如何做好三軸試驗（一）土樣的制備和安裝

 

   三軸試驗?zāi)軌蚋鶕?jù)工程實際，控制試樣的排水、測定孔隙水壓力，成為工程勘察中的重要技術(shù)手段。三軸試驗已成一項常規(guī)試驗項目，提供土的強度指標(biāo)，并向其它測試指標(biāo)延伸。其間，有相當(dāng)多的試驗人員在實踐中遇到的問題是，操作過程費工耗時，合格率低。三軸試驗費工耗時是顯而易見的。全自動三軸基于三軸壓縮試驗理論基礎(chǔ)而研發(fā)的，它集機械、電子、自動化、傳感器技術(shù)于一體。在硬件上主要由三軸荷載架及圍壓/反壓控制器組成，其所配套的系統(tǒng)軟件可提供試驗設(shè)置、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理等功能，交互性能良好，該產(chǎn)品在原有三軸儀的基礎(chǔ)上改進(jìn)其控制系統(tǒng)，采用全電路設(shè)計，試驗過程無需人工干預(yù)，提高試驗效率。全自動三軸儀可以２４小時連續(xù)運轉(zhuǎn)外，規(guī)范的試驗程序可壓縮的效率有限；合格率則包含兩重含意，一是成果中至少有3個應(yīng)力圓有共同的包線，或與包線接近，二是測得的強度指標(biāo)與土的性狀相一致。經(jīng)驗告訴我們，選好土樣、規(guī)范操作，是解決問題的有效辦法。

一.土樣——從選樣制備到飽和安裝

根據(jù)土力學(xué)理論，土的強度指標(biāo)不僅取決于它的固結(jié)密度、排水條件、應(yīng)力歷史，也和試驗參數(shù)有關(guān)。首先就來分析與取土、制樣工序相關(guān)的要求，中心是減少對原狀土的結(jié)構(gòu)擾動。

１.粘性土的狀態(tài)是以塑性表述。它綜合反映了土的粒度、濕度和在一定應(yīng)力條件下固結(jié)形成的密度。沉積土多成層狀、各向異性。因此應(yīng)從多方面鑒別土樣的原狀性。在制樣時既要選擇塑性相同，也要關(guān)注土的縱向剖面，使選取的試樣層狀結(jié)構(gòu)一致；砂土因無法鉆取原狀結(jié)構(gòu)不被擾動的樣，制備試樣的方法是取擾動的砂樣，按初始孔隙比（或初始干密度）的控制要求，在成模筒內(nèi)擊實制作。

２.試樣的大小是由土中大顆粒決定。對于粗顆粒土或夾有粗顆粒的粘性土，尤其要注意選擇。按照三軸儀的國家標(biāo)準(zhǔn)，試樣有大、中、小之分，試樣高度為直徑的2～2.5倍。大試樣允許大顆粒為直徑的２0 mm，中、小試樣則為6.2mm、3.9mm。粘性土中夾有個別大顆粒，可以剔除后填平。

３.同一土樣的幾個試樣土質(zhì)均勻、結(jié)構(gòu)一致，是后續(xù)試驗測得的剪應(yīng)力與法向力成線性的前提。為此，好是取同層土制備試樣。以小試樣為例，要求鉆取的土樣大于ø100，再用分土器剖出3個樣；若鉆取土樣過小，在同層土樣中只能選取１～２試樣。對于土質(zhì)結(jié)構(gòu)均勻的土層可用連續(xù)取土來彌補土量的不足；當(dāng)遇到土質(zhì)不均勻、或土體量不足時，只得制備一個試樣，按多級加載的方法試驗。

４.在物理試驗中，將土看作代表礦物顆粒的土粒和其間孔隙中的氣體、水構(gòu)成的三相體。而在常規(guī)的三軸試驗，只適用于（土粒和水）兩相體。這是緣于現(xiàn)階段還缺乏孔隙中氣體應(yīng)力～應(yīng)變的測試技術(shù)。即要求試樣是飽和的。規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為此要求：

⑴在試樣制備中必須作飽和處理。飽和的方法有三：

抽氣飽和——在與真空泵連接的容器內(nèi)盛裝試樣，試樣在接近負(fù)一個氣壓環(huán)境下，釋放土中的空氣。然后注入無氣水后再恢復(fù)大氣壓力，容器中的水經(jīng)過由負(fù)到正的大氣壓力作用下，滲入土內(nèi)。按照土樣的透水（氣）性能確定抽氣時間。這種方法可以根據(jù)容器大小，批量地對試樣作飽和處理。

水頭飽和——完成試樣的安裝，預(yù)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，在水頭差的壓力下自下而上地排出孔隙中的氣體，對試樣產(chǎn)生滲透作用。直至注入的水與滲出的水等量為止。這種方法對低塑性土較合適。

反壓力飽和——反壓力飽和是當(dāng)前有效的飽和方法。反壓力是相對于試樣周圍壓力而言，在逐級遞增的壓力作用下置換孔隙中的氣體，或壓縮孔隙中的氣體使其溶解于水。在反壓力飽和過程中，始終保持反壓力小于周圍壓力，試樣結(jié)構(gòu)才不被擾動；每增加一級壓力，測一次孔隙水壓力，當(dāng)孔隙水壓力增量與周圍壓力增量之比為１時，試樣飽和。這種方法可以達(dá)到試樣完全飽和。盡管如此其缺點也是明顯的，一是需要增加一套壓力控制裝置，二是占用儀器時間長。因此生產(chǎn)性試驗室很少采用。

上述飽和方法時常是綜合運用，例如先作抽氣飽和，試樣安裝后經(jīng)過檢測飽和度不達(dá)標(biāo)，再使用水頭飽和或反壓力飽和。江南地帶的地下水位較淺，土樣多呈飽和狀。從野外取樣到室內(nèi)制樣各環(huán)節(jié)，注意保持土樣的原狀性十分重要。把制備好的試樣置于水槽中保存。

⑵對于飽和土，其含水量不變體積也就不變。因此在不固結(jié)不排水試驗中，應(yīng)變過程試樣的面積計算，就是基于這樣的認(rèn)識。同理，排出的孔隙水量等于試樣體積的變量。由于在裝樣操作中常要注水排氣，使得依量管讀數(shù)算得的排出水量往往大于體積變量。因此以秤取試驗前后試樣的質(zhì)量，就非常必要。

５.準(zhǔn)確測試孔隙水壓力，是三軸試驗的一項重要技術(shù)。不僅要求試樣是飽和的，還要求試樣的安裝操作來保證。孔隙水壓力的測量是依據(jù)靜水力學(xué)的帕斯卡原理，通過水力連系把試樣內(nèi)的孔隙水壓力引伸到壓力測試裝置上。為保證孔壓能夠靈敏傳遞和準(zhǔn)確測試，不僅在安裝試樣時要使用無氣水，還要對試樣上下的透水石、周圍與乳膠模間的縫隙，連接管路等所有銜接處，作徹底的排氣操作，以提高水體的剛性。做好這一點要求試驗者有操作經(jīng)驗和細(xì)致責(zé)任。

６.為了縮短孔隙水壓力的傳輸時間，加速排水，可在試樣周圍貼濾紙條。濾紙條的寬度約為試樣直徑的1/5～1/6，上下與透水石相連。若要作反壓力飽和，則濾紙條中間必須斷開。濾紙覆蓋的面積不大于試樣表面積的50%。