巖土-三軸壓縮試驗(yàn)
1. 概述
三軸壓縮試驗(yàn)是測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度的一種方法。土的抗剪強(qiáng)度土體抵抗破壞的極限能力。堤壩填方、路塹、岸坡等是否穩(wěn)定，擋土墻和建筑物地基是否能承受一定的荷載，都與土的抗剪強(qiáng)度有密切的關(guān)系。穩(wěn)定分析就是研究土體發(fā)生破壞的滑動(dòng)力與土體抗滑力之間的關(guān)系，當(dāng)土體內(nèi)的剪應(yīng)力超過(guò)土體的抗剪強(qiáng)度，必然引起土體的破壞，因此，如何確定土體的強(qiáng)度就很重要。在土坡穩(wěn)定、地基承載力及土壓力等計(jì)算中，土的抗剪強(qiáng)度是很重要的指標(biāo)。土的強(qiáng)度受許多因素影響，如土的類型、密度、含水率及受力條件、應(yīng)力歷史等。
一般認(rèn)為：土體的破壞條件用莫爾－庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)破壞準(zhǔn)則表示比較符合實(shí)際情況。根據(jù)莫爾一庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，土體在各向主應(yīng)力的作用下，作用在某一應(yīng)力面上的剪應(yīng)力
三軸壓縮試驗(yàn)的目的就是根據(jù)莫爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則測(cè)定土的強(qiáng)度參數(shù),凝聚力和內(nèi)摩擦力。
常規(guī)的三軸壓縮試驗(yàn)是取3~4個(gè)圓柱體試樣，分別在其四周施加不同的恒定周圍壓力(即小主應(yīng)力
三軸壓縮試驗(yàn)適用于測(cè)定黏性土和砂性土的總抗剪強(qiáng)度參數(shù)和有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)。
2. 試驗(yàn)方法
室內(nèi)測(cè)定抗剪強(qiáng)度的方法一般有直接剪切試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)是三軸壓縮實(shí)驗(yàn)中
(1)不固結(jié)不排水試驗(yàn)
本試驗(yàn)是對(duì)試樣施加周圍壓力后，即施加軸向壓力，使試樣在不固結(jié)不排水條件下剪切，該方法適用的條件是土體受力而孔隙壓力不消散的情況，當(dāng)建筑物施工速度快，土的滲透系數(shù)較低，而排水條件又差時(shí)，為考慮施工期的穩(wěn)定，可采用UU試驗(yàn)。對(duì)非飽和土，如壓實(shí)填土、未飽和的天然地層，這種土的強(qiáng)度是隨
(2)固結(jié)不排水試驗(yàn)
本試驗(yàn)是使試樣先在某一周圍壓力作用下排水固結(jié)，然后在保持不排水的條件下，增加軸向壓力直至破壞。在固結(jié)不排水試驗(yàn)中不測(cè)孔隙壓力時(shí)，求得總應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)
正常固結(jié)黏土的不排水強(qiáng)度與土層固結(jié)壓力的比值
(3)固結(jié)排水試驗(yàn)
本試驗(yàn)是使試樣先在某一周圍壓力作用下排水固結(jié)，然后在排水條件下緩緩增加軸向壓力直至破壞，主要是為了求得土的有效強(qiáng)度參數(shù)
3. 儀器設(shè)備
(1)應(yīng)變控制式三軸剪切儀(見(jiàn)圖2).其主要部件有軸向加壓設(shè)備、周圍壓力加壓設(shè)備、受壓室、體積變化和孔隙壓力測(cè)定設(shè)備；
(2)附屬設(shè)備，包括擊實(shí)器、飽和器、切土器、分樣器、切土盤或切土器、承膜筒和對(duì)開(kāi)圓膜；
(3)天平，稱量200g，最小分度值0.01g，稱重1000g，最小分度值0.1g；
(4)橡皮膜，應(yīng)具有彈性，厚度應(yīng)小于橡皮膜直徑的1/100，不得有漏氣孔；
(5)其他設(shè)備及用品，包括測(cè)微表、橡皮膜、烘箱、秒表、天平、干燥器、稱量盒、切土刀、鋼絲鋸、濾紙、卡尺等。
4. 操作步驟
(1)檢查儀器
①周圍壓力控制系統(tǒng)和反壓力控制系統(tǒng)的儀表的誤差應(yīng)小于全量程的1%，采用傳感器時(shí)，其誤差應(yīng)小于全量程的0.5%。根據(jù)試樣強(qiáng)度的大小，選用不同量程的測(cè)力計(jì)或傳感器，最大軸向壓力的準(zhǔn)確度不小于1%。
②孔隙壓力測(cè)量系統(tǒng)的氣泡應(yīng)排除，其方法是測(cè)量系統(tǒng)中充以無(wú)氣水，并施加壓力，小心打開(kāi)孔隙壓力閥，讓管路中的氣泡從壓力室底座排出。應(yīng)反復(fù)幾次，直至氣泡完全沖出為止(若用零位指示器時(shí)，將指示器中的水銀移入貯槽內(nèi)，關(guān)量管閥，用調(diào)壓筒對(duì)孔隙壓力量測(cè)系統(tǒng)加壓排除氣泡，需要注意，不要使儲(chǔ)槽內(nèi)水銀沖出指示器。排氣完畢后，將水銀從槽內(nèi)移出。關(guān)閉孔隙壓力閥，用調(diào)壓筒施加壓力，檢查水銀上升高度）。孔隙壓力量測(cè)系統(tǒng)的體積因數(shù)應(yīng)小于1.5
③排水管路應(yīng)通暢，各連接處應(yīng)無(wú)漏水漏氣現(xiàn)象。壓力室活塞在軸套內(nèi)應(yīng)能自動(dòng)滑動(dòng)。儀器檢查完畢，關(guān)閉周圍壓力閥、孔隙壓力閥和排水閥，以備使用。
④檢查橡皮膜是否漏氣，將膜內(nèi)充氣，扎緊兩端，然后在水下檢查有無(wú)漏氣。
(2)制備試樣
1)三軸實(shí)驗(yàn)采用的試樣最小直徑為35mm，最大直徑為101mm,試樣高度為試樣直徑的2~2.5倍，試樣的最大允許粒徑可參照表1。對(duì)于有裂縫、軟弱面和構(gòu)造面的試樣，直徑宜大于60mm。
2)原狀試樣的制備。
①對(duì)于較軟的土樣，先用鋼絲鋸或切土刀切取一稍大于規(guī)定尺寸的土柱，放在切土盤上下圓盤之間，用鋼絲鋸或切土刀緊靠側(cè)板，由上往下細(xì)心切削，邊切削邊轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，直至土樣被削成規(guī)定的直徑為止。切削時(shí)應(yīng)避免擾動(dòng)，當(dāng)試樣表面遇有礫石或凹坑時(shí)，允許用削下的余土填補(bǔ)。
②對(duì)較硬的土樣，先用切土刀切取一稍大于規(guī)定尺寸的土柱，放在切土架上，用切土器切削土樣，邊削邊壓切土器，直到切削到比要求的試樣高度約高2cm為止。
③取出試樣，按規(guī)定的高度將兩端削平、稱量。并取余土測(cè)定試樣的含水率。試樣的兩端面應(yīng)平整，互相平行，側(cè)面垂直，上下均勻。
3)擾動(dòng)土試樣制備應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)預(yù)定的干密度和含水率備樣后，在擊樣器內(nèi)分層擊實(shí)，各層土樣上數(shù)量應(yīng)相等，各層接觸面應(yīng)刨毛，擊完最后一層，將擊樣器內(nèi)的試樣兩端整平，取出試樣稱量。然后量測(cè)試樣的高度和直徑，試樣的平均直徑可按下式計(jì)算：
4)砂類土試樣制備應(yīng)先在壓力室底座依次放上透水板、橡皮膜和對(duì)開(kāi)圓模。根據(jù)試驗(yàn)要求的干密度和試樣體積，稱取所需的砂樣，分三 等分，在水中煮沸，冷卻后待用。在模內(nèi)注入純水至試樣高度的1/3，將煮沸冷卻后的一份砂樣按預(yù)定的干密度填入橡皮膜內(nèi)，填至該層要求的高度。然后繼續(xù)注入純水至試樣高度的2/3，再裝第二份砂樣。如此繼續(xù)裝樣直至模內(nèi)裝滿為止。如果要求的干密度較大時(shí)，在填砂過(guò)程中，輕輕敲打?qū)﹂_(kāi)圓模，使所稱的砂樣填滿規(guī)定的體積。整平砂面，放上透水板、試樣帽、扎緊橡皮膜。對(duì)試樣內(nèi)部施加5kPa負(fù)壓力，使試樣能站立，拆除對(duì)開(kāi)圓模。需要注意的是：對(duì)含有細(xì)粒土或要求高密度的試樣，可采用干砂制備，用水頭飽和或反壓力飽和。
5)試樣飽和可采用以下方法：
①抽氣飽和：將試樣裝入飽和器內(nèi)，放入真空缸內(nèi)，真空缸與抽氣機(jī)接通，進(jìn)行抽氣當(dāng)真空度接近一個(gè)大氣壓力后，應(yīng)繼續(xù)抽氣，抽氣時(shí)間對(duì)粉質(zhì)土大于0.5h，黏質(zhì)土大于1h，堅(jiān)硬的黏質(zhì)土可大于2h.然后向真空缸注入清水，試樣在水中靜止10h以上，取出試驗(yàn)。
②水頭飽和：將試樣裝入壓力室內(nèi)，試樣周圍不貼濾紙條，可施加20kPa的周圍壓力，提高試樣底部量管的水位、降低試樣頂部量管的水位，使兩管水位差在1m左右，打開(kāi)所有閥門使純水從底部進(jìn)入試樣，從頂部溢出，直至流入水量和溢出水量相等為止。當(dāng)需要提高試樣的飽和度時(shí)，宜在水頭飽和前，從底部將二氧化碳?xì)怏w通入試樣，置換孔隙中的空氣，二氧化碳的壓力以5~10kPa為宜。然后再進(jìn)行水頭飽和。
③反壓力飽和：反壓力的作用可以使試樣達(dá)到完全飽和狀態(tài)。目前國(guó)內(nèi)外已把試樣施加反壓力作為一種常用的飽和方法。關(guān)于反壓力在什么時(shí)候施加，有的認(rèn)為在固結(jié)前施加，有的認(rèn)為在固結(jié)后施加，一般認(rèn)為固結(jié)前施加較好，反壓力應(yīng)分級(jí)施加，并分級(jí)施加周圍壓力，以盡量減少對(duì)試樣的擾動(dòng)。在施加反壓力的過(guò)程中，周圍壓力宜略大于反壓力，以防止試樣可能因膨脹而破壞結(jié)構(gòu)，該差值在施加反應(yīng)力的過(guò)程中應(yīng)保持常數(shù)。
在操作時(shí)，先調(diào)周圍壓力至50kPa，將反壓力調(diào)至30kPa，同時(shí)打開(kāi)周圍壓力閥和反壓力閥，再緩緩打開(kāi)孔隙壓力閥，待孔隙壓力穩(wěn)定后，測(cè)記孔隙壓力和體變管讀數(shù)，再施加下一級(jí)周圍壓力和反壓力，算出本級(jí)周圍壓力下的孔隙壓力增量
(3)試樣安裝與剪切
1)不固結(jié)不排水試驗(yàn)
①在壓力室底座上依次放上不透水板、試樣、不透水板和試樣帽，在試樣外套上橡皮膜，并將橡皮膜兩端與底座及試樣帽用橡皮圈扎緊。放上壓力罩，將活塞對(duì)準(zhǔn)試樣中心，并均勻地?cái)Q緊底座連接螺母。向壓力室內(nèi)注滿純水，擰緊排氣孔，并將活塞對(duì)準(zhǔn)測(cè)力計(jì)和試樣頂部；
②施加周圍壓力，其大小應(yīng)與工程實(shí)際荷載相適應(yīng)；
③轉(zhuǎn)動(dòng)手輪并轉(zhuǎn)動(dòng)活塞，當(dāng)測(cè)力計(jì)有微讀數(shù)時(shí)，表示活塞與試樣帽接觸，將測(cè)力計(jì)和軸向位移計(jì)讀數(shù)調(diào)至零位；
④選擇剪切應(yīng)變速率，每分鐘應(yīng)變0.5%~1.0%為宜。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，合上離合器，開(kāi)始剪切。試樣每產(chǎn)生0.3%~0.4%的軸向應(yīng)變（或0.2mm變形量），測(cè)記一次測(cè)力計(jì)和軸向變形值。當(dāng)測(cè)力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值時(shí)，剪切應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行到軸向應(yīng)變?yōu)?5%~20%；
⑤試驗(yàn)結(jié)束，關(guān)電動(dòng)機(jī)，關(guān)周圍壓力閥，打開(kāi)排氣孔，排除壓力室內(nèi)的水，拆除試樣，稱量、測(cè)定試樣含水率。
2)固結(jié)不排水試驗(yàn)
①開(kāi)孔隙壓力閥和量管閥，使壓力室底座充水排氣，并關(guān)閥。在底座上依次放上透水板、濕濾紙、試樣、濕濾紙和透水板，在試樣周圍貼上濾紙條，并套上橡皮膜，將橡皮膜下端扎緊在底座上。打開(kāi)孔隙壓力閥和量管閥，使水緩慢地從試樣底部流入，排除試樣與橡皮膜之間的視頻氣泡，關(guān)孔隙壓力閥和量管閥。打開(kāi)排水閥，使試樣帽充水，放在透水板上，將橡皮膜與試樣帽扎緊，降低排水管，吸除試樣與橡皮膜之間的余水，關(guān)排水閥。加上壓力罩、充水、調(diào)整測(cè)力計(jì)讀數(shù)與不固結(jié)不排水試驗(yàn)相同；
②調(diào)整排水管水面與試樣高度的中心齊平，測(cè)記水面初讀數(shù)。開(kāi)孔隙壓力閥，使孔隙壓力等于大氣壓力，關(guān)閥，記下初讀數(shù)。需要施加反壓力時(shí)，按前面所述進(jìn)行；
③將孔隙壓力調(diào)至接近周圍壓力值，施加周圍壓力后，打開(kāi)孔瞭壓力閥，待孔壓穩(wěn)定后，測(cè)記孔隙壓力值。打開(kāi)排水閥，直至孔隙壓力消散至95%以上。固結(jié)完成后，關(guān)排水閥，測(cè)記孔隙壓力和排水量；
④轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，并轉(zhuǎn)動(dòng)活塞，使活塞與測(cè)力計(jì)接觸，測(cè)讀軸向變形值。將測(cè)力計(jì)調(diào)至零位；
⑤選擇剪切應(yīng)變速率，黏土每分鐘應(yīng)變0.05%~0.1%;粉土每分鐘應(yīng)變0.1%~0.5%為宜。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，合上離合器，開(kāi)始剪切，過(guò)程中按一定變形量測(cè)記測(cè)力計(jì)、軸向變形和孔隙水壓力，剪切至軸向變形達(dá)15%~20%停止試驗(yàn)，關(guān)電動(dòng)機(jī)，關(guān)各閥門，拆樣、稱量、測(cè)定試樣含水率。
3)固結(jié)排水試驗(yàn)
試樣的安裝、固結(jié)、剪切與固結(jié)不排水實(shí)驗(yàn)相同，但剪切過(guò)程中應(yīng)將排水閥門打開(kāi)，剪切速率采用每分鐘應(yīng)變0.003%~0.012%。
5.計(jì)算及制圖
試樣固結(jié)后的高度、面積、體積及剪切時(shí)的面積可按表2中的公式計(jì)算
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