淺談常規(guī)三軸試驗(yàn)及其影響因素

【摘要】三軸試驗(yàn)主要目的是測定土的抗剪強(qiáng)度和探究其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，本文具體介紹了常規(guī)三軸試驗(yàn)及其試驗(yàn)方法，詳細(xì)分析了試樣制備、端部約束、試樣飽和方法、橡皮膜、試樣剪切速率等影響因素。為探尋三軸試驗(yàn)影響因素及提高試驗(yàn)精度提供基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】三軸試驗(yàn)；試驗(yàn)方法；影響因素；橡皮膜

三軸壓縮試驗(yàn)是土工試驗(yàn)中一種非常重要的力學(xué)性能試驗(yàn)，其用途主要是測定土的抗剪強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。研究土的抗剪強(qiáng)度規(guī)律對于工程設(shè)計(jì)、施工和管理都具有非常重要的理論和實(shí)際意義。土的抗剪強(qiáng)度影響因素很多，比如土的組成、結(jié)構(gòu)、孔隙比、排水條件、荷載形式、土中應(yīng)力等，正確測定這些影響參數(shù)是理論分析與實(shí)際運(yùn)用的基礎(chǔ)。

室內(nèi)測定抗剪強(qiáng)度的方法一般分為三種：直接剪切試驗(yàn)，三軸壓縮試驗(yàn)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，即三軸試驗(yàn)中的一種特殊情況。三軸壓縮試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)都是利用摩爾-庫侖原理測定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，但是直接剪切試驗(yàn)不能控制試樣的排水條件，受力狀態(tài)不明確，無法測量孔隙水壓力，因此，三軸試驗(yàn)越來越得到廣泛的應(yīng)用。

1、 三軸壓縮試驗(yàn)儀器

三軸壓縮試驗(yàn)直接測量的是試樣在不同恒定周圍壓力下的抗壓強(qiáng)度，然后利用摩爾-庫倫破壞原理間接推求土的抗剪強(qiáng)度。

三軸壓縮儀主要由壓力室，加壓系統(tǒng)和測量系統(tǒng)三部分組成。三軸壓力室是一個金屬頂蓋、底座、透明有機(jī)玻璃圓筒組成的密閉容器。試樣為圓柱體，高度與直徑之比按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》采用2～2.5。試樣安裝在壓力室中，外用柔性橡皮膜包裹，橡皮膜扎在試樣帽和底座上，試樣上、下兩端可根據(jù)要求放置透水石或不透水板。試驗(yàn)時試樣的排水，由與頂部連通的排水閥來控制。試樣底部與孔隙水應(yīng)力量測系統(tǒng)相連接，試樣的周圍壓力，由與壓力室直接相連的壓力源來供給。試樣的軸向壓力增量，由與頂部試樣帽直接接觸的傳壓活塞桿來傳遞使試樣受剪，直至剪破。在受剪過程中同時要測讀試樣的軸向壓縮量，以便計(jì)算軸向應(yīng)變。

2 、常規(guī)三軸試驗(yàn)方法

三軸試驗(yàn)根據(jù)試樣的固結(jié)和排水條件不同，可分為不固結(jié)不排水剪（UU試驗(yàn)）、固結(jié)不排水剪（CU試驗(yàn)）、固結(jié)排水剪（ CD試驗(yàn)）三種方法。分別對應(yīng)于直剪試驗(yàn)的快剪、固結(jié)快剪和慢剪試驗(yàn)。在進(jìn)行不同方法的三軸試驗(yàn)時，都要先使試樣在周圍壓力下固結(jié)穩(wěn)定。

3 、三軸試驗(yàn)的主要影響因素

3.1 試樣制備

在三軸試驗(yàn)當(dāng)中，制備試樣是試驗(yàn)的起始階段也是影響后期試驗(yàn)結(jié)果精確性和可靠性的重要環(huán)節(jié)。試樣制備初期，應(yīng)考慮試樣材料結(jié)構(gòu)的特殊性，取樣時盡可能保持材料的均勻性，同時在試樣尺寸的選取上，應(yīng)當(dāng)依據(jù)規(guī)范要求并結(jié)合試驗(yàn)需要科學(xué)制定。一般對于土而言，試樣高度H與直徑D之比應(yīng)為2.0～2.5，對于有裂隙軟弱面或構(gòu)造面的試樣，直徑D宜采用101mm。試樣的制備過程當(dāng)中，人工拌制對于材料均勻程度的影響；裝料振搗過程中，各人力度以及振搗方式不同對于試件密實(shí)程度的影響都在試樣的制備階段起到影響作用。

3.2 端部約束

三軸試驗(yàn)中，試樣由于受到端部試樣帽（底座）的約束作用，導(dǎo)致試樣在剪切過程中會出現(xiàn)較為明顯的不均勻變形現(xiàn)象，造成這一現(xiàn)象的原因在于試樣端部與透水石或墊板之間存在摩擦或膠黏作用。此外，由于端部的約束作用，試樣的孔隙壓力分布不均勻，試樣兩端的孔隙壓力與試樣剪切區(qū)的孔隙壓力存在一定差別，故在三軸固結(jié)排水剪試驗(yàn)中，應(yīng)當(dāng)采用緩慢的剪切速率來消除端部約束。

3.3 試樣的飽和

三軸試驗(yàn)的飽和方法主要有抽氣飽和、水頭飽和、反壓力飽和和二氧化碳飽和等方法，前兩種方法需要較長時間使試樣達(dá)到試驗(yàn)需要飽和度，而后兩種方法可使試樣較快達(dá)到試驗(yàn)需要飽和度。水頭飽和法適用于粉土或粉質(zhì)砂土，二氧化碳飽和法適用于無粘性的松砂、緊砂及密度低的粉質(zhì)土。故一般室內(nèi)試驗(yàn)采用的飽和法為抽氣飽和法和反壓力飽和法。

3.4 橡皮膜的影響

在三軸試驗(yàn)當(dāng)中，試樣是被橡皮膜包裹，以防止壓力室中的水或氣進(jìn)入試件。周圍壓力通過橡皮膜作用在試樣上。對于三軸試驗(yàn)中橡皮膜的影響，筆者認(rèn)為橡皮膜對試驗(yàn)的影響主要體現(xiàn)在以下方面：

1）在三軸試驗(yàn)中，橡皮膜是包裹在試樣上的，當(dāng)試件受到軸向力作用產(chǎn)生膨脹或剪切破壞時，橡皮膜對試件產(chǎn)生約束作用，增大了試件破壞時所需要的軸向力，從而使試驗(yàn)結(jié)果偏大。根據(jù)長江水利水電科學(xué)研究院試驗(yàn)研究成果及國外一些資料表明，當(dāng)試樣的剪切破壞形式為塑性鼓狀破壞時，橡皮膜對試驗(yàn)結(jié)果的影響很小，可以不作校正。當(dāng)剪切破壞形式為脆性破壞時，應(yīng)根據(jù)破裂面傾角的大小進(jìn)行模擬試驗(yàn)校正。

2）在三軸不排水試驗(yàn)中，假定試樣的體積在試驗(yàn)過程中不發(fā)生變化，但是由于橡皮膜的嵌入使得該假設(shè)不成立。試驗(yàn)開始階段，橡皮膜在有效周圍壓力的作用下嵌入試件表面孔隙中，當(dāng)試件剪切時，隨著試樣內(nèi)部孔壓的上升，有效周圍壓力減少，使得橡皮膜的嵌入深度也隨之減少，橡皮膜嵌入深度改變引起試樣體積變化，因此，不排水試驗(yàn)并非 “常體積”試驗(yàn)。

3.5 剪切速率的影響

對于不固結(jié)不排水試驗(yàn)，不需要測量孔隙壓力，剪切速率可取0.5～1.0%/min。對于固結(jié)不排水試驗(yàn)，一般是在試樣的底部測量孔隙水壓力，在剪切的過程中，試樣剪切區(qū)的孔隙水壓力需要一定時間達(dá)到均勻分布并傳遞到試樣底部，若剪切過快，孔隙水壓力會產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，影響試驗(yàn)結(jié)果。對于不同的土體應(yīng)選取不同的剪切速率，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程（SL237-1999）》，粉質(zhì)土的剪切應(yīng)變速率取0.1-0.5%/min；塑性指數(shù)低、密度小的粘質(zhì)土取0.05-0.1%/min；高密度粘性土剪切速率小于0.05%/min。張文珍等人根據(jù)研究得出對于高密度的粘性土剪切應(yīng)變速率一定要小于0.05%/min，建議接近0.02%/min。

4 、結(jié)語

三軸壓縮試驗(yàn)是目前科研與實(shí)際工程應(yīng)用中采用最為廣泛的一種土工試驗(yàn)，本文通過對常規(guī)三軸試驗(yàn)的簡單介紹以及對試樣制備、端部約束作用、試樣飽和方法與飽和程度、橡皮膜嵌入度、試樣剪切速率等影響因素的簡單分析，為繼續(xù)開展三軸試驗(yàn)研究，精確測定土的抗剪強(qiáng)度與研究土的應(yīng)以應(yīng)變關(guān)系提供了基礎(chǔ)。

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