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—庫侖破壞準(zhǔn)則測定土的總抗剪強(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。可以采取一個(gè)試樣的多級加荷方式或者取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試樣中排出的流體體積進(jìn)入受壓室的水的體積測得的。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試結(jié)果。

有些土樣本來是飽和的，從地下取出后，土中的溶解空氣可能游離出來，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，從而不能正確量測試樣體積的變化。所以試驗(yàn)前一定要對試樣進(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，也都是影響量測精度的因素。

3 摩阻力對試驗(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)備來量測的。測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。

對于應(yīng)變控制式試驗(yàn)機(jī)來說，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。或者在壓力室內(nèi)部設(shè)置壓力量測系統(tǒng)，測得土樣所受到的真正的壓力值。

4 兩端應(yīng)力不同對試驗(yàn)的影響

人們已經(jīng)認(rèn)識到，以土的應(yīng)力—應(yīng)變特性為依據(jù)的土工問題的分析方法，已成為土工建筑物設(shè)計(jì)和性態(tài)預(yù)測的最有成效的方法，是量測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

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)過程本身技術(shù)上的問題，也有三軸試驗(yàn)儀器的缺陷。在試驗(yàn)過程中，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，以取得合理的測試試驗(yàn)結(jié)果;同時(shí)對于三軸儀也應(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)。

［1］黃文熙．土的工程性質(zhì)［M］．北京:水利電力出版社，1983．

［2］TB 10102-2004，鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程［S］．

［3］劉成宇．土力學(xué)［M］．北京:中國鐵道出版社，2001．

［4］胥建華，張品萃．土三軸壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)方法的對比探討［J］．地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2003(2):70-71．

［5］張軍艦．對多級加荷三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)應(yīng)用的探討［J］．煙臺大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，19(1):33-34．