各向不等壓固結(jié)排水試驗(yàn)

三軸壓縮儀由壓力室、軸向加荷系統(tǒng)、施加周圍壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)等組成。應(yīng)力應(yīng)變控制式試驗(yàn)機(jī)：由壓力機(jī)、變速箱、機(jī)架等組成。壓力機(jī)：由箱體、立柱、橫梁等組成。兩立柱間寬B= 370mm，壓力室座至橫梁凈空高H =850mm，箱體內(nèi)有一對(duì)蝸輪付和高精度滾珠絲桿等。變速箱為齒輪減速機(jī)構(gòu)由永磁低速同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由拉軸調(diào)整軸升速度，共有15檔速度0 . 002 ～ 4mm/min，或根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)整所需軸升速度，在機(jī)柜上有軸升速度表可供實(shí)驗(yàn)人員查詢。三軸壓力室 ，壓力室結(jié)構(gòu)：壓力室基本形式是裝在橫梁與壓力室之間的荷重傳感器測(cè)力，壓力室為雙層有機(jī)玻璃筒，分底座和上罩兩部分，底座上裝進(jìn)口高進(jìn)氣值陶土板，傳壓力帽，排水管等，并有五個(gè)螺孔，標(biāo)有標(biāo)記，相對(duì)于壓力體變柜中各管路的連接。上罩的頂蓋上裝有位移傳感器和排氣塞。上罩和底座之間是用 T形螺栓連接，用“O”形橡膠圈來(lái)密封。土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),是與土三軸儀配套的一個(gè)試驗(yàn)軟件，可以直接讀出非飽和土三軸試驗(yàn)過(guò)程中的孔隙氣壓力、孔隙水壓力、圍壓、軸向荷載、軸向變形、 試樣排水的大小 。

巖土工程勘察中，涉及到土力學(xué)穩(wěn)定性的計(jì)算分析時(shí)，土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)起著至關(guān)重要的作用，將對(duì)巖土勘察結(jié)果產(chǎn)生直接影響，進(jìn)而主導(dǎo)工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量。如果在工程實(shí)際中有辦法能直接測(cè)定土體在整個(gè)受力過(guò)程中的總應(yīng)力和孔隙水壓力的變化，就可以采用有效應(yīng)力法來(lái)定量評(píng)價(jià)土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度。但是，受到室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)備條件的限制，難以測(cè)得孔隙水壓力，因此不能采用有效應(yīng)力法，而大部分都是在試驗(yàn)方法上模擬現(xiàn)場(chǎng)土體在受荷作用時(shí)的固結(jié)及排水條件，在指標(biāo)上采用土的總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)而不再測(cè)定土在受荷剪切過(guò)程中孔隙水壓力的大小。針對(duì)工程中可能出現(xiàn)的固結(jié)和排水條件，嚴(yán)格上來(lái)講只有三軸壓縮試驗(yàn)才能很好地控制試樣固結(jié)和受荷剪切過(guò)程中的排水條件，得出的數(shù)據(jù)最為科學(xué)合理；而直剪試驗(yàn)因其簡(jiǎn)便、快捷、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。對(duì)應(yīng)于直接剪切試驗(yàn)的快剪、固結(jié)快剪和慢剪試驗(yàn)。三軸壓縮試驗(yàn)分為不固結(jié)不排水、固結(jié)不排水和固結(jié)排水試驗(yàn)。固結(jié)排水剪切試驗(yàn)就是其中的一種。試樣在施加周圍壓力時(shí)允許排水固結(jié)，待固結(jié)穩(wěn)定后，再在排水條件下施加豎向壓力至試件剪切破壞。2100433B

固結(jié)是在荷載或其他因素作用下，土體孔隙中水分逐漸排出、體積壓縮、密度增大的現(xiàn)象。廣義的固結(jié)指土的壓縮過(guò)程，但大多數(shù)情況下，固結(jié)僅指飽和土的排水壓密過(guò)程，分主固結(jié)與次固結(jié)。各向不等壓固結(jié)排水試驗(yàn)是指土試樣在軸壓力和周圍壓力條件進(jìn)行排水固結(jié)，然后增加軸向壓力進(jìn)行排水剪切試驗(yàn)，測(cè)定土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度。各向不等壓固結(jié)排水試驗(yàn)是固結(jié)排水試驗(yàn)的一種，主要研究土體在受力不均衡條件下排水固結(jié)情況。

結(jié)果見(jiàn)表1，2。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：黏聚力單剪比直剪低20.3%，內(nèi)摩擦角相差5°左右。

對(duì)于該差異分析如下：

(1)試樣中難免存在一些人為誤差及儀器的誤差。

(2)試驗(yàn)尺寸效應(yīng)。試樣單剪試樣直徑和高度遠(yuǎn)大于直剪試驗(yàn)，但是M.Vucetic和S.Lacasse 通過(guò)對(duì)不同尺寸的單剪試樣的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，確實(shí)存在尺寸效應(yīng)，但是影響不是很大。

(3)正如前文所述，單剪試驗(yàn)中，測(cè)量核心處應(yīng)力的結(jié)果較吻合理想單剪狀態(tài)，而測(cè)得整個(gè)試樣面的平均應(yīng)力和理想單剪相差比較大，與直剪相差25%，比三軸試驗(yàn)低28%。

(4)由于是模擬填方體土樣，由于單剪和直剪的剪力盒所限，試樣制備方法不一樣，單剪試樣采用標(biāo)準(zhǔn)擊錘擊實(shí)，直剪試樣采用靜壓。不同制備方法壓實(shí)土的結(jié)構(gòu)性不一樣，結(jié)構(gòu)性差異導(dǎo)致強(qiáng)度發(fā)展和最終強(qiáng)度特性也是不同的。

(5)試驗(yàn)壓實(shí)土在剪切時(shí)會(huì)剪脹，而在直剪試驗(yàn)中，由于剪切盒內(nèi)壁的限制，剪脹會(huì)影響結(jié)果，根據(jù)Taylor的剪脹原理會(huì)提供過(guò)大的剪切強(qiáng)度參數(shù)。而本文單剪試驗(yàn)允許試樣發(fā)生側(cè)向膨脹，減小部分剪脹的影響，測(cè)得的結(jié)果比直剪低，比較接近真實(shí)土體破壞。 2100433B

土的強(qiáng)度指標(biāo)是確定土的承載能力的一個(gè)重要指標(biāo)，因此，準(zhǔn)確測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)于建筑工程的設(shè)計(jì)和施工有著很大的意義。用三軸剪切試驗(yàn)測(cè)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是較為普遍的一種方法，而且對(duì)于高層建筑，在進(jìn)行地質(zhì)勘察時(shí)，要求對(duì)取出的原狀土，用三軸剪切實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。隨著社會(huì)的發(fā)展，興建的高層建筑越來(lái)越多，使得三軸剪切實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，所以，使三軸實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)不斷地完善有著很大的必要性，基于這一要求，對(duì)上在三軸不固結(jié)不排水實(shí)驗(yàn)中，其飽和程度對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響進(jìn)行了研究。

實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)設(shè)備，總是盡可能地使土體模擬實(shí)際運(yùn)行中的破壞方式，這樣確定的土體應(yīng)力–應(yīng)變特性、強(qiáng)度參數(shù)才有應(yīng)用價(jià)值。實(shí)際中直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)應(yīng)用最廣泛，除了簡(jiǎn)單實(shí)用外，直剪和三軸試驗(yàn)確實(shí)能反映一些土體的實(shí)際破壞問(wèn)題。但是實(shí)際中很多土體都處于單剪狀態(tài)下，如地震時(shí)地面下處于向上傳播的剪切波中的土體單元、受載時(shí)樁身的應(yīng)力狀態(tài)。

天然土層中的初始應(yīng)力狀態(tài)一般處于各向不等的應(yīng)力狀態(tài)，即靜止土壓力系數(shù)K0不等于1，初始應(yīng)力的各向異性，促使土體在破壞時(shí)所需的剪應(yīng)力增量也不同。而其強(qiáng)度和變形也就有差異。 而一般的常規(guī)三軸試驗(yàn)是在各向等壓條件下固結(jié)后再進(jìn)行剪切的，此顯然與天然土層 K0 固結(jié)的實(shí)際初始應(yīng)力狀態(tài)不相符合。K0固結(jié)排水試驗(yàn)是指在固結(jié)排水試驗(yàn)中，土樣在剪切之前的固結(jié)階段使其處于K0固結(jié)狀態(tài)，以得到土樣正確的強(qiáng)度和變形參數(shù)。主要分2個(gè)階段：第1階段為試樣在無(wú)側(cè)向變形的條件下進(jìn)行 K0 固結(jié)；第 2階段則對(duì)試樣進(jìn)行剪切，直至破壞 。通過(guò)K0 固結(jié)試驗(yàn)可以直接獲得土樣在上覆壓力作用下充分固結(jié)后的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0值。在剪切過(guò)程中， 對(duì)于相同固結(jié)圍壓，三向等壓固結(jié)土樣產(chǎn)生的超孔隙水壓力明顯大于K0固結(jié)土樣產(chǎn)生的超孔隙水壓力， 則K0固結(jié)土樣中的實(shí)際有效應(yīng)力較大。土樣破壞標(biāo)準(zhǔn)的確定關(guān)系到強(qiáng)度參數(shù)c和φ的取值。考慮到土樣呈現(xiàn)加工硬化特性，強(qiáng)度曲線無(wú)峰值點(diǎn)，故強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的確定需同時(shí)考慮超孔隙水壓力和有效應(yīng)力比的變化規(guī)律。