力σ（或偏應力q）為縱坐標，繪制完整的應力-應變關系曲線（q~ε曲線）。

4. 確定無側限抗壓強度 (q? / σ?):

   • 對于有明顯峰值點的曲線，取峰值應力作為無側限抗壓強度q?。
   • 對于無明顯峰值、應變硬化型曲線，通常取軸向應變ε=15%時所對應的應力作為q?（需依據具體規范要求）。
   • 結果精確至1 kPa。

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

6. 計算靈敏度 (S?):
   若同時進行了原狀土和重塑土（保持相同含水量和密度）的無側限抗壓試驗：
   S? = q?(原狀) / q?(重塑)
   S?反映土的結構性對強度的貢獻。

7. 破壞形態分析: 結合試樣破壞形態（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?是估算淺基礎承載力的重要參數。
• 評價邊坡穩定性: 分析飽和粘土邊坡的短期（施工期）快速穩定性，需要不排水抗剪強度參數。
• 控制施工質量: 用于現場填土（如路堤、堤壩）壓實后的強度質量控制檢驗。
• 估算樁側摩阻力: 在初步設計中，常利用c?來估算粘土中樁的側摩阻力。
• 判斷土性狀態: 結合液塑限指標，q?可輔助判斷粘性土的稠度狀態（軟硬程度）。
• 評估靈敏度: 通過S?值判斷土的觸變性，預測擾動對土體強度的削弱程度，對施工擾動控制有指導意義。
• 驗證其他試驗結果: 作為簡單快速的試驗，常用來初步驗證或對比三軸試驗等更復雜方法的結果。

重要注意事項

1. 試樣代表性: 試驗結果的可靠性高度依賴于試樣的代表性和制備質量（擾動程度）。
2. 飽和狀態: 該方法主要適用于飽和粘性土。非飽和土或含砂量高的土，結果解釋需謹慎。
3. 加載速率: 必須嚴格按照規范控制應變速率（通常1%/min），速率過快會高估強度，過慢可能低估。
4. 面積修正: 對于應變較大的情況（尤其塑性破壞土），忽略面積修正會導致顯著低估真實應力。
5. 破壞標準: 對于無明顯峰值的土，采用哪個應變值作為破壞標準（如15%）需明確依據規范。
6. 適用范圍: 該試驗僅能提供一個總強度參數（主要反映粘聚力c?），無法分離出土的內摩擦角φ。對于摩擦占主導或復雜應力路徑問題，需進行三軸試驗等。

無側限抗壓試驗憑借其設備簡單、操作快捷、成本低廉等優勢，在巖土工程勘查、設計與施工質量控制中始終扮演著基礎而重要的角色。正確理解其原理、熟練掌握操作流程并準確分析結果，是獲取可靠土體強度參數的基本前提。