土三軸試驗的探討與研究

楊 靜

(中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院， 云南 昆明 650051)

0 前 言

在水壩和尾礦壩等巖土工程中，三軸試驗已成一項常規試驗項目，除能提供土的強度指標，尚能測定其它指標，如還可通過鄧肯等人提出的雙曲線模型亦即E、μ模型,求取應力應變關系曲線的模型參數,進一步計算土體的穩定和沉降等等。由于三軸試驗的操作比較復雜，如果試驗人員操作不統一，試樣的代表性不好，易造成較大試驗成果差異，本文通過實驗研究認為：要獲得滿意的成果，應該選取有代表性的較均勻試樣, 更應該規范操作，針對不同的土性和試驗方法，應在不同的細節上采取相應的處理方法。

1 試樣制備方面

(1) 粘性土的狀態以塑性表述，它綜合反映了土的粒度、濕度和在一定應力條件下固結形成的密度。沉積土多成層狀、各向異性。從野外取樣到室內制樣各環節，應注意保持土樣的原狀性。在制樣時既要選擇塑性相同，也要關注試樣的縱向剖面，使選取的試樣層狀結構基本一致, 土中夾有個別大顆粒，剔除后需填實，并按密度變化錯開排序4個試樣。影響砂性土抗剪強度的主要因素是初始干密度，其次是顆粒形狀、表面糙率和級配。尾礦砂樣因其特殊的堆積方式，砂樣中常混夾尾粉土或尾粉質粘土薄夾層，使各試樣間的密度和土性差異較大，造成試驗指標離散性大，且現場很難鉆取原狀結構不被擾動的三軸樣，一般在試驗的基礎上，采用擾動的砂樣重塑制樣的方法進行試驗，即直接用保持現場含水率的試樣控制密度，在三開模內擊實(或靜壓)制樣，由于試樣均勻，試驗結果也較穩定。

(2) 試樣的飽和，對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盛裝試樣，試樣在接近負一個氣壓環境下，釋放出土體中的氣體，然后注入無氣水后再恢復大氣壓力，容器中的水經過由負到正的大氣壓力作用下，在排氣后滲入土體內達到飽和。抽氣后的試樣最好靜置一夜再進行試驗，未進行試驗的飽和試樣應浸泡在水中保存。對于砂性土，建議制樣后直接浸泡在水中保存，做試驗前1 h拿出控去多余的水份，必要時可在儀器上進行水頭飽和。

(3) 對于軟粘土,在不固結不排水試驗時，很難測出其強度值，其原因是在現場取樣和室內制樣的過程中土已經被不同程度擾動而變形，實際上這是軟粘土所具有的觸變性, 軟粘土在遭到破壞后,其強度因擾動而降低，但經一段時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整后，強度能得到部分恢復，因此，制樣后最好是把試樣置入三開模內, 靜置一段時間后再進行試驗，可以測出其強度，因為軟粘土并不是泥漿，其本身存在一定強度，當然在制樣和裝樣時盡可能避免過度擾動試樣更好。

2 試驗操作

首先需要操作人員嚴格按規范要求，檢測儀器，排出管道中的氣體，保證儀器的正常運行，其次操作人員必須要熟悉規范，仔細閱讀條文，關鍵是理解規范要求。

(1) 準確測試孔隙水壓力是試驗的一項重要內容。規范要求試樣的初始飽和度應大95%，為保證孔壓能夠靈敏傳遞和準確測試，需在安裝試樣前使用無氣水對各管路做排氣處理，在試樣上裝好乳膠模和對開模后, 適當提高下排水管，使水經下排水緩慢進入對透水石(透水石在試驗前需用煮浮排氣處理)、試樣周圍與乳膠模之間進行排氣處理，當裝好試樣帽后，則需降低下排水管，在試樣中形成負壓把多余的水排出，在孔隙水的吸附作用下保持試樣直立，這一過程對砂性土尤為重要，可避免砂性土在裝樣過程中的液化變形，也可保證砂性土在裝樣過程中試樣保持飽和狀態。

(2) 為了縮短孔隙水壓力的消散時間，加速排水，一方面對粘性土在試樣的周圍貼上濾紙條，在使用Φ39.1 mm的試樣時，濾紙條的寬度約為5 mm的5～6條錯開與上下透水石相連。另一方面在固結時打開上下排水閥門，讓試樣在固結過程中雙面排水，無需測定試樣的排水過程，可以減少試樣的固結時間，一般的粘性土固結24 h，砂性土則4～6 h即可，孔隙水壓力就基本消散，即主固結完成可進行剪切。另外，把上下兩根排水量管用膠管聯在一起，測讀排水量只需記一根管的數即可，更方便也更準確測量排水量的變化。

(3) 三軸試驗較為復雜，用時較長，僅向壓力室加水或排水的過程就需5～6 min，若把加排水裝置拆除，用個小塑料桶裝上水再接上1根小塑料管，加水時只需抬高塑料桶，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，簡單、省時省事。

(4) 無側限抗壓強度試驗，需人工轉動無側限儀上的手輪，同時還要測記手輪轉數并記錄，操作比較繁瑣，且容易記錯轉數，轉速也不均勻。若把三軸儀上的壓力室去掉有機玻璃罩，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側限抗壓強度試驗，試驗時，在不加任何側向壓力的情況下，對圓柱體試樣施加軸向壓力，直至試樣剪切破壞為止。對有多組試樣的情況更方便，試驗時無需拆動壓力室，數據也可直接采集到微機中，計算也方便，結果更穩定可靠。無側限抗壓強度試驗本身就是三軸壓縮試驗中周圍壓力σ3=0的一種特殊情況，從理論上來說是完全可行的。

(5) 由于現場取樣不規范，同時土樣本身的不均勻性。建議在做固結排水剪和固結不排水剪時應保證4個試樣點。

3 資料整理

(1) 判定破壞點是成果整理的關鍵，如按應力峰值判定，規范規定當峰值出現后，繼續剪3%～5%的軸向應變結束；若無峰值出現，就按最大應變設定，按規范選擇15%～20%結束試驗。在實踐中我們認為當應力應變曲線無峰值、無穩定值時，以極限應變對應的主應力差作為取值標準，即取應變為15%更合理,也易被試驗人員掌握，同時便于資料對比。

(2) 在三軸試驗成果中目前一般只提Cu、φu值,實際上土的孔隙水壓力系數B、A值在水壩邊坡計算上也是非常有用的試驗指標，應在成果中反映出來。

(3) 在尾礦土高應力的三軸試驗中，發現在800～1200 kPa荷載下抗強度包線會出現一個明顯拐點，也就是說1200 kPa荷載后, 強度包線在高應力狀態下會出現c值變大,φ值變小的又一條直線, 說明土的強度特性會受應力歷史、應力水平等的影響，也許是土中的粗顆粒在高應力下破碎后導致的，使得土的強度包線并非一條直線，需引起試驗人員注意，在一些特殊工程中應做垂直荷重800～2000 kPa的高應力三軸試驗。

(4) 非線性彈性模型參數整理中，在用εa～εa(σ1-σ3)關系圖確定a和b值和用εr～εr/εa關系圖確定G、F參數時，各單位整理的標準并不相同，有用破壞時軸向應變控制，也有用應力水平控制，從實驗的整理的情況看，軸向應變εa<1%以前的數據點在曲線上都比較凌亂離散，很難確定其直線段，而在應力水平的70%～90%有很好的直線段，可用來確定a和b值，而確定D與F參數時用應力水平的70%～90%與90%～100%兩段都出現較好的直線段，故用兩段來整理G、F參數較為合理。

4 結 語

土體的破壞通常是剪切破壞比沉降破壞更具危害性，而三軸試驗理論上比較嚴格，能較好的反映抗剪強度的實質，能檢驗土體處于不同固結情況下的穩定性。隨著三軸試驗的普及，特別是全自動三軸儀、真三軸儀等的發展完善，土工試驗必將得到進一步發展，同時，實驗操作人員必須加強理論學習、總結經驗，對試驗的結果給于必要的干預和修正,才能為工程地質人員提出更合理的試驗資料。

參考文獻：

[1]GB/T 50123-1999,土工試驗方法標準[S].中華人民共和國建設部,1999.

[2]YSJ 225-92，土工試驗規程[S].中國有色金屬工業總公司,1999.