摘要：*，土的抗剪强度指标（C、φ）是用于计算建筑物地基的稳定性和确定地基承载力的主要参数。由于土的成因、颗粒级配、地基土的应力历史和强度试验方法等不同而产生差异。但从理论上认为，在有效应力条件下各类土的强度参数应该比较接近。目前国内外勘测试验单位也包括高校在内，直剪试验和三轴试验是确定土的强度参数主要手段，然而对三轴仪价格比较昂贵，结构比较复杂，操作繁琐，试验周期较长，因此通常采用直剪试验进行，对重要工程或试验研究必须采用三轴试验。考虑到这两种仪器的共性和特殊性以及他们的优缺点，我们以传承和创新的思想实现了人工智能优化设计与生产，在主要技术指标和技术要求方面均满足符合国家土工试验方法标准的条件下，开展了对标准砂在有效应力条件下的对比试验。通过对比试验和资料整理，两种仪器试验数据的重复性、稳定性较好，为此进一步了证明标准砂的强度规律符合库伦定律τ_f=σtanφ，但这两种试验中由于土样应力状态和仪器结构不同，因此得到的强度指标有很大的差异。

0  引言 

在工程实践中，建筑物地基和土工构筑物产生破坏情况，是因为土体在自重应力和附加应力作用下，土体剪应力达到土的抗剪强度。该土体处于所谓的极限平衡状态。当外部荷载不断增大，连成一个滑动面，也就是一部分土体对另一部分土体产生相对移动，即为土的剪切破坏。因此土的强度问题的研究一直在工程实践或在土力学研究中，作为重要的课题之一。

土的内聚力和内摩擦角是土的强度的重要指标，本文首先选用松散的、单一的标准砂（砂的干密度为1.57g/cm³,风干含水量0，比重为2.65，孔隙比为0.688，砂的粒径为0.07-0.25mm）进行两种仪器的对比试验，因为标准砂的强度试验方法比较简单，土的性质比较稳定，试验时间比较短促，边界条件容易控制，可比性强。

1  试验仪器和试验方法

图1  四联气压式直剪试验仪

1.1  四联直剪试验 

1.1.1  仪器介绍

采用本公司研发生产的四联气压式直剪仪（见图1）。固结压力的施加采用高精度的调压阀，通过滚动膜片和定向的活塞在气缸中施加固结压力，固结压力范围0~800kPa。剪切力的施加利用步进电机通过机械传动四个剪切盒剪切土样，剪应力的大小由力传感器经过单片机采集储存，剪切位移由步进电机转角计算，剪切速率0.001~4mm/min，剪切位移0~6mm，能够满足快剪、固结快剪、慢剪等试验。根据土的性质和试验要求，剪切速率可以任意调整。本次标准砂的试验的剪切速率为0.048mm/min，*在有效应力条件下的试验要求。

1.1.2  试验方法

称取四份94.2g的风干标准砂，通过漏斗分别向剪切盒中徐徐注入试样，制备成高度20mm，面积30cm²的试样，并在剪切盒顶部加设透水板和传压活塞，调节调压阀，按100、200、300、400kPa施加固结压力。固结时间两小时后，按0.048mm/min的剪切速度，施加剪应力直至位移达到5-6mm。

在本次试验中，直剪试验一共做了21组，每组试验四个土样，分别施加100、200、300、400kPa固结压力。21组试验结果见表1，内摩擦角值31.67°，极小值27.43°，平均值为29.88°，均方差1.214，变异系数0.04。

图2  四联多功能三轴试验仪

1.2  四联三轴试验 

1.2.1  仪器介绍

所谓四联三轴试验（见图2），是指四个不同围压的土样压力室，在同一个等应变控制条件下进行轴向加压直至破坏。

四个土样的围压分别由四个液压控制器加压，压力范围0~1600kPa；压力室置于同一个加荷平台，由机电驱动加荷平台向四个压力室施加等应变剪切位移，由于四个压力室承受四个不同围压，因此由四个力传感器所产生的剪应力与四个不同围压建立相应的应力应变关系，得到四组莫尔圆，获得了一组莫尔包线和强度值。

由于人工智能型三轴剪力仪自动化程度高，整个过程无需人工操作。在一般情况下土样直径为39.1mm，高度为80mm，围压0~1600kPa，孔压0~1600kPa，排水量0~50ml，轴向位移0-30mm，轴向压力4.8MPa。因此本仪器可以进行不同深度土层的三轴试验，同时满足高层、超高层的试样的研究。

1.2.2  试验方法

称取四份151g的标准砂，分别通过漏斗徐徐注入承膜筒的乳胶薄膜内，制备成高度为80mm，直径39.1mm的试样，装好土样帽，经微型真空泵的抽泄空气后，拆开对开模施加围压100、200、300、400kPa。

在本次试验中，三轴试验一共做了14组，每组试验四个土样，分别施加100、200、300、400kPa周围压力，剪切速率为0.05mm/min。14组试验结果见表1，内摩擦角值39.31°，极小值36.66°，平均值为38°，均方差0.735，变异系数0.02。

2  试验曲线及结果汇总

2.1部分直剪试验曲线

（a）剪应力与剪切位移的关系

(b)抗剪强度与垂直压力的关系

图3  第1组直剪试验曲线

(a)剪应力与剪切位移的关系

(b)抗剪强度与垂直压力的关系

图4  第二组直剪试验曲线

(a)剪应力与剪切位移的关系

(b)抗剪强度与垂直压力的关系

图5  第三组直剪试验曲线

2.2 部分三轴试验曲线

（a）主应力差与轴向应变的关系

(b)强度包线

图6  第1组三轴试验曲线

（a）主应力差与轴向应变的关系

(b)强度包线

图7  第二组三轴试验曲线

（a）主应力差与轴向应变的关系

(b)强度包线

图8  第三组三轴试验曲线

2.3直剪试验与三轴试验的结果汇总            

表1  两种试验结果汇总表

表2  两种试验结果比较表

3  分析意见

3.1  应力应变关系

根据21组直剪试验和14组三轴试验的结果表明，标准砂的应力应变曲线呈非线性的双曲线关系，形态稳定，符合客观规律。

3.2  强度指标

从理论到试验结果表明，无粘性的砂性土（标准砂）的内聚力为0，强度指标主要通过摩擦角反应土的性质。参照《第27届土工测试学术研讨会论文集》中，“第二届平行土工试验-砂土三轴压缩试验”一文，其中有七所高校的试验结果砂土的内聚力为0，平均内摩擦角为39.3°，与本试验的三轴试验结果比较吻合。

3.3  试验特征

由于直剪试验和三轴试验的土样，在加荷固结和剪切过程中的受力方向和剪切面有所不同，因此试验结果存在较大差异。

3.4  人工智能四联三轴仪

四联三轴仪不仅可以替代四台单联三轴仪的所有功能，而且可以获得较好的试验结果，结构紧凑、操作简单、数据可靠、提高工效数倍，推动三轴试验人工智能现代创举。

4  结论与讨论

本文采用两种不同的强度试验仪器，对标准砂进行一系列的比较试验，通过试验和资料整理得到以下几点结论：

（1）两种崭新的强度试验仪器主要技术指标均符合中华人民共和国国家标准《土工试验方法标准GB/T 50123-2019》

（2）气压式的四联直剪仪替代了杠杆砝码加荷，具有结构紧凑、操作方便、无级变速、出力大于原直剪仪的两倍，满足不同要求的强度试验；四联三轴仪是国内外土工试验中的创新，通过人工智能开发，围压可达到1600kPa，满足深层土的强度试验，一次试验可以获得四种不同围压下的强度值，该仪器可以提高四倍工效。

（3）两种不同强度的试验结果表明，砂土的强度指标内聚力均为0，三轴仪的平均内摩擦角为38°，直剪试验的平均内摩擦角为29.8°，因此砂土在三轴试验下的强度指标内摩擦角比直剪试验高出27%。

（4）本试验仅对松散标准砂的有效强度试验，而对于其他各种土性的扰动土和原状土希望同仁们一起开展有效应力下的试验研究，期待获得共识。