三軸壓縮試驗成果的影響因素分析研究

黨海燕

土的抗剪強度是土的一個重要力學性能指標,在計算承載力、評價地基的穩定性及計算擋土墻的土壓力時,都要用到土的抗剪強度指標。因此,正確地測定土的抗剪強度具有重要意義?？辜魪姸鹊脑囼灧椒ㄓ卸喾N,在試驗室內常用的有直接剪切試驗(直剪)、三軸壓縮試驗和無側限抗壓試驗,在現場原位測試的有十字板剪切試驗,大型直接剪切試驗等。直接剪切試驗不能嚴格控制排水條件,無法測量孔隙水壓力,而三軸壓縮試驗其優點是：能嚴格控制試樣排水條件、受力狀態明確、可以控制大小主應力、能準確地測定土的孔隙壓力及體積變化的特點。所以GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范規定地基承載力計算應采用三軸試驗提供的指標,以確?？辈靾蟾嫠峁┑牡鼗休d力安全可靠。由于三軸試驗成果的準確性直接關系到建筑物的安全性、穩定性和經濟性,所以為確保三軸試驗成果的準確性,必須了解在試驗過程中各種影響因素,并盡量揚長避短,確保試驗數據真實可用。

1 三軸壓縮試驗方法及原理

三軸壓縮試驗,通常是取3個～4個相同的土樣,在不同的圍壓σ3下進行試驗,試驗開始后,在試樣頂部施加軸向應力 σ1,直至試樣出現破壞為止。根據每個試樣在剪壞時的最大主應力σ1和最小主應力σ3,以(σ1+σ3)/2為圓心,(σ1-σ3)/2為半徑,繪制一組應力圓,如圖1所示。由于試樣剪切至破壞,根據摩爾—庫侖定律,作一組極限應力圓的公切線即為土的抗剪強度包線,通?？山迫橐恢本€,該直線與橫坐標的夾角即為摩擦角φ,直線與縱坐標的截距即為粘聚力C。

應力圓包線用庫侖公式表示：τ=C+σ tgφ。其中,τ,σ分別為作用在剪切面上的剪應力及垂直應力。其與大主應力σ1及小主應力σ3與破壞面的傾角α具有如下關系：σ=1/2(σ1+σ3)+1/2(σ1-σ3)cos2α。τ=1/2(σ1-σ3)sin2α。

其中,α為大主應力面與破壞面的傾角,α=45°+φ/2。

三軸剪切試驗根據排水情況不同分為三種類型：不固結不排水剪試驗(UU),固結不排水剪試驗(CU),固結排水剪試驗(CD)。下面主要討論常用的不固結不排水剪試驗(UU),固結不排水剪試驗(CU)。

1.1 不固結不排水剪試驗(UU)

主要適用于土體受力而孔隙壓力不消散的情況,如建筑物施工速度快,排水條件差的土體。該試驗對試樣施加圍壓σ3和軸向應力σ1的過程中,均不允許試樣排水。若試樣為完全飽和的土,則施加的外力為孔隙水所承擔,土粒間有效應力 σ′保持不變,因而強度不因圍壓σ3的增大而增加。盡管圍壓 σ3大小不同,但摩爾圓直徑都基本相同,故強度包線近似水平,φ=0,見圖2。

對圖示三個總應力圓所作的包線是一條水平線,按庫侖公式：

其中,Cu,φu分別為不排水剪的凝聚力與內摩擦角。

1.2 固結不排水剪試驗(CU)

固結不排水剪試驗適用于施工速度較慢,且經過預壓固結的地基。在試驗過程中,對試驗施加圍壓σ3后,允許試樣排水固結直至孔隙壓力消散至零。但在剪切過程中不允許試驗排水,因而產生剪切孔隙壓力us,土樣間的有效應力 σ′及試樣的密度ρ均隨σ3的增大而增大,其強度也隨著增大。強度包線則為傾斜線,即可求得Ccu,φcu,如圖3實線所示。如要測定C′,φ′,則在試驗過程中測定孔隙壓力us,這樣就可求得試樣達到破壞時的有效主應力σ1′,σ3′,即 σ1′=σ1-us,σ3′=σ3-us,以 σ1′,σ3′作有效應力圓,即可得到有效應力強度包線及相應的C′,φ′值(如圖3中虛線所示)。

2 影響三軸壓縮試驗成果的因素

影響三軸剪切試驗成果的因素有：施加圍壓σ3的影響、孔壓消散的影響、飽和度的影響、軸向應變速率的影響、試樣端部的摩擦的影響、校正面積的影響以及橡皮膜的影響,現主要介紹如下。

2.1 施加圍壓σ3的影響(對CU試驗)

在進行固結不排水試驗時,首先要確定各級圍壓σ3,因為施加圍壓σ3大小將直接影響試驗結果。我們對上海地區的黏性土做了大量試驗,結果如表1所示。由表1可知,當所施加的各級圍壓σ3比PC(前期固結壓力)大,則屬于正常固結狀態,摩爾包線是通過原點的直線,所得試驗數據C小φ大;反之所施加的各級圍壓σ3比PC小,摩爾包線則是一條略平緩的曲線。所以在試驗過程中通常宜選用第一級圍壓接近自重壓力,最后一級圍壓為自重壓力加上附加壓力,這樣試驗結果才合理。

表1 施加圍壓 σ3對CU試驗結果影響表

2.2 孔壓消散的影響(對CU試驗)

對于固結不排水剪試驗,施加圍壓σ3后,試樣排水固結時孔壓消散情況對CU試驗影響較大,上海地區孔壓消散為零時與孔壓消散不為零時試驗結果如表2和圖4所示。由表2可知,孔隙水壓力消散至零,即固結排水時要有足夠的時間,尤其是黏性土。反之固結時間不夠孔隙水壓力消散不到零,所得試驗數據將介于不固結不排水剪試驗(UU)及固結不排水剪試驗(CU)之間,造成固結不排水剪的凝聚力C偏大,而內摩擦角φ偏小。由圖4也可看出,C′大于C,φ′小于φ,實線為孔壓消散為零時總應力強度包線,虛線為孔壓消散不為零時總應力強度包線。

表2 孔壓消散對CU試驗的影響表

2.3 飽和度的影響(對UU試驗)

上海地區土的飽和程度對UU試驗結果影響情況如表3和圖5所示。由表3可知,當土樣處于非飽和狀態時,φ值不為零。由圖5可知,如果試樣為飽和試樣,如前所述,不固結不排水試驗的強度包線為一水平線,即φ=0。但由于取樣及制樣等因素的影響,造成試樣失水,飽和度減小,飽和度達不到要求,摩爾包線不再是一條水平線而是一曲線。故在進行此試驗過程中一定要保證土樣的飽和度大于95%以上,方可求得準確的Cu,φu值。

表3 飽和度對UU試驗的影響結果

2.4 軸向應變速率的影響

不固結不排水剪試驗(UU)不需測孔隙壓力,按每分鐘1%～2%的軸向應變速率進行試驗,可以使試樣在20 min時間內完成剪切過程,達到試樣破壞,速率影響不大。而對于固結不排水剪試驗(CU)來說,是固結后進行剪切,需測定孔隙壓力,一般試樣中部較大,兩端較小,軸向應變速率要很緩慢,這樣才能使試樣剪切區的孔隙壓力有充分的時間達到均勻分布并傳輸到試樣的端部,否則對孔隙壓力的測定結果有影響。

2.5 試樣端部的摩擦對試驗結果的影響

在三軸試驗中,試驗端部有摩擦,使試樣兩端受力復雜,應力分布不均勻,為了減少端部摩擦對中間的影響,要求試樣有一定的高徑比,一般H/D=2.0～2.5。對于不固結不排水(UU)試驗,可在試樣兩端放一光滑的有機玻璃墊片以減少端部摩擦,使應力分布均勻,這樣所測的強度和變形更合理。

3 結語

由上述可知,圍壓σ3的施加、孔壓的消散程度、試樣的飽和程度,軸向應變速率、試樣端部的摩擦、面積的校正以及橡皮膜的好壞,都對試驗結果有影響。但圍壓σ3的施加、孔壓的消散程度以及試樣的飽和程度將直接影響試驗數據的可靠性。所以在試驗操作過程中,一定要滿足試樣的飽和度大于95%,第一級圍壓接近自重壓力,最后一級圍壓為自重壓力,且固結排水過程中孔壓消散為零,這樣才能確保三軸壓縮試驗結果的準確性和可靠性。

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