三軸試件抽氣飽和方法及其對固結(jié)不排水剪強度試驗的影響分析

郗　寧

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津　300251)

三軸壓縮試驗是測定土的抗剪強度的一種較為完善的方法。在三軸壓縮試驗中，原狀試樣由于取樣時應(yīng)力釋放，有可能產(chǎn)生孔隙中不完全充滿水而不飽和，試驗時需采用人工方法使試樣飽和[1-3]。

文獻[1]根據(jù)土樣的透水性能，推薦選擇性地使用浸水飽和法、毛細管飽和法和抽氣飽和法。對于滲透系數(shù)小于、等于10-4cm/s的細粒土，推薦采用抽氣飽和法[1-3]。

抽氣飽和方法的基本過程為：先對試樣進行真空抽氣處理，使試樣孔隙中處于低壓。再對試樣浸水，使試樣孔隙以水充填而進入飽和狀態(tài)。

由于砂類土及粗粒土在勘察的鉆孔、取樣過程中極易受到擾動破壞，工程實踐中采取的原狀土絕大多數(shù)均為粉土和黏性土。這些土同時也正是“滲透系數(shù)小于、等于10-4cm/s的細粒土”。因此，抽氣飽和方法已經(jīng)成為土工試驗中最為常用的一種飽和方法。這種飽和方法也同樣被廣泛應(yīng)用于對三軸壓縮試件的飽和預處理。

近些年來，國內(nèi)外越來越多的三軸儀本身集成了由真空泵、空壓機等組成的水氣交換系統(tǒng)，使抽氣飽和、反壓飽和等飽和方法可以方便地轉(zhuǎn)換銜接，使試驗人員有條件對試樣進行更復雜的處理[4-7]。但是，在這種三軸儀使用的過程中，由于試驗者對抽氣飽和法有不同的理解，在生產(chǎn)實踐中出現(xiàn)了真空缸內(nèi)抽氣和壓力室內(nèi)抽氣兩種具體的操作方法。它們的基本過程類似，但試件在兩種飽和過程中的應(yīng)力狀態(tài)卻有明顯差異，進而影響著抗剪強度試驗結(jié)果。

本文將對三軸壓縮試驗中這兩種抽氣飽和方法及其對抗剪強度試驗結(jié)果的影響進行理論分析和試驗研究。

1　兩種抽氣飽和方法

1.1　真空缸內(nèi)抽氣飽和法

文獻[1]描述的抽氣飽和法中，試樣飽和在真空飽和裝置的真空缸內(nèi)完成，這里稱之為“真空缸內(nèi)抽氣飽和法”。該方法采用的真空飽和裝置如圖1所示。

圖1　真空飽和裝置

其操作過程為：將三軸試樣貼上濾紙，用特制的三軸飽和器固定。將裝有試樣的飽和器放入真空缸內(nèi)，并做好密封。抽出真空缸內(nèi)氣體，使真空缸內(nèi)達到真空，并維持一段時間(不少于1 h)，微開水缸管夾，使清水徐徐注入真空缸，并在注水過程中繼續(xù)抽氣，使真空缸內(nèi)保持真空。待水淹沒飽和器后停止抽氣。開管夾使空氣進入真空缸，靜置一段時間(細粒土宜為10 h)使試樣充分飽和。

1.2　壓力室內(nèi)抽氣飽和法

近些年來，為了方便試驗人員對試樣進行更復雜的試樣處理，出現(xiàn)了集成水、氣交換系統(tǒng)的三軸壓縮試驗儀。這種水、氣交換系統(tǒng)可以使真空泵與排水管和孔隙水壓力測管管路相連，即真空泵可以直接與三軸儀壓力室內(nèi)與試樣頂部、底部相通的管路相連，從而具備了對安裝于壓力室內(nèi)的試樣直接進行真空抽氣處理的功能，如圖2。

圖2　三軸儀真空抽氣系統(tǒng)

在使用這類三軸儀進行試驗的過程中，出現(xiàn)了比照真空缸內(nèi)抽氣飽和法進行操作的另外一種抽氣飽和方法。這種抽氣飽和方法的試樣飽和在三軸儀壓力室內(nèi)完成，這里稱之為“壓力室內(nèi)抽氣飽和法”。

其操作過程為：按照三軸試驗要求，將三軸試樣貼上濾紙，套上橡皮膜，安裝到三軸儀壓力室內(nèi)。調(diào)節(jié)閥門，使真空泵連接排水管和孔隙水壓力測管，開啟真空泵抽氣，并使真空度維持一段時間。之后，關(guān)閉連接試樣底端的孔隙水壓力閥和連接試樣頂端的排水管閥，停止抽氣。緩緩打開孔隙水壓力閥，使蒸餾水徐徐進入試樣。待試樣進水基本完成后，打開排水管閥，靜置一段時間，或轉(zhuǎn)換以反壓飽和法使試樣飽和。

這種對非飽和土樣直接安裝上三軸儀進行飽和處理的方法，在文獻[8]中被稱為“Dry Mounting Method”，即“干安裝法”。但文獻[8]指出，當采用干安裝法時，可采用不大于35 kPa(5 lb/in2)，不超過土樣固結(jié)壓力的部分真空對試樣進行抽氣處理，而我國規(guī)范中并無對這一方面的明確規(guī)定。

2　對兩種抽氣飽和方法的對比分析

粗略看來，上述兩種抽氣飽和方法基本相同。即，兩種方法都按照對試樣“抽氣→浸水→靜置至飽和”的步驟進行。試驗表明，兩種抽氣飽和方法均能使試樣達到試驗所需的飽和度。

然而，試樣在真空缸內(nèi)和壓力室內(nèi)卻處于不同的真空環(huán)境。

(1)采用真空缸內(nèi)抽氣飽和法時，試件放置在密閉的真空缸內(nèi)。此時，試樣雖由飽和器固定，但由于飽和器上下均墊有透水石，且試樣側(cè)面和頂、底部墊有濾紙，可以使試樣內(nèi)部孔隙水壓和孔隙氣壓與試樣外部氣壓保持一致。

對于高飽和度土，忽略基質(zhì)吸力，認為孔隙水壓和空隙氣壓相等[5，9]。以當?shù)卮髿鈮簽榛鶞实南鄬簭姳硎緣毫?，當試樣剛放入真空缸，尚未抽氣時，試樣內(nèi)孔隙水壓uw和孔隙氣壓ua與真空缸內(nèi)壓力pr相等，都等于大氣壓力pa，即此時uw=ua=pr=0；當對真空缸抽氣，使真空缸內(nèi)相對壓強pr達到某一真空壓力-p時，則試樣內(nèi)孔隙水壓uw也接近于該值，即此時uw=ua=pr=-p。而多數(shù)氣體則會隨著抽氣的過程溢出試樣，被真空泵抽氣帶出真空缸外。

在整個抽氣過程中，由于試樣內(nèi)的孔隙壓力u與真空缸內(nèi)其他位置壓力相等，根據(jù)Terzaghi有效應(yīng)力原理，試樣土體所受的有效壓力不變。即

Δσ′=0

(1)

式中，Δσ′為試樣中有效應(yīng)力變化值。

(2)在三軸試驗中，采用壓力室內(nèi)抽氣飽和法時，試件被壓力室內(nèi)的試樣基座上，試樣上、下表面可分別通過排水管和孔隙水壓力測管與真空泵連通。但試樣外部套有橡皮膜，隔絕了試樣內(nèi)部和壓力室內(nèi)其他位置的水、氣交換通道。因此，試樣內(nèi)部孔隙水壓和孔隙氣壓與試樣外部、壓力室內(nèi)其他位置氣壓不能保持一致。

仍以當?shù)卮髿鈮簽榛鶞实南鄬簭姳硎緣毫?，并忽略基質(zhì)吸力和試樣內(nèi)空氣氣泡的表面張力對試樣內(nèi)部孔隙水壓和孔隙氣壓的影響。當試樣剛安裝完成，尚未抽氣時，試樣內(nèi)孔隙水壓uw和孔隙氣壓ua與壓力室內(nèi)氣壓pr相等，都等于大氣壓力pa，即此時uw=ua=pr=0；當對試樣抽氣，使試樣內(nèi)孔隙相對壓力穩(wěn)定在某一真空壓力-p時，則試樣內(nèi)孔隙水壓uw和孔隙氣壓ua等于該值，即此時uw=ua=-p。而由于試樣上的橡皮膜隔絕了其內(nèi)外的水、氣交換，因此壓力室內(nèi)氣壓pr仍等于大氣壓力，即pr=0。

這就造成了試樣內(nèi)孔隙壓力與壓力室內(nèi)其他位置的壓力差，正因如此橡皮膜也會出現(xiàn)緊貼試樣的現(xiàn)象。此時，試樣孔隙壓力變化值

Δu=-p

(2)

而在這一過程中，試樣所受的總應(yīng)力并沒有變化，即

Δσ=Δσ′+Δu=0

(3)

式中，Δσ為試樣中總應(yīng)力變化值；Δσ′為試樣中有效應(yīng)力變化值。

由(3)式可知，試樣中降低的孔隙壓力Δu將會導致有效應(yīng)力相應(yīng)的增加，聯(lián)立(2)式可得，壓力室內(nèi)抽氣飽和法抽氣后，試樣的有效應(yīng)力變化值

Δσ′=p

(4)

在低海拔地區(qū)，真空泵對試樣抽氣時往往能得到接近-100 kPa的真空壓力，而這時就相當于給試樣在軸向壓縮前施加了約100 kPa的有效壓力。由于我國規(guī)范中對干安裝法三軸試驗的抽氣壓力過程做出明確規(guī)定，試驗操作中通常會使試樣進入80～100 kPa的有效壓力而產(chǎn)生預先固結(jié)。

3　兩種抽氣飽和方法對固結(jié)不排水剪強度試驗結(jié)果的影響

從前面的分析可知，三軸試驗采用壓力室內(nèi)抽氣飽和法會導致試樣在軸向壓縮前預先經(jīng)受了不大于100 kPa的固結(jié)歷史。

實踐表明，黏性土正常固結(jié)土固結(jié)不排水剪極限應(yīng)力圓的包線通常為一過原點的直線，而超固結(jié)土極限應(yīng)力圓的包線大致成平緩拱曲線，且不過原點[10，11]，如圖3。

圖3　黏性土固結(jié)不排水剪強度

在三軸試驗中，通常限于三軸儀的圍壓加壓能力和軸壓測試能力，固結(jié)不排水剪試驗的第一級固結(jié)壓力一般為50～80 kPa。因此，如果采用壓力室內(nèi)抽氣飽和時土樣固結(jié)壓力達到80～100 kPa，這一固結(jié)歷史必將對其抗剪強度試驗結(jié)果造成一定的影響。

為了分析其影響程度，筆者采取了16組黏性土試樣。每組試樣采取2個試件，分別采用真空缸內(nèi)抽氣和壓力室內(nèi)抽氣飽和。經(jīng)測量抽氣后真空缸內(nèi)和壓力室內(nèi)的試樣內(nèi)壓力均達到了-95～-100 kPa。之后，對16組共32個試樣各自進行一個試樣多級剪的CU試驗。其有效應(yīng)力法抗剪強度黏聚力c′、摩擦角φ′的試驗結(jié)果見圖4，圖5。

圖4　黏聚力試驗結(jié)果對比

圖5　摩擦角試驗結(jié)果對比

由圖3、圖4可見，采用壓力室內(nèi)抽氣飽和法時，固結(jié)不排水試驗獲得的黏聚力明顯大于真空缸內(nèi)抽氣飽和試件，而壓力室內(nèi)抽氣飽和法試件得到的摩擦角略小。16組試件平均得到的兩種抽氣飽和試件的黏聚力和摩擦角比值分別約為1.4和0.8。

至此，可以得出結(jié)論：采用壓力室內(nèi)抽氣飽和法時，若不對真空壓力進行合理控制，將會使試件產(chǎn)生約80～100 kPa的預先固結(jié)過程，這往往會使試驗得到的固結(jié)不排水剪強度中黏聚力明顯增大，摩擦角略有降低。

4　結(jié)束語

(1)本身集成有真空泵等組成的水、氣交換系統(tǒng)的三軸儀，能夠使試驗人員有條件對試樣進行更復雜的處理。但是，在進行真空抽氣時，應(yīng)對真空壓力進行合理控制，使之不超過試件所承受過的有效固結(jié)壓力。

(2)用壓力室內(nèi)抽氣飽和法時，若不對真空壓力進行合理控制，將會使試件產(chǎn)生約80～100 kPa的預先固結(jié)過程，這往往會使試驗得到的固結(jié)不排水剪強度中黏聚力明顯增大，摩擦角略有降低。

[1]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國建設(shè)部.GB/T 50123—1999 土工試驗方法標準[S].北京：中國計劃出版社，1999:19-22，102-104

[2]中華人民共和國鐵道部.TB10102—2010鐵路工程土工試驗規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2011

[3]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5355—2006水利水電工程土工試驗規(guī)程[S].北京：中國電力出版社出版，2006:90-104

[4]Helen Ahnberg. Effects of Back Pressure and Strain Rate Used in Triaxial Testing of Stabilized Organic Soils and Clays[J]. Geotechnical Testing Journal, 2004，27(3):250-259

[5]魏海云，詹良通，陳云敏.高飽和度土的壓縮和固結(jié)特性及其應(yīng)用[J].巖土工程學報，2006，28(2):264-269

[6]黃博，汪清靜，凌道盛，等.飽和砂土三軸試驗中反壓設(shè)置與抗剪強度的研究[J].巖土工程學報，2012，34(7):1313-1319

[7]張向京，阮波，彭意.飽和黏性土三軸剪切性狀的試驗研究[J].鐵道科學與工程學報，2009，6(5)

[8]ASTM. D 4767-95 Standard Test Method for Consolidated Undrained Triaxial Compression Test for Cohesive Soils[S]. Pennsylvania， USA: ASTM International， 1995

[9]FREDLUND D G.非飽和土土力學[M].陳仲頤,譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997:208-253

[10] 盧肇鈞.關(guān)于軟土地基的抗剪強度指標和穩(wěn)定分析[C]∥盧肇鈞院士論文集.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997:44-53

[11] 馬建林.土力學[M].北京：中國鐵道出版社，2011:149-151