基于DL/T 5356的应力控制式粗粒土试验方法与实践

1 引言

粗粒土作为水电水利工程中广泛使用的筑坝材料，其力学特性直接影响工程的安全与稳定。DL/T 5356《水电水利工程粗粒土试验规程》是指导我国水电水利行业粗粒土试验的核心技术标准。在该规程中，应力控制式试验是测定粗粒土变形与强度特性的重要手段。本文依据DL/T 5356，系统阐述采用应力控制方式的粗粒土试验方法，包括试验设备、操作步骤、数据处理及成果应用。

2 应力控制式试验的基本原理

应力控制式试验是指对试样施加分级或连续的恒定应力，通过观测相应的变形量，建立应力-应变关系。与应变控制式相比，应力控制更贴近实际工程中荷载逐渐施加的过程，尤其适用于研究粗粒土的压缩、固结及长期强度特性。依据DL/T 5356，应力控制方式可用于：

粗粒土的侧限压缩试验（测定压缩模量、压缩指数）；
粗粒土的三轴压缩试验（用于测定抗剪强度参数）；
粗粒土的蠕变试验（研究时间相关变形）。

试验中应保证应力施加的精度和稳定性，每级应力的大小宜为预估破坏应力的1/10~1/8，且分级加荷时间间隔应满足变形稳定标准。

3 试验设备与要求

DL/T 5356对采用应力控制方式的粗粒土试验设备提出明确要求：

3.1 加载系统
应具备应力控制功能，如杠杆砝码系统、气液伺服压力系统或液压稳压装置。荷载误差不应超过±1%，且能保持恒定应力不小于24h。

3.2 压力室与量测装置
对于三轴试验，压力室应能承受最大试验压力，并配备轴向位移传感器（精度0.01mm）和体积变化量测装置。压力室内试样直径应根据最大粒径确定，通常要求试样直径D与最大粒径d之比大于5。

3.3 试样制备
按照DL/T 5356规定，粗粒土试样需进行级配缩制，控制干密度和含水率。试样直径宜为300mm、500mm或更大，高度为直径的2~2.5倍。

4 应力控制式试验操作步骤

以粗粒土三轴压缩试验（应力控制）为例，主要步骤如下：

4.1 试样安装与饱和
将制备好的试样套上橡皮膜，安装于压力室内，施加初始围压（通常为50kPa），然后进行水头饱和或反压饱和，直至孔隙水压力系数B≥0.95。

4.2 等向固结
施加预定围压，使试样等向固结。固结稳定标准：连续2h内每小时变形量不超过0.01mm。对于应力控制，应逐级施加围压至目标值，每级增量可为50kPa或100kPa。

4.3 应力控制剪切
固结完成后，保持围压不变，通过应力控制方式施加轴向应力。按每级为预估破坏偏差应力的1/10~1/8逐级加荷，每级荷载持续至轴向变形速率小于0.005mm/min为止。记录每级应力下的轴向变形和体积变化。

4.4 破坏标准
当出现以下情况之一时视为试样破坏：

轴向应变达到15%；
偏差应力峰值出现后，继续施加应力导致变形持续发展；
试样出现明显剪切面或鼓胀破坏。

4.5 试验结束与数据处理
卸除应力，拆除试样，描述破坏形态。根据应力-应变曲线计算：

初始切线模量Ei（取应力-应变曲线初始直线段斜率）；
破坏偏差应力(σ1-σ3)f；
抗剪强度参数c、φ（通过不同围压下的破坏应力绘制莫尔圆得到）。

5 应力控制与应变控制的比较

| 项目 | 应力控制 | 应变控制 |
|------|----------|----------|
| 加载方式 | 分级施加恒定应力 | 恒定速率施加应变 |
| 适用场景 | 压缩、固结、蠕变、长期强度 | 常规三轴剪切、快速破坏 |
| 破坏判断 | 变形速率标准或应变限值 | 峰值应力或应变限值 |
| 优点 | 贴近实际加载路径，可测蠕变 | 操作简便，破坏点明确 |
| 缺点 | 耗时较长，对稳定性要求高 | 难以反映长期变形 |

DL/T 5356指出，对于研究粗粒土的流变特性或需要精确控制荷载的试验，宜优先采用应力控制方式。