本文引用MT/T 593.2-2011《人工冻土物理力学性能试验 第5部分:人工冻土三轴剪切强度试验方法》

1范围

MT/T593的本部分规定了人工冻土多试样和单试样三轴压缩试验用仪器、设备，试样，基本要求，试验步骤和计算、制图。

本部分适用于对冻结原状土及冻结重塑土三轴压缩强度参数测试和计算。

2规范性引用文件

下列文件中的条款通过MT/T593的本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本部分。

MT/T593.1人工冻土物理力学性能试验第1部分：人工冻土试验取样及试样制备方法

MT/T593.3人工冻土物理力学性能试验第3部分：人工冻土静水压力下固结试验方法

MT/T593.4人工冻土物理力学性能试验第4部分：人工冻土单轴抗压强度试验方法

3术语和定义

下列术语和定义适用于本标准。

3.1

三轴剪切试验tri-axialsheartest

在不同的恒定围压（即小主应力σ2=σ3）下施加轴向压应力（主应力差σ1-σ3）进行剪切直至破坏过程。

4试验用仪器、设备

4.1三轴压缩试验仪（如图1所示）：变速率可调，最大轴向荷载200kN，围压6MPa（适用于土层埋深小于300m）、12MPa（适用于土层埋深小于700m）或20MPa（适用于土层埋深小于1200m），波动度不超过10kPa。

4.2应力及变形测试元件：压力传感器（量程0kN～200kN,精度1%）；位移传感器（轴向量程0mm~50mm，精度1%）；数据自动采集系统等。

4.3温度传感器：量程-40℃~+40℃,精度0.2℃。

4.4冷却及温控设备。

4.5试验用含水率、密度测试装置。

图1：TDMT593-3系列冻土三轴系统

5试样

5.1采用冻结原状土试样和冻结重塑土试样，其制备方法按MT/T593.1中6.2.2和6.2.3的规定进行。

5.2试验规格应与MT/T593.4所采用的试样规格一致。

5.3试样数量：1个（单试样分级加载）或3～4个（多试样加载）。

6基本要求

6.1试验应在规定的试验温度中进行。

6.2温度波动度小于等于±0.2℃。

6.3只有一种试验温度时，应选择-10℃；若有多种试验温度时，其中应有-10℃；如果有特殊要求，可另选试验温度。

6.4试验前各试验用仪器、设备应校正合格。

7试验步骤

7.1多试样三轴压缩试验

7.1.1核实试样的来源、编号、密度、含水率，并填入附录A表内。

7.1.2根据试样所处层位的静水压力0.013H，其中H为试验土层深度（单位m），确定出三级围压值：（0.013H-1）MPa、（0.013H）MPa和（0.013H+1）MPa，或（0.013H）MPa、（0.013H+1）MPa和（0.013H+2）MPa（当深度小于120m时）。

7.1.3按MT/T593.3中7.1~7.7步骤进行试样固结。

7.1.4轴向应变速率取1％/min。

7.1.5启动三轴试验仪，测读体变测量仪的数值,试验过程中围压波动度不大于±10kPa。

7.1.6试验开始阶段，试样应变每增加0.3%～0.4%测读轴向荷载及变形各一次，当应变达3%以后，每增加0.6%～0.7%各测读一次，体积变化由体变测量仪随时记录。如果试样特别硬脆或软弱，可增加或减少测读的次数。

7.1.7当轴向应力不再增加时，继续加载到轴向应变增加3%～5%，若压力传感器读数无明显变化，试验直至轴向应变达到20%为止，记录荷载及变形终值。

7.1.8试验结束后卸去轴向荷载和围压，描述试样破坏后形状，测定试验后试样的含水率和密度。

7.1.9对其余几个试样，在不同围压下按7.1.1～7.1.8规定的步骤进行。

7.2单试样分级加载三轴剪切试验

7.2.1按7.1.1～7.1.6规定的步骤进行。

7.2.2当荷载值接近稳定（主应力差小于5kPa）或轴向应变达到弹性极限后刚出现屈服时，停止加载。记录荷载及轴向变形。

7.2.3卸去轴向荷载，施加第二级围压，固结稳定之后按7.1.4～7.1.6和7.2.2规定的步骤进行。

7.2.4卸去轴向荷载，施加第三级围压，固结稳定之后按7.1.4～7.1.6和7.2.2规定的步骤进行，最后一级围压下的剪切直至试样破坏为止。

7.2.5按7.1.8的规定进行。

8计算、制图

8.1试样固结后高度、面积及剪切时的轴向应变、面积计算8.1.1多试样三轴剪切试验

a）固结后的试样高度及面积：

hc=h0-Δhc………………………（1）

Ac=(V0-ΔVc)/hc…………………（2）

式中：

hc—固结后试样高度，单位为毫米（mm）；

h0—固结前试样高度，单位为毫米（mm）；

Δh0—固结后试样高度的变化量，单位为毫米（mm）；

Ac—固结后试样截面积，单位为平方毫米（mm2）；

V0—固结前试样体积，单位为立方毫米（mm3）；

ΔVc—固结后试样体积变化量，单位为立方毫米（mm3）。

b）剪切时的试样应变及面积：

ε1=Δh/hc…………………（3）

ε3=ΔD/D0………………（4）

Aa=Ac/(1-ε1)…………………（5）

式中：

ε1——轴向应变；

Δh——剪切过程中试样轴向变形，单位为毫米（mm）；

ε3——试样平均径向应变；

ΔD—试样径向平均变化量，单位为毫米（mm）；

D0—试验前试样平均直径，单位为毫米（mm）；

Aa—剪切过程中试样截面积，单位为平方毫米（mm2）。

8.1.2单试样分级加载三轴剪切试验

8.1.2.1施加第一级围压后试样高度和面积按式（1）、（2）计算，试验中的试样轴向应变和面积按式（3）、（5）计算。

8.1.2.2按照步骤a和b进行试验：

a)施加第一级围压固结后，试样的高度和面积作为第二级围压下的起始高度和面积，按式（1）、（2）计算；

b）施加第二级围压固结后，试样的高度和面积作为第三级围压下的起始高度和面积，按式（1）、（2）计算。

8.2试样体积变化量计算

ΔV=ΔL·AV—(ΔhC+Δh)·Ap………（6）

式中：

ΔV—试样体积变化量，单位为立方毫米（mm3）；

ΔL—体变测量仪活塞杆位移量，单位为毫米（mm）；

AV—体变测量仪缸体截面积，单位为平方毫米（mm2）；

Ap—进入压力室轴向加压活塞杆的截面积，单位为平方毫米（mm2）。

8.3制图

8.3.1绘制主应力差(σ1—σ3）与应变关系曲线。

8.3.2绘制莫尔破损应力圆，并作莫尔破损应力圆包络线。

在直角坐标上，以法向应力σ为横坐标，剪应力τ为纵坐标，在坐标轴上以s1f+s3f）/2为圆心，

（s1f+s3f）/2为半径（f注脚表示破坏应力），在τ-σ应力平面图绘制莫尔破损应力圆。各个不同围压s3下破损应力圆的公切线，即为莫尔破损圆包络线。

8.4弹性模量和泊松比计算

8.4.1弹性模量计算

Et=(σ1—σ3)0.5/ε0.5…………………（7）

式中：

Et—弹性模量，单位为兆帕（MPa）；

(σ1—σ3)0.5——50％的破坏应力，单位为兆帕（MPa）；

ε0.5——(σ1—σ3)0.5所对应的应变值，10—6。

8.4.2泊松比计算

μ=ε3/ε1………………………………………………（8）

式中：

ε1—对应主应力差(σ1-σ3）与应变关系曲线直线段的轴向应变；

ε3—计算轴向应变所对应的试样总平均径向应变。

8.5内摩擦角和粘聚力计算

莫尔破损应力圆包线与纵坐标的截距为粘聚力c；此破损应力圆包线与水平线的夹角为内摩擦角φ。

求出对应的三轴剪切强度，填入附录A表内。

附录A

（规范性附录）

人工冻土三轴剪切强度试验表

工程名称：试验者：

土样编号：计算者：

试样编号：校核者：

土样说明：试验日期：