三軸伸長(zhǎng)試驗(yàn)

根據(jù)巖土體的加卸載變形過(guò)程和應(yīng)力狀態(tài), 卸載曲線分為彈性卸載段和卸載伸長(zhǎng)段.采用三種不同粒徑的玻璃珠和標(biāo)準(zhǔn)豐浦砂散粒材料進(jìn)行了三軸伸長(zhǎng)卸載試驗(yàn), 對(duì)比分析了不同材料、初始偏應(yīng)力和不同圍壓下散粒體的卸載特性.研究表明散粒體的單向伸長(zhǎng)卸載強(qiáng)度主要取決于與卸載方向垂直的圍壓和顆粒的內(nèi)摩擦, 且與圍壓成線性關(guān)系, 初始偏應(yīng)力狀態(tài)及各向異性對(duì)于散粒體的伸長(zhǎng)強(qiáng)度無(wú)影響, 但影響其破壞發(fā)展形態(tài).此外, 材料特性包括表面粗糙度和級(jí)配、孔隙率等對(duì)內(nèi)摩擦及伸長(zhǎng)卸載特性均有影響。

試驗(yàn)在日本國(guó)立山口大學(xué)地盤研究室的Tw in三軸儀上進(jìn)行, 該儀器為水壓應(yīng)變式三軸儀.試樣的高度和直徑分別為10 cm 和5 cm , 三軸試驗(yàn)建議粒徑一般不大于試樣直徑的1/20 , 對(duì)于本試驗(yàn)粒徑不應(yīng)大于2 .5 mm , 以保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性.材料選用0 .212 mm-0 .25 mm 、0 .3 mm-0 .355 mm 、1 mm-1 .18 mm 三種較均勻玻璃珠和標(biāo)準(zhǔn)豐浦砂.材料特性見表1 。

干燥玻璃珠和豐浦砂試樣采用分層夯實(shí)制樣法，試樣分為5 層，每層給予相同的錘擊數(shù)；飽和豐浦砂試樣采用水中落下法制樣，然后通水加反壓使之達(dá)到飽和。同種方法和材料成樣后的密實(shí)度相差不大, 干玻璃珠和干砂的孔隙率分別在0 .61 和0.74左右， 三種粒徑玻璃珠平均混和后試樣的孔隙率約為0 .453 ，飽和砂孔隙率在0 .68 左右.試驗(yàn)中保持圍壓不變, 加卸載應(yīng)變速率為0 .1 %/min 。試樣制作完后按照等向或異向固結(jié)1小時(shí)(壓密曲線達(dá)到平穩(wěn))， 然后給予向上的恒定應(yīng)變速度，模擬試樣卸載。本試驗(yàn)中異向固結(jié)有兩種，一種是k₀ 壓密, 即在控制試樣側(cè)向應(yīng)變近似為0 情況下, 根據(jù)材料的特性自動(dòng)調(diào)整出k₀ 值，對(duì)于所述成樣方法下的飽和豐浦砂的k₀ 值為0 .45 , 干砂和干玻璃珠的k₀ 值約為0 .7 和0 .79 ;另一種異向固結(jié)是人為設(shè)定圍壓和軸向壓力的比值k ，剪切和固結(jié)同時(shí)進(jìn)行, 剪切到目標(biāo)值后再固結(jié)到穩(wěn)定值, 試驗(yàn)主要目的在于對(duì)比初始狀態(tài)對(duì)散粒體卸載的影響。試驗(yàn)均在排水排氣條件下進(jìn)行.試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)按照下式計(jì)算:

式中Ac 為壓密后的試驗(yàn)截面積，

裂縫是土石壩工程中常見的隱患和主要破壞類型。土石壩裂縫主要包括由不均勻沉降導(dǎo)致的壩體表面張拉裂縫和由楔劈水壓力導(dǎo)致的心墻水力劈裂裂縫等。這些裂縫會(huì)導(dǎo)致土石壩防滲體破壞，因而認(rèn)識(shí)壓實(shí)黏土的拉伸特性和破壞機(jī)理對(duì)于土石壩工程的安全評(píng)價(jià)具有重要意義。

應(yīng)用上述臥式三軸拉壓儀，對(duì)糯扎渡高心墻堆石壩高塑性黏土料和雙江口高心墻堆石壩心墻黏土料進(jìn)行了不同室壓下的三軸拉伸試驗(yàn)。三軸拉伸試驗(yàn)是指試樣首先在一定室壓下等向固結(jié)，然后保持室壓不變，軸向應(yīng)力逐漸減小直到破壞的試驗(yàn)過(guò)程。減載開始時(shí)，試樣被軸向伸長(zhǎng)，當(dāng)σ3 < 0 時(shí)，試樣中實(shí)際存在拉應(yīng)力，最終可能發(fā)生拉伸破壞。

1 試驗(yàn)土料和試驗(yàn)方案

上述三軸拉伸試驗(yàn)中所用土料由中國(guó)水電顧問集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院和成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院提供。試驗(yàn)土料的基本物性指標(biāo)及制樣標(biāo)準(zhǔn)見表2。試驗(yàn)均為不飽和固結(jié)排氣( 排水) 試驗(yàn)，加載速率為0. 02mm /min。為了加快試驗(yàn)排氣( 排水) 的速度，專門在試樣側(cè)面放置了排氣導(dǎo)管。

對(duì)糯扎渡高塑性黏土料進(jìn)行了室壓力σ_c =σ1 = 0、50、100、150、200、300、400、500kPa 的非飽和三軸拉伸試驗(yàn)。對(duì)雙江口心墻黏土料進(jìn)行了室壓力σc = σ1 = 0、50、100、200、300、400kPa 的非飽和三軸拉伸試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)步驟

(1) 配土。按照試驗(yàn)方案規(guī)定的含水量，稱取一定量的土并均勻?yàn)⑺?，將土放于密封的塑料袋中，靜置24 小時(shí)使水分分布均勻。復(fù)測(cè)土料的含水量，以確定其是否達(dá)到試驗(yàn)要求。

(2) 制樣。分四層擊實(shí)制樣，控制每層高度25mm，層間打毛。制樣完畢后拆掉模具，并用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠將試樣兩端與傳力板黏結(jié)，靜置6 ～ 8 小時(shí)，使環(huán)氧膠達(dá)到最高強(qiáng)度。環(huán)氧膠的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于壓實(shí)黏土的抗拉強(qiáng)度。

(3) 裝樣。先將試樣與前端試樣帽連接，套上乳膠膜，之后連接另一端試樣帽，最后將乳膠膜與試樣帽兩端綁扎好。將裝好的試樣水平放在壓力室內(nèi)的支架上，連接前后活塞桿，同時(shí)微調(diào)支架高度使試樣可以順暢地水平移動(dòng)，將壓力室后蓋蓋好。

(4) 固結(jié)及加載。壓力室充滿水后，進(jìn)行加壓固結(jié)10 ～ 12 小時(shí)。之后連接活塞桿與力傳感器。架設(shè)位移傳感器，同時(shí)打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，調(diào)整位移傳感器和力傳感器取一個(gè)合理的初始值。打開加載電機(jī)，按合適的加載速度進(jìn)行勻速加載 。2100433B

.三軸伸長(zhǎng)試驗(yàn)的對(duì)象多為粘性土, 用來(lái)評(píng)定粘性土在卸載時(shí)強(qiáng)度特性, 由于粘性土的微觀結(jié)構(gòu)比起砂等純散粒體復(fù)雜的多, 顆粒間的摩擦作用受多因素影響,

真三軸試驗(yàn)是使巖石試件處于三個(gè)主應(yīng)力不相等（即σ1>σ2>σ3）的應(yīng)力組合狀態(tài)下的三軸壓縮試驗(yàn)。

學(xué)科：工程地質(zhì)學(xué)

詞目：真三軸試驗(yàn)

英文：true triaxial shear test

釋文：真三軸試驗(yàn)是使巖石試件處于三個(gè)主應(yīng)力不相等（即σ1>σ2>σ3）的應(yīng)力組合狀態(tài)下的三軸壓縮試驗(yàn)。真三軸試驗(yàn)可以研究中間主應(yīng)力（σ2）對(duì)巖石變形及強(qiáng)度特性的影響。 2100433B

根據(jù)巖石試件在不同側(cè)向壓力下取得的軸向抗壓強(qiáng)度，在剪應(yīng)力與正應(yīng)力的坐標(biāo)系中，繪制莫爾應(yīng)力圓簇和莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線。按莫爾——庫(kù)侖準(zhǔn)則確定巖石的三軸抗剪強(qiáng)度參數(shù)。巖石三軸抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)在一定的程度上消除了直剪試驗(yàn)時(shí)剪切面上的應(yīng)力分布不均勻的缺點(diǎn)，成果的規(guī)律性較好，且反映了實(shí)際巖體的受力狀況。但三軸抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)的意義和結(jié)果不盡相同，這主要是由于直剪試驗(yàn)是預(yù)先確定剪切面，而三軸抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)破壞有主要由應(yīng)力控制 。

1 試驗(yàn)方法

三軸試驗(yàn)在GDS 全自動(dòng)靜動(dòng)三軸儀上進(jìn)行。試樣尺寸為Ф39.1 mm ×80.0 mm。選取某水利施工現(xiàn)場(chǎng)粘土料分別進(jìn)行了三軸UU、CU 及CD 試驗(yàn)，土樣過(guò)2 mm 篩后按土料輕型擊實(shí)最大干密度制備，土樣混合均勻后按三層擊實(shí)。試樣先進(jìn)行抽氣飽和，然后在三軸儀上進(jìn)行孔隙水壓力系數(shù)檢測(cè)，如果孔隙水壓力系數(shù)B 小于0.98，則需進(jìn)行反壓飽和，直到B≥0.98 為止。飽和完成后分別在圍壓100 kPa、200 kPa、300 kPa 下進(jìn)行三軸UU、CU 及CD 試驗(yàn)。

2 三軸強(qiáng)度指標(biāo)成果

試驗(yàn)處理數(shù)據(jù)時(shí)取最大主應(yīng)力差作為破壞取值標(biāo)準(zhǔn)，

三軸CU 試驗(yàn)得到的有效應(yīng)力指標(biāo)與CD試驗(yàn)得到的強(qiáng)度指標(biāo)較為接近，CU 試驗(yàn)得到的有效應(yīng)力內(nèi)摩擦角比CD 試驗(yàn)低1.1o，采用測(cè)孔壓的三軸CU 試驗(yàn)?zāi)塬@得較為可靠的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。

3 試樣破壞形式

圖2 是試驗(yàn)后試樣典型的剪切面樣式，從左至右分別為圍壓300 kPa 下的UU、CU 試驗(yàn)及CD 試驗(yàn)。由圖2 可知，試樣的主要破壞形式為沿著一個(gè)剪切面發(fā)生破壞。

根據(jù)摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，在三軸試驗(yàn)中，當(dāng)土樣達(dá)到極限平衡時(shí)，土樣單元中與大主應(yīng)力作用面夾角為45o φ/2 的面上會(huì)發(fā)生破壞。理想狀態(tài)下，如果土樣均勻且應(yīng)力分布均勻的話，剪切位移會(huì)散布在整個(gè)土樣空間而不會(huì)集中在一個(gè)平面，土樣發(fā)生鼓脹，而不會(huì)出現(xiàn)剪切面，且試樣頂部及端部受到透水石的約束，表現(xiàn)為中部發(fā)生鼓脹。但一般條件下試驗(yàn)很難保證試樣與應(yīng)力分布絕對(duì)均勻，這樣的話試樣的某一個(gè)或幾個(gè)與大主應(yīng)力作用面為45o φ/2 的斜面會(huì)先發(fā)生破壞，試樣就會(huì)沿著與大主應(yīng)力作用面夾角為45o φ/2 的某一個(gè)或幾個(gè)剪切面發(fā)生破壞，試樣的變形主要集中在破壞面上 。

雖然摩爾-庫(kù)倫破壞理論是早于有效應(yīng)力原理且針對(duì)一般的固體材料提出的，一般固體材料沒有孔隙水壓力，強(qiáng)度由總應(yīng)力控制。但土是碎散顆粒材料，與連續(xù)固體材料有很大的區(qū)別，其強(qiáng)度由有效應(yīng)力確定，土樣破壞是由于土體單元有效應(yīng)力達(dá)到了極限平衡狀態(tài)。如果土樣的破壞面由總應(yīng)力指標(biāo)計(jì)算得到，那么在某些條件下的三軸試驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)不合理的情況。在不同圍壓條件下進(jìn)行不排水剪切，對(duì)于剪前密度相同的飽和粘土樣，其偏應(yīng)力破壞值也相同。如果對(duì)相同的試樣分別做兩組三軸試驗(yàn)，第一組試驗(yàn)先在100 kPa 壓力下進(jìn)行等壓固結(jié)，然后關(guān)閉排水閥，分別將圍壓調(diào)為100 kPa、200 kPa及300 kPa 下進(jìn)行不排水剪切。三個(gè)壓力下土樣的密度一致，因此不同壓力下的偏應(yīng)力破壞值也應(yīng)該相同，得到的總應(yīng)力包線為一條水平線，即φ1=0。

第二組試驗(yàn)試樣分別在100 kPa、200 kPa 及300 kPa壓力下進(jìn)行等壓固結(jié)，然后在不排水條件下進(jìn)行剪切，可得到總應(yīng)力內(nèi)摩擦角φ2>0。如破壞角按總應(yīng)力來(lái)計(jì)算，兩個(gè)試驗(yàn)試樣的破裂角計(jì)算值不同，分別為αf=45o 與αf=（45o φ2/2)>45 o，這樣的話就出現(xiàn)了矛盾，兩組試驗(yàn)中100 kPa 圍壓下剪切的試樣試驗(yàn)條件完全相同，不可能出現(xiàn)兩個(gè)不同的破裂角?？梢?，破裂角用總應(yīng)力指標(biāo)來(lái)計(jì)算是不對(duì)的，結(jié)合試驗(yàn)論證分析可知，三軸試驗(yàn)的破裂角只能通過(guò)有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)計(jì)算 。