土三軸試驗(yàn)的探討與研究

楊 靜

(中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院， 云南 昆明 650051)

0 前 言

在水壩和尾礦壩等巖土工程中，三軸試驗(yàn)已成一項(xiàng)常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目，除能提供土的強(qiáng)度指標(biāo)，尚能測(cè)定其它指標(biāo)，如還可通過(guò)鄧肯等人提出的雙曲線(xiàn)模型亦即E、μ模型,求取應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)的模型參數(shù),進(jìn)一步計(jì)算土體的穩(wěn)定和沉降等等。由于三軸試驗(yàn)的操作比較復(fù)雜，如果試驗(yàn)人員操作不統(tǒng)一，試樣的代表性不好，易造成較大試驗(yàn)成果差異，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為：要獲得滿(mǎn)意的成果，應(yīng)該選取有代表性的較均勻試樣, 更應(yīng)該規(guī)范操作，針對(duì)不同的土性和試驗(yàn)方法，應(yīng)在不同的細(xì)節(jié)上采取相應(yīng)的處理方法。

1 試樣制備方面

(1) 粘性土的狀態(tài)以塑性表述，它綜合反映了土的粒度、濕度和在一定應(yīng)力條件下固結(jié)形成的密度。沉積土多成層狀、各向異性。從野外取樣到室內(nèi)制樣各環(huán)節(jié)，應(yīng)注意保持土樣的原狀性。在制樣時(shí)既要選擇塑性相同，也要關(guān)注試樣的縱向剖面，使選取的試樣層狀結(jié)構(gòu)基本一致, 土中夾有個(gè)別大顆粒，剔除后需填實(shí)，并按密度變化錯(cuò)開(kāi)排序4個(gè)試樣。影響砂性土抗剪強(qiáng)度的主要因素是初始干密度，其次是顆粒形狀、表面糙率和級(jí)配。尾礦砂樣因其特殊的堆積方式，砂樣中?；鞀A尾粉土或尾粉質(zhì)粘土薄夾層，使各試樣間的密度和土性差異較大，造成試驗(yàn)指標(biāo)離散性大，且現(xiàn)場(chǎng)很難鉆取原狀結(jié)構(gòu)不被擾動(dòng)的三軸樣，一般在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用擾動(dòng)的砂樣重塑制樣的方法進(jìn)行試驗(yàn)，即直接用保持現(xiàn)場(chǎng)含水率的試樣控制密度，在三開(kāi)模內(nèi)擊實(shí)(或靜壓)制樣，由于試樣均勻，試驗(yàn)結(jié)果也較穩(wěn)定。

(2) 試樣的飽和，對(duì)于粘性土宜采用抽氣飽和的方法，即在與真空泵連接的容器內(nèi)盛裝試樣，試樣在接近負(fù)一個(gè)氣壓環(huán)境下，釋放出土體中的氣體，然后注入無(wú)氣水后再恢復(fù)大氣壓力，容器中的水經(jīng)過(guò)由負(fù)到正的大氣壓力作用下，在排氣后滲入土體內(nèi)達(dá)到飽和。抽氣后的試樣最好靜置一夜再進(jìn)行試驗(yàn)，未進(jìn)行試驗(yàn)的飽和試樣應(yīng)浸泡在水中保存。對(duì)于砂性土，建議制樣后直接浸泡在水中保存，做試驗(yàn)前1 h拿出控去多余的水份，必要時(shí)可在儀器上進(jìn)行水頭飽和。

(3) 對(duì)于軟粘土,在不固結(jié)不排水試驗(yàn)時(shí)，很難測(cè)出其強(qiáng)度值，其原因是在現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)制樣的過(guò)程中土已經(jīng)被不同程度擾動(dòng)而變形，實(shí)際上這是軟粘土所具有的觸變性, 軟粘土在遭到破壞后,其強(qiáng)度因擾動(dòng)而降低，但經(jīng)一段時(shí)間的靜置土顆粒重新排列，膠體重新凝聚，水的吸附作用重新調(diào)整后，強(qiáng)度能得到部分恢復(fù)，因此，制樣后最好是把試樣置入三開(kāi)模內(nèi), 靜置一段時(shí)間后再進(jìn)行試驗(yàn)，可以測(cè)出其強(qiáng)度，因?yàn)檐浾惩敛⒉皇悄酀{，其本身存在一定強(qiáng)度，當(dāng)然在制樣和裝樣時(shí)盡可能避免過(guò)度擾動(dòng)試樣更好。

2 試驗(yàn)操作

首先需要操作人員嚴(yán)格按規(guī)范要求，檢測(cè)儀器，排出管道中的氣體，保證儀器的正常運(yùn)行，其次操作人員必須要熟悉規(guī)范，仔細(xì)閱讀條文，關(guān)鍵是理解規(guī)范要求。

(1) 準(zhǔn)確測(cè)試孔隙水壓力是試驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。規(guī)范要求試樣的初始飽和度應(yīng)大95%，為保證孔壓能夠靈敏傳遞和準(zhǔn)確測(cè)試，需在安裝試樣前使用無(wú)氣水對(duì)各管路做排氣處理，在試樣上裝好乳膠模和對(duì)開(kāi)模后, 適當(dāng)提高下排水管，使水經(jīng)下排水緩慢進(jìn)入對(duì)透水石(透水石在試驗(yàn)前需用煮浮排氣處理)、試樣周?chē)c乳膠模之間進(jìn)行排氣處理，當(dāng)裝好試樣帽后，則需降低下排水管，在試樣中形成負(fù)壓把多余的水排出，在孔隙水的吸附作用下保持試樣直立，這一過(guò)程對(duì)砂性土尤為重要，可避免砂性土在裝樣過(guò)程中的液化變形，也可保證砂性土在裝樣過(guò)程中試樣保持飽和狀態(tài)。

(2) 為了縮短孔隙水壓力的消散時(shí)間，加速排水，一方面對(duì)粘性土在試樣的周?chē)N上濾紙條，在使用Φ39.1 mm的試樣時(shí)，濾紙條的寬度約為5 mm的5～6條錯(cuò)開(kāi)與上下透水石相連。另一方面在固結(jié)時(shí)打開(kāi)上下排水閥門(mén)，讓試樣在固結(jié)過(guò)程中雙面排水，無(wú)需測(cè)定試樣的排水過(guò)程，可以減少試樣的固結(jié)時(shí)間，一般的粘性土固結(jié)24 h，砂性土則4～6 h即可，孔隙水壓力就基本消散，即主固結(jié)完成可進(jìn)行剪切。另外，把上下兩根排水量管用膠管聯(lián)在一起，測(cè)讀排水量只需記一根管的數(shù)即可，更方便也更準(zhǔn)確測(cè)量排水量的變化。

(3) 三軸試驗(yàn)較為復(fù)雜，用時(shí)較長(zhǎng)，僅向壓力室加水或排水的過(guò)程就需5～6 min，若把加排水裝置拆除，用個(gè)小塑料桶裝上水再接上1根小塑料管，加水時(shí)只需抬高塑料桶，將小塑料管插入壓力室直接把水加入，拆樣時(shí)把塑料桶放在低于壓力室的地方利用虹吸法直接把水吸出即可，僅需幾十秒鐘，簡(jiǎn)單、省時(shí)省事。

(4) 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，需人工轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)側(cè)限儀上的手輪，同時(shí)還要測(cè)記手輪轉(zhuǎn)數(shù)并記錄，操作比較繁瑣，且容易記錯(cuò)轉(zhuǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)速也不均勻。若把三軸儀上的壓力室去掉有機(jī)玻璃罩，加工幾根小套管套在壓力室的柱子上，直接在三軸儀上做無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)，在不加任何側(cè)向壓力的情況下，對(duì)圓柱體試樣施加軸向壓力，直至試樣剪切破壞為止。對(duì)有多組試樣的情況更方便，試驗(yàn)時(shí)無(wú)需拆動(dòng)壓力室，數(shù)據(jù)也可直接采集到微機(jī)中，計(jì)算也方便，結(jié)果更穩(wěn)定可靠。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)本身就是三軸壓縮試驗(yàn)中周?chē)鷫毫Ζ?=0的一種特殊情況，從理論上來(lái)說(shuō)是完全可行的。

(5) 由于現(xiàn)場(chǎng)取樣不規(guī)范，同時(shí)土樣本身的不均勻性。建議在做固結(jié)排水剪和固結(jié)不排水剪時(shí)應(yīng)保證4個(gè)試樣點(diǎn)。

3 資料整理

(1) 判定破壞點(diǎn)是成果整理的關(guān)鍵，如按應(yīng)力峰值判定，規(guī)范規(guī)定當(dāng)峰值出現(xiàn)后，繼續(xù)剪3%～5%的軸向應(yīng)變結(jié)束；若無(wú)峰值出現(xiàn)，就按最大應(yīng)變?cè)O(shè)定，按規(guī)范選擇15%～20%結(jié)束試驗(yàn)。在實(shí)踐中我們認(rèn)為當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)無(wú)峰值、無(wú)穩(wěn)定值時(shí)，以極限應(yīng)變對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差作為取值標(biāo)準(zhǔn)，即取應(yīng)變?yōu)?5%更合理,也易被試驗(yàn)人員掌握，同時(shí)便于資料對(duì)比。

(2) 在三軸試驗(yàn)成果中目前一般只提Cu、φu值,實(shí)際上土的孔隙水壓力系數(shù)B、A值在水壩邊坡計(jì)算上也是非常有用的試驗(yàn)指標(biāo)，應(yīng)在成果中反映出來(lái)。

(3) 在尾礦土高應(yīng)力的三軸試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在800～1200 kPa荷載下抗強(qiáng)度包線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯拐點(diǎn)，也就是說(shuō)1200 kPa荷載后, 強(qiáng)度包線(xiàn)在高應(yīng)力狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)c值變大,φ值變小的又一條直線(xiàn), 說(shuō)明土的強(qiáng)度特性會(huì)受應(yīng)力歷史、應(yīng)力水平等的影響，也許是土中的粗顆粒在高應(yīng)力下破碎后導(dǎo)致的，使得土的強(qiáng)度包線(xiàn)并非一條直線(xiàn)，需引起試驗(yàn)人員注意，在一些特殊工程中應(yīng)做垂直荷重800～2000 kPa的高應(yīng)力三軸試驗(yàn)。

(4) 非線(xiàn)性彈性模型參數(shù)整理中，在用εa～εa(σ1-σ3)關(guān)系圖確定a和b值和用εr～εr/εa關(guān)系圖確定G、F參數(shù)時(shí)，各單位整理的標(biāo)準(zhǔn)并不相同，有用破壞時(shí)軸向應(yīng)變控制，也有用應(yīng)力水平控制，從實(shí)驗(yàn)的整理的情況看，軸向應(yīng)變?chǔ)臿<1%以前的數(shù)據(jù)點(diǎn)在曲線(xiàn)上都比較凌亂離散，很難確定其直線(xiàn)段，而在應(yīng)力水平的70%～90%有很好的直線(xiàn)段，可用來(lái)確定a和b值，而確定D與F參數(shù)時(shí)用應(yīng)力水平的70%～90%與90%～100%兩段都出現(xiàn)較好的直線(xiàn)段，故用兩段來(lái)整理G、F參數(shù)較為合理。

4 結(jié) 語(yǔ)

土體的破壞通常是剪切破壞比沉降破壞更具危害性，而三軸試驗(yàn)理論上比較嚴(yán)格，能較好的反映抗剪強(qiáng)度的實(shí)質(zhì)，能檢驗(yàn)土體處于不同固結(jié)情況下的穩(wěn)定性。隨著三軸試驗(yàn)的普及，特別是全自動(dòng)三軸儀、真三軸儀等的發(fā)展完善，土工試驗(yàn)必將得到進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)操作人員必須加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果給于必要的干預(yù)和修正,才能為工程地質(zhì)人員提出更合理的試驗(yàn)資料。

參考文獻(xiàn)：

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