三軸試驗(yàn)中孔隙水壓力的影響因素分析

宗靜

（南京市測繪勘察研究院有限公司，南京 210019）

0 引言

三軸壓縮試驗(yàn)是測定土抗剪強(qiáng)度的一種較為完善的方法。三軸壓縮儀由壓力室、軸向加荷系統(tǒng)、施加周圍壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力量測系統(tǒng)等組成。三軸試驗(yàn)亦是最常用的土工試驗(yàn)之一，通過測得試樣應(yīng)力和應(yīng)變得變化來推導(dǎo)土體的本構(gòu)模型參數(shù)。三軸試驗(yàn)不可避免地受到端部接觸和端部約束、飽和方法等因素的影響［1－2］，深入研究這些問題對試驗(yàn)的影響對改進(jìn)三軸試驗(yàn)和了解土體本構(gòu)均有重要意義。

目前國內(nèi)研究人員已經(jīng)對三軸試驗(yàn)進(jìn)行了不少相關(guān)研究，其中黃博［3］等通過對標(biāo)準(zhǔn)砂的一系列固結(jié)不排水和固結(jié)排水三軸試驗(yàn)，分析了不同反壓、圍壓下飽和砂土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系、孔壓發(fā)展規(guī)律。結(jié)果表明固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)中，反壓對砂土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、孔壓發(fā)展有明顯影響，從而影響強(qiáng)度取值。陳茜等［4］對三軸試驗(yàn)條件下結(jié)構(gòu)性參數(shù)進(jìn)行簡化，得到了采用割線模量表示的結(jié)構(gòu)性參數(shù)，避免了由于起始狀態(tài)土體的主應(yīng)力差、主應(yīng)變均為零，造成基于主應(yīng)力差描述的三軸試驗(yàn)條件下結(jié)構(gòu)性參數(shù)在此狀態(tài)下均無法求解的現(xiàn)象。石露等［5］應(yīng)用FLAC3D，針對Mohr－Coulomb材料，模擬真三軸加載過程中端部摩擦對試樣強(qiáng)度和變形行為的影響。結(jié)果表明，端部摩擦也可以產(chǎn)生虛假中間主應(yīng)力效應(yīng)，即使對于無中間主應(yīng)力效應(yīng)材料，中間主應(yīng)力也會導(dǎo)致最大破壞主應(yīng)力的增加，且摩擦系數(shù)越大，這種趨勢則越明顯。韓淵明等［6］對三軸試驗(yàn)的影響因素進(jìn)行了初步探討，并對現(xiàn)行無黏性土擾動樣的制備、飽和方法進(jìn)行分析總結(jié)。陳立宏等［7］應(yīng)用矩法和線性回歸方法統(tǒng)計(jì)了小浪底64組320個(gè)固結(jié)排水三軸試驗(yàn)和多個(gè)水利工程大壩填筑料的試驗(yàn)資料，發(fā)現(xiàn)對于常規(guī)三軸試驗(yàn)，擬合p－q曲線求解抗剪強(qiáng)度參數(shù)存在高估摩擦系數(shù)、低估黏聚力的問題。譚凡等［8］目通過三軸UU、CU及CD試驗(yàn)對破裂角與內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系進(jìn)行了論證，然后展開理論分析與探討，并對三軸試驗(yàn)強(qiáng)度包線的確定存在的問題進(jìn)行了討論。結(jié)果表明：同一飽和土樣在不同類型的三軸試驗(yàn)中破裂角與由有效應(yīng)力指標(biāo)計(jì)算的破裂角基本相等，試樣的破裂角應(yīng)由有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)確定；三軸UU試驗(yàn)采用最大剪應(yīng)力作為不排水強(qiáng)度是偏危險(xiǎn)的，CU試驗(yàn)采用總應(yīng)力摩爾圓公切線確定的強(qiáng)度參數(shù)與用實(shí)際剪切面確定的參數(shù)差別較小。

以上研究人員，從不同的角度采取不同方法對三軸試驗(yàn)進(jìn)行了研究，但是對三軸試驗(yàn)中孔隙水壓力的影響因素研究較少，因此，本文重點(diǎn)從飽和方法、端部約束、土剪脹、土剪縮等方面分析了其對孔隙水壓力的影響，并提出了應(yīng)對措施，分析所得結(jié)果可供工程技術(shù)人員參考，以提高土體三軸試驗(yàn)精度。

1 三軸試驗(yàn)的基本原理與方法

土的強(qiáng)度指標(biāo)是確定土的承載能力的一個(gè)重要指標(biāo)，因此，準(zhǔn)確測定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，對于建筑工程的設(shè)計(jì)和施工有著很大的意義。目前，用三軸剪切試驗(yàn)測土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是較為普遍的一種方法，而且對于高層建筑，在進(jìn)行地質(zhì)勘察時(shí)，要求對取出的原狀土，用三軸剪切實(shí)驗(yàn)來測定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。隨著社會的發(fā)展，興建的高層建筑越來越多，使得三軸剪切實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用也越來越廣泛，所以，使三軸實(shí)驗(yàn)的檢測不斷地完善有著很大的必要性。

三軸壓縮試驗(yàn)是測定土的抗剪強(qiáng)度的一種方法。它通常用3～4個(gè)圓柱形試樣，分別在不同的恒定周圍壓力（σ3）下，施加軸向壓力，即主應(yīng)力差（σ1－σ3），進(jìn)行剪切直到破壞；然后根據(jù)摩爾－庫倫理論，求得抗剪強(qiáng)度參數(shù)。適用于測定細(xì)粒土及砂類土的總抗剪強(qiáng)度參數(shù)及有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

三軸壓縮試驗(yàn)的要點(diǎn)是：

（1）制備土樣。將原狀土制備成略大于試樣直徑和高度的毛坯，置于切土器內(nèi)用鋼絲鋸或切土刀邊削邊旋轉(zhuǎn)，直至滿足試件的直徑為止，然后按要求的高度切除兩端多余土樣。

（2）裝土。先把乳膠薄膜裝在承膜筒內(nèi)，用吸耳球從氣嘴中吸氣，使乳膠薄膜貼緊筒壁，然后套在制備好試件外面，放在壓力室的底座上（在之前應(yīng)首先將壓力室底座的透水石與管路系統(tǒng)以及孔隙水測定裝置均需充分飽和并放上一張濾紙），翻下乳膠膜的下端與底座用橡皮筋扎緊，翻開乳膠膜的上端與土樣帽用橡皮筋扎緊，最后裝上壓力筒擰緊密封螺帽，并使傳壓活塞與上樣帽接觸。

（3）施加周圍壓力。周圍壓力大小根據(jù)土樣埋深或應(yīng)力歷史來決定，若土樣為正常壓密狀態(tài)，則3～4個(gè)土樣的周圍壓力，應(yīng)在自重應(yīng)力附近選擇，不宜過大以免擾動土的結(jié)構(gòu)。

（4）在不排水條件下測定試件的孔隙水壓力。

（5）調(diào)整測量軸骸形的位移計(jì)和軸向壓力測力環(huán)百分表的初始“零點(diǎn)”讀數(shù)。

（6）施加軸向壓力，按剪切應(yīng)變速率取每分鐘0.5%～1.0%啟動電動機(jī)，當(dāng)試樣每產(chǎn)生軸向應(yīng)變?yōu)?.2%或0.5%時(shí)，測計(jì)測力環(huán)變形和孔隙水壓力，直至土樣破壞或應(yīng)變量進(jìn)行到20%為止。

（7）試驗(yàn)結(jié)束即停機(jī)，卸除周圍壓力并拆除試樣，描述試樣破壞時(shí)形狀。

2 三軸試驗(yàn)中孔隙水壓力的影響因素

2.1 飽和方法

當(dāng)土樣從原地采取出來后，由于原有的應(yīng)力被解除掉，土中溶解的空氣可能會游離出來，造成土樣不飽和；而且在三軸儀上安裝試樣時(shí)，往往有氣泡困陷在試樣與橡皮膜之間以及量測系統(tǒng)中，這些都會直接影響孔隙水壓力的量測精度，施加反壓力的方法可以較為有效地使試樣完全飽和。

所謂反壓力就是人為地在試樣內(nèi)增加孔隙水壓力，使殘留在試樣內(nèi)或試樣與橡皮膜之間的氣泡溶解于水。為了保證試樣內(nèi)有效應(yīng)力不變，在逐級增大孔隙水壓力的同時(shí)，等量地增加周圍壓力，每級的增加量視土的透水性和壓縮性而定。當(dāng)反壓力增加到接近預(yù)估值時(shí)，只增加周圍壓力，觀測孔隙水壓力增量，如果二者增量相等，則證明試樣已經(jīng)飽和。對于超固結(jié)土，判定是否飽和的方法是連續(xù)施加幾級等量的周圍壓力，如相應(yīng)各級的孔隙水壓力也相同，則試樣已經(jīng)飽和。

為了提高施加的反壓力精度，并避免反壓力大于周圍壓力造成試樣膨脹破壞而改變試樣結(jié)構(gòu)，可采用壓力表來代替周圍壓力和反壓力的指示表。施加反壓力的大小與試樣的起始飽和度以及要求達(dá)到完全飽和的時(shí)間有關(guān)。如果在施加反壓力過程中，試樣體積保持不變，則所需的反壓力可按下式計(jì)算：

式中：uas—反壓力，kPa；

ua0—起始孔隙水壓力（一般接近大氣壓值），kPa；

r—起始飽和度；

u—空氣溶解系數(shù)（在20℃時(shí)約為0.02）。

按式（1）算得不同起始飽和度下所需的反壓力，如表1所示。

表1 不同起始飽和度下所需的反壓值

從表1中可看出，按式（1）估算的反壓力值是較大的，這不但給儀器帶來很大的負(fù)擔(dān)，而且需要的時(shí)間很長，因而，在試驗(yàn)中應(yīng)先抽氣飽和，使起始飽和度提高，然后再施加反壓力使試樣完全飽和。

2.2 軸向應(yīng)變

圖1給出了振動軸向應(yīng)變與孔隙水壓力的變化曲線，可以看出，在振動的初始階段，軸向應(yīng)變的峰值與孔隙壓力的峰值相對應(yīng)，到振動后期，兩者的峰值不再相對應(yīng)，即當(dāng)應(yīng)變達(dá)到峰值時(shí)，孔隙水壓力并沒有達(dá)到最大值。

圖1 一次液化過程軸向應(yīng)變與孔隙水壓力的關(guān)系曲線

圖2 軸向應(yīng)變與孔隙水壓力峰值的發(fā)展曲線

從圖2顯示，在曲線的初始，小幅度增長的軸向應(yīng)變對應(yīng)著大幅增加的孔隙水壓力，而在曲線的后期，應(yīng)變大幅增加，但是孔隙水壓力卻基本保持不變。這說明前后的軸向應(yīng)變引起的體應(yīng)變不同，開始階段軸向應(yīng)變與體應(yīng)變緊密聯(lián)系，而后期軸向應(yīng)變主要是由于某一區(qū)域液化而產(chǎn)生的剪切破壞變形，此時(shí)，試件的體應(yīng)變增加并不多。以上也說明軸向應(yīng)變與孔隙水壓力存在一定的關(guān)系，在一個(gè)動荷載循環(huán)內(nèi)，軸向應(yīng)變的變化影響到孔隙水壓力的變化，但是殘余軸向應(yīng)變與殘余孔隙水壓力的發(fā)展卻不相同，軸向應(yīng)變可以不斷發(fā)展，而殘余孔隙水壓力卻有一個(gè)極限值。

2.3 端部約束

三軸剪切中的鼓狀變形是由于端部摩擦阻力限制了試樣端部區(qū)域的徑向變形所致。這種端部約束影響試樣的孔隙水壓力或。曾有許多方法提出來試圖解決端部約束問題，但得到廣泛應(yīng)用的只有Rowe的潤滑試樣帽。端部約束的直接作用是增加了試樣的抗剪強(qiáng)度，或?qū)е铝嗽嚇虞^大的膨脹體積變化。端部約束效應(yīng)受端部約束條件、應(yīng)力和應(yīng)變水平、試驗(yàn)材料特性和試樣密度等因素影響。圖3是Unimin砂在不同端部約束條件下的不排水剪切試驗(yàn)的結(jié)果。圖中可見，在小應(yīng)變下，有潤滑試樣帽和無潤滑試樣帽的應(yīng)力應(yīng)變曲線是一致的；但當(dāng)軸向應(yīng)變大于1%時(shí)，有潤滑的偏應(yīng)力明顯小于無潤滑的偏應(yīng)力，且兩者的差異隨應(yīng)變的增大而增加。但對于低密度試樣（D＝17.5%），兩者的應(yīng)力應(yīng)變曲線是基本重疊，不受端部約束條件的影響。也就是說，端部約束效應(yīng)隨端部摩擦阻力的減小而減小，也隨著試樣密度的下降而減小。

圖3 端部約束對試驗(yàn)結(jié)果的影響

根據(jù)上述結(jié)果可知，減小端部約束效應(yīng)的有效途徑一是制備較低密度的試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)；另一是使用潤滑試樣帽。潤滑試樣帽是由試樣帽、潤滑劑和橡皮膜構(gòu)成。潤滑劑和橡皮膜的厚度愈大，端部的摩擦阻力愈小。但需注意的是，使用過多的潤滑劑會令其在固結(jié)和剪切過程中被擠出而產(chǎn)生較大的試驗(yàn)誤差。而太厚的橡皮膜也會因?yàn)槠浔旧淼母邏嚎s性而在計(jì)算試樣的孔隙比時(shí)出現(xiàn)較大的誤差。例如，200kPa的壓力下，兩塊0.7mm厚的橡皮膜的變形可達(dá)0.21111，對于一個(gè)50mm×100mm的砂土試樣所帶來的孔隙比誤差可高達(dá)0.004。在本文的三軸試驗(yàn)中經(jīng)比較，選用硅脂作為潤滑劑，厚度約為0.05mm，橡皮膜的厚度約為0.3mm。

2.4 土剪脹（剪縮）

土的剪脹（剪縮）性：土在剪切過程中，如果體積會脹大（例如密砂），則稱為剪脹，剪脹使孔隙水壓力減少（圖4）。如果剪切時(shí)體積會減?。ɡ缢缮埃?，則稱為剪縮，剪縮使孔隙水壓力增加（圖5）。用A表示孔隙水壓力系數(shù)。剪脹時(shí)A值為負(fù)，剪縮時(shí)A值為正。

3 結(jié)論

圖4 孔隙壓力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線（剪脹時(shí)）

圖5 孔隙壓力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線（剪縮時(shí)）

事實(shí)上，從土在不排水剪中孔隙水壓力值的變化趨勢可以推演它在排水剪中體積變化的規(guī)律，反之亦然。兩者是互相對應(yīng)的。如正常固結(jié)黏土，它在排水剪切中有剪縮趨勢，所以在進(jìn)行不排水剪時(shí)，因孔隙水排不出，這剪縮趨勢就轉(zhuǎn)化為試樣中孔隙水壓力的不斷變化。反之，超固結(jié)土在排水剪中不但不排出水份，反而有剪脹而吸水的趨勢。但它在不排水剪時(shí)卻無法吸水，于是就產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓力。對于不同密度的砂土，也存在著與上述相似的規(guī)律。密砂的剪脹性比超固結(jié)黏土更是突出。起始的負(fù)孔隙水壓力的大小與土的塑性、應(yīng)力歷史和密度、飽和度有關(guān)。根據(jù)剪脹產(chǎn)生孔隙水壓力的原理，我們通過實(shí)踐，在土的飽和過程中，通過孔隙排水的路徑施加反壓；前提是反壓必須小于圍壓。試驗(yàn)表明，用此方法的試驗(yàn)取得了不錯(cuò)的效果。當(dāng)然在確定施加反壓過程中我們必須小心謹(jǐn)慎。

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