GDS三轴试验技术与方法第一部分
发布时间:2013-08-26

综述:这三部系列主要用于介绍岩土工程试验中最为通用的方法之——三轴试验。该报告对三轴试验这个课题提供的详尽的介绍,包括许多衍生可以用于评估土体响应范围内的工程应用。

Overview: This three part series has been written to introduce one of the most versatile tests in the geotechnical laboratory – the triaxial test. The papers provide a detailed introduction to the subject of triaxial testing, including the many variations available for assessing soil response across a range of engineering applications.

本系列文章共分为以下主题:

1. 三轴试验介绍
2. 高级三轴试验
3. 动三轴试验

引言

本文主要介绍三轴试验,包括解释试验目的,试验土体的应力状态,所需要的试验系统部件以及运行三轴试验的通用程序。本文以土力学知识为基础,对于报告中一些术语不太了解的读者,建议浏览GDS简介的第一部分-----土&岩试验系列,在那里可以查到相应的术语以及工程参数。

为什么进行三轴试验?

三轴试验目前是室内岩土试验中最为通用且运用最广泛的一种,用于研究岩土体的抗剪强度及其刚度。程序相对简单,包括直接剪切试验及能控制试样的排水及测量孔隙水压力。可以获得相应的力学参数:如内摩擦角、粘聚力及不排水抗剪强度cu,另外如剪切刚度、压缩系数和渗透系数也可以在试验中得到。图1提供一个工程应用的示例,对土边坡顶部土体进行三轴压缩,同时相应的力学参数可以再边坡坡脚得到。

三轴试验的工程应用
图1 三轴试验的工程应用

三轴试验组成

三轴试验一般需要一个直径38mm~100mm的圆柱形土样,放进压力室内受压。大多数试样高径比约2:1,且用橡胶模包裹。

为了接近土体原始状态,试验对试样的初始准备工作包含:饱和、固结及剪切。土体在剪切过程中需要施加轴向荷载,用于压缩,一般情况下不做拉伸,如图2所示为三轴试样一般组成部件。


图 2 三轴压力室的土体试样一般配置

三轴试验的类型

以下三种为主要的实验室分析方法,不同的工程应用都能得到相应的力学参数。
• (UU) 不固结不排水
• (CU) 固结不排水
• (CD) 固结排水

UU试验最为简单快捷,试验过程中土样只需进行总应力的控制和记录。可以测试不排水情况下土体抗剪强度,用来评估短期状态下土体稳定性(例如用于施工项目进行期间测试,或者跟随测试)。注意:该试验一般用于粘性土中。

CD试验另一方面适用于长时间荷载加载下的反应,在有效应力下可得到其力学参数(如c、Φ值),试验需要消耗大量时间来完成,因为对于粘性土,需要施加足够慢的剪切速率才能对孔隙水压力产生微小变化。

最后介绍CU试验,该试验最为常用,在有效应力的基础上可以确定土体力学参数(如c、Φ值)同时相对于CD试验,其剪切速率更快。 这些参数的确定通过记录试样剪切过程中超孔隙水压力变化获得。

三轴试验过程中的应力状态

图3显示的是三轴压缩试验中施加在试样上的应力分布情况。侧限应力σc的加载通过对压力室内部的试样周围的液体加压实现—也等于径向应力σr或最小主应力σ3。偏应力q通过对土样施加一个轴向应变εa获得,另外偏应力在轴向上提供的q与σc之和等于轴向应力或最大主应力σ1,当σ1 = σ3时,处于各向同性应力状态,当σ1 ≠ σ3时处于各相异性状态。


图3 三轴过程中的试验应力状态

 

注意,在进行拉伸试验时,主应力方向旋转90°,也就是说径向应力相当于最大主应力而轴向应力则提供最小主应力。

三轴试验系统组分

三轴试验由许多部件组成才能达到试样的应力状态,并进行剪切试验及数据记录。表1列出了GDS三轴系统的主要组成部分及对应的主要功能。完整系统见图4

表1 –GDS自动三轴系统的组成部分

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一般三轴试验过程

本报告简要介绍下这个部分,三轴试验,作为室内岩土试验的标准(BS1377 第8部分,1990年)主要包括4个步骤:试样和系统准备过程、饱和、固结和剪切(注意,UU试验中不要饱和及固结,详见BS1377 第7部分,1990年)。以下基于GDS三轴自动化系统来简要介绍每个步骤。

试样和系统准备工作

试样安装在压力室之前,首先必须从土样中制备试样。对于粘性土,首先用谢尔比管取原状土,在试验前从管中挤出或直接取方块样,在试验前进行修边处理。对于砂性土则可直接用模具放在基架上。对于如图5所示的粘性土,可以用承膜筒将已包裹橡胶模土样放在底座上。注意,试验制备过程中土样应尽可能受到小的扰动


图5 修整后的粘性土(左);承膜筒(中);用于砂性土的对开模。

 

试样制备完成之后,再组装压力室和系统的其他组件。在这个过程中,将压力室内充满水,连接好压力/体检控制器并按要求设定传感器。

饱和

饱和的过程通俗的讲就是将试样中的空隙填满水的过程,并且孔压传感器和排水线路应当进行除气。首先施加局部真空到样品中以去除空气,同时把水注入到传感器和排水线路,随后其围压和反压将呈线性增长。之后的过程如图6所示,在这个过程中,应该保持恒定的有效应力,任何时候,有效应力的增量都不要高于所需要的剪切值,因为这样会导致土样超固结。为了帮助土样达到完全饱和状态,需采取以下步骤:

1.用除气水充填试样空隙
2.增加反压将空气压入溶液

注意:如果不使用除气水的话,可能需要相当长的时间,或者反压需要施加高达700kPa 以上,试样才能完全饱和。


图6 通过加大反压饱和试样

试样在进行固结试验之前,一个小的参数—Skempton B值可以用来检测试样的饱和程度。所谓的B检测,是要求试样在全封闭的情况下排水,同时围压上升至约50kpa。如图7中所示,B值≥ 0.95代表试样已经完全饱和。注意,B值的大小与图的种类有关,对于一般固结的软土在完全饱和的情况下,其值达到1.00,而对于密实砂或硬粘土,即使完全饱和状态下,其值可能只有0.91。


图7 B值 确定试验饱和情况

固结

固结阶段,需要将试样压缩至剪切过程需要的有效应力状态这个过程通常通过持恒定的反压(等于B检测时候最终饱和情下的孔压)情况下增加围压实现,如图8所示,这个过程将持续行,直到试样体变ΔV非常小或者超静孔压至少消散95%。固结程中得到的试验数据可以用于估算剪切阶段施加的应变速率。


图8 试样的固结试

剪切

通过荷载架的向上(压缩)或向下(拉伸)过程,给土样提供了一个恒定速率的轴向应变来达到剪切土体的目的。速率的大小及试样的排水条件取决于三轴试验类型。表2总结了所有试验类型的 试验条件。

表2 剪切阶段的试验条件概述

剪切过程中试样的变化,可以通过偏应力q或有效主应力比σ1/σ3与轴向应变εa的变化曲线实时监测。
该阶段需要持续进行,直到达到指定破坏标准,如:识别偏应力峰值或有效主应力比的峰值,或观察恒定应力和超孔隙水压或体积变化值,或者简单的设定轴向应变达到一个特定值(如εa = 20%)。对于正常固结的粘土而言其变化曲线如图9所示,包括CU实验过程中的超静孔隙压力变化过程和可以观察CD实验的试样体积变化。图中可见,对于粘性土试样,其剪切阶段完成后,破坏面相对突出(大多剪切应变发生在该面)。


图9 一般固结粘土剪切过程(左);粘性土剪切后破坏面(右)
剪切试验结束后,试样可以被拆除,可以进行试验后的试样测量(例如最终含水量等)

应力路径三轴试验系统

迄今为止,三轴系统及试验过程多关注恒定速率的应变控制,其中通过荷载架的移动来控制速率从而引起剪切应力。为了施加和控制试样的轴向压力,传统上使用应力路径三轴压力室。运用一个低增压舱来输送轴向应力给土样,并伴随有轴向应变。随着系统的发展,试样可在更多复杂应力条件下进行测试,相比于速度控制的荷载架更适合研究性的项目。如 图10显示的是一个应力路径三轴系统,可以看到,通过传感器反馈,能够同时使荷载架和应力路径系统运行相同的复杂试验,仅存在较小的性能差异(荷载架相对更适合应变控制;应力路径系统适合应力控制。


图 10 应力路径三轴系统

参考文献

以下内容大部分为最近刊登的信息,是研究三轴试验时被建议参考的文献(不包含特殊的试验标准):
Day, R. W. 2001. Soil Testing Manual: Procedures, Classification
Data, amd Sampling Practices, New York, McGraw-Hill.
Head, K. H. 1998. Manual of Soil Laboratory Testing Volume 3:
Effective Stress Tests, Chichester, John Wiley & Sons Ltd.
Knappett, J. A. & Craig, R. F. 2012. Craig’s Soil Mechanics, Oxon, Spon Press.
Simons, N., Menzies, B. & Matthews, M. 2002. A Short Course
in Geotechnical Site Investigation, London, Thomas Telford Ltd.

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