影響固結(jié)不排水剪三軸試驗(yàn)結(jié)果的因素分析

李慧芝

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

0 引言

三軸試驗(yàn)是根據(jù)摩爾—庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則測(cè)定土的總抗剪強(qiáng)度參數(shù)和有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)及應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的一種試驗(yàn)方法，分為不固結(jié)不排水剪、固結(jié)不排水剪、固結(jié)排水剪試驗(yàn)。常用的試驗(yàn)設(shè)備是應(yīng)變控制式三軸儀?？梢圆扇∫粋€(gè)試樣的多級(jí)加荷方式或者取3個(gè)～4個(gè)試樣分別加荷的方式，得到土的三個(gè)極限或者是接近極限的應(yīng)力圓，據(jù)此得到土的強(qiáng)度線，計(jì)算確定該土的抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)步驟主要是試樣制備和飽和、試樣安裝、固結(jié)(不固結(jié)不排水剪無(wú)此步驟)、剪切、成果整理。試驗(yàn)中試樣的軸向應(yīng)變是根據(jù)試樣帽的軸向位移量和試樣的起始高度算得的。試樣的側(cè)向應(yīng)變是根據(jù)試樣的體積變化量和軸向應(yīng)變間接算得的。試樣的體積變化量是通過(guò)試樣中排出的流體體積進(jìn)入受壓室的水的體積測(cè)得的。了解影響固結(jié)不排水剪三軸試驗(yàn)結(jié)果的影響因素，并且采取有效的措施，對(duì)保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有很重要的意義。

1 飽和對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

根據(jù)太沙基理論，進(jìn)行三軸試驗(yàn)的土樣均應(yīng)為飽和土樣，一般采用的飽和方法有抽氣飽和、水頭飽和、反壓力飽和。土樣飽和程度直接影響測(cè)試結(jié)果。

有些土樣本來(lái)是飽和的，從地下取出后，土中的溶解空氣可能游離出來(lái)，當(dāng)試樣裝入三軸儀后，額外的氣泡往往被困陷在試樣同橡膠膜之間和量測(cè)系統(tǒng)之間。如果把這些氣泡和試樣孔隙中的氣泡統(tǒng)統(tǒng)排除掉，則可加快孔隙水壓力的反應(yīng)速度，并且提高量測(cè)精度。

在非飽和土中，孔隙水和氣之間的彎液面造成孔隙氣相的壓力，不同于孔隙水相的壓力，而且孔隙水還往往處于受拉狀態(tài)，需要分別測(cè)得孔隙水壓力U(或張力)和氣壓力S，才有可能準(zhǔn)確確定非飽和土的有效張力σ'。在三軸試驗(yàn)中，若試樣沒(méi)有完全飽和，則總應(yīng)力 σ=σ'+U+S。而根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理，σ=σ'+U，因?yàn)榭倯?yīng)力不變，將試樣按照飽和處理，則得到的有效應(yīng)力值將會(huì)偏大，為σ'+S。而且非飽和粘性土的不排水試驗(yàn)中，由于試樣中的孔隙空氣的壓縮，會(huì)引起試樣體積有明顯的縮小，從而不能正確量測(cè)試樣體積的變化。所以試驗(yàn)前一定要對(duì)試樣進(jìn)行充分的飽和，可以結(jié)合抽氣飽和和反壓力飽和兩種方法同時(shí)進(jìn)行，盡最大的可能來(lái)達(dá)到最好的飽和效果，滿足試驗(yàn)要求，減少試驗(yàn)誤差。

2 體變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

在飽和土的排水試驗(yàn)中，認(rèn)為從試樣中排出的孔隙水體積，就等于試樣的體積變化。但是實(shí)際上的排水量卻往往大于在試驗(yàn)前和試驗(yàn)后的試樣重量差。其原因除了橡皮膜與試樣帽(底座)之間接合縫的漏水以及橡皮膜本身的滲透外，主要是試樣與橡皮膜之間在充氣排水過(guò)程中殘留了一些水，這些水在圍壓下擠到了量水管內(nèi)，被誤認(rèn)為是試樣中排出的孔隙水。減少誤差的辦法是，在施加圍壓前，降低量水管高程，在試樣內(nèi)形成一小的吸力，并持續(xù)一段時(shí)間，等到試樣中排水穩(wěn)定后，再進(jìn)行剪切。排水管中如果原來(lái)存在有氣體，會(huì)影響到孔隙水的排出速度，由于孔隙水壓力比較小，所以排水管中的氣體甚至?xí)璧K孔隙水的排出。橡皮膜的滲透、孔隙壓力在試樣中的傳遞速度、孔隙壓力量測(cè)設(shè)備本身的體積變化以及非飽和土中孔隙水與孔隙壓力之間的差別等，也都是影響量測(cè)精度的因素。

3 摩阻力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

圖1是土樣三軸試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變圖。

圖1 主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，在某一段當(dāng)應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，主應(yīng)力沒(méi)有發(fā)生變化，曲線中出現(xiàn)了幾段直線。在不影響儀器密閉性的前提下，將壓力室活塞上端螺絲放松，直線現(xiàn)象有所緩解，這主要由于活塞和軸套之間的摩擦力造成的。

作用在試樣上的活塞荷重，是用應(yīng)變控制式試驗(yàn)機(jī)和量力環(huán)、磅秤或者是簡(jiǎn)單杠桿施加的。施加的荷重，通常是用裝置在受壓室外面的量力設(shè)備來(lái)量測(cè)的。測(cè)得的荷重是指作用在活塞上端的荷重，這一荷重減去活塞與軸套之間的摩擦力以及受壓室的流體壓力對(duì)活塞的頂托力以后，才是試樣所受到的實(shí)有活塞的荷重。

對(duì)于應(yīng)變控制式試驗(yàn)機(jī)來(lái)說(shuō)，消除活塞與軸套之間摩擦力的方法是在施加圍壓以后，活塞尚未接觸試樣以前，開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，以預(yù)定的變形速率使活塞移動(dòng)，這時(shí)，將量力環(huán)上的量表數(shù)設(shè)置成零，就可消除摩擦力和頂托力影響?；蛘咴趬毫κ覂?nèi)部設(shè)置壓力量測(cè)系統(tǒng)，測(cè)得土樣所受到的真正的壓力值。

4 兩端應(yīng)力不同對(duì)試驗(yàn)的影響

人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，以土的應(yīng)力—應(yīng)變特性為依據(jù)的土工問(wèn)題的分析方法，已成為土工建筑物設(shè)計(jì)和性態(tài)預(yù)測(cè)的最有成效的方法，是量測(cè)試樣邊界上的力和位移，并假定這些力和位移均勻分布在整個(gè)試樣上，從而算出應(yīng)力和應(yīng)變。試樣在小的軸向應(yīng)變下的應(yīng)力尚屬均勻，在大的軸向應(yīng)變下，試樣的應(yīng)力是很不均勻的。三軸儀的主要缺點(diǎn)之一是試樣中的應(yīng)力和應(yīng)變還不夠均勻。其原因是剛性試樣帽和底座限制試樣的末端向側(cè)向變形，也就是在試樣帽(和底座)與試樣之間存在有剪應(yīng)力，而在試樣的中間部分，卻不受約束，當(dāng)試樣接近破壞時(shí)，不是被壓成鼓形，就被擠成頸狀。這時(shí)，試樣中的應(yīng)力顯然也是不均勻的。

試樣末端受到約束的現(xiàn)象，早就為人們所注意，泰勒曾經(jīng)用較大高徑比的試樣來(lái)減少末端約束的影響。當(dāng)高徑比不小于2時(shí)，末端約束對(duì)強(qiáng)度的影響就可以忽略不計(jì)。所以常規(guī)的三軸試驗(yàn)中，都規(guī)定試樣的高徑比在2～2．5之間。然而，要對(duì)土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的研究，單靠增加試樣的高徑比，也不是很理想的解決辦法，只有設(shè)法消除末端約束，才是根本的出路之一。

5 結(jié)語(yǔ)

以上討論的幾個(gè)影響固結(jié)不排水試驗(yàn)的因素既有三軸試驗(yàn)過(guò)程本身技術(shù)上的問(wèn)題，也有三軸試驗(yàn)儀器的缺陷。在試驗(yàn)過(guò)程中，從試樣的取樣、飽和、裝樣、固結(jié)排水，每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)該嚴(yán)格按照規(guī)范操作，當(dāng)試樣滿足試驗(yàn)條件后方能進(jìn)行，以取得合理的測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果;同時(shí)對(duì)于三軸儀也應(yīng)不斷改進(jìn)，減少試驗(yàn)儀器引起的誤差。當(dāng)然，除了以上討論的這些因素之外，還存在著其他因素影響固結(jié)不排水試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)在試驗(yàn)中充分重視，積累經(jīng)驗(yàn)，不斷完善試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)手段，力求為地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算提供更為可靠的參數(shù)。

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