影响固结不排水剪三轴试验结果的因素分析

李慧芝

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

0 引言

三轴试验是根据摩尔—库仑破坏准则测定土的总抗剪强度参数和有效抗剪强度参数及应力与应变关系的一种试验方法，分为不固结不排水剪、固结不排水剪、固结排水剪试验。常用的试验设备是应变控制式三轴仪。可以采取一个试样的多级加荷方式或者取3个～4个试样分别加荷的方式，得到土的三个极限或者是接近极限的应力圆，据此得到土的强度线，计算确定该土的抗剪强度。试验步骤主要是试样制备和饱和、试样安装、固结(不固结不排水剪无此步骤)、剪切、成果整理。试验中试样的轴向应变是根据试样帽的轴向位移量和试样的起始高度算得的。试样的侧向应变是根据试样的体积变化量和轴向应变间接算得的。试样的体积变化量是通过试样中排出的流体体积进入受压室的水的体积测得的。了解影响固结不排水剪三轴试验结果的影响因素，并且采取有效的措施，对保证试验结果的准确性具有很重要的意义。

1 饱和对试验结果的影响

根据太沙基理论，进行三轴试验的土样均应为饱和土样，一般采用的饱和方法有抽气饱和、水头饱和、反压力饱和。土样饱和程度直接影响测试结果。

有些土样本来是饱和的，从地下取出后，土中的溶解空气可能游离出来，当试样装入三轴仪后，额外的气泡往往被困陷在试样同橡胶膜之间和量测系统之间。如果把这些气泡和试样孔隙中的气泡统统排除掉，则可加快孔隙水压力的反应速度，并且提高量测精度。

在非饱和土中，孔隙水和气之间的弯液面造成孔隙气相的压力，不同于孔隙水相的压力，而且孔隙水还往往处于受拉状态，需要分别测得孔隙水压力U(或张力)和气压力S，才有可能准确确定非饱和土的有效张力σ'。在三轴试验中，若试样没有完全饱和，则总应力 σ=σ'+U+S。而根据太沙基有效应力原理，σ=σ'+U，因为总应力不变，将试样按照饱和处理，则得到的有效应力值将会偏大，为σ'+S。而且非饱和粘性土的不排水试验中，由于试样中的孔隙空气的压缩，会引起试样体积有明显的缩小，从而不能正确量测试样体积的变化。所以试验前一定要对试样进行充分的饱和，可以结合抽气饱和和反压力饱和两种方法同时进行，尽最大的可能来达到最好的饱和效果，满足试验要求，减少试验误差。

2 体变对试验结果的影响

在饱和土的排水试验中，认为从试样中排出的孔隙水体积，就等于试样的体积变化。但是实际上的排水量却往往大于在试验前和试验后的试样重量差。其原因除了橡皮膜与试样帽(底座)之间接合缝的漏水以及橡皮膜本身的渗透外，主要是试样与橡皮膜之间在充气排水过程中残留了一些水，这些水在围压下挤到了量水管内，被误认为是试样中排出的孔隙水。减少误差的办法是，在施加围压前，降低量水管高程，在试样内形成一小的吸力，并持续一段时间，等到试样中排水稳定后，再进行剪切。排水管中如果原来存在有气体，会影响到孔隙水的排出速度，由于孔隙水压力比较小，所以排水管中的气体甚至会阻碍孔隙水的排出。橡皮膜的渗透、孔隙压力在试样中的传递速度、孔隙压力量测设备本身的体积变化以及非饱和土中孔隙水与孔隙压力之间的差别等，也都是影响量测精度的因素。

3 摩阻力对试验结果的影响

图1是土样三轴试验得到的应力应变图。

图1 主应力差与轴向应变关系曲线

从图1中可以发现，在某一段当应变发生变化时，主应力没有发生变化，曲线中出现了几段直线。在不影响仪器密闭性的前提下，将压力室活塞上端螺丝放松，直线现象有所缓解，这主要由于活塞和轴套之间的摩擦力造成的。

作用在试样上的活塞荷重，是用应变控制式试验机和量力环、磅秤或者是简单杠杆施加的。施加的荷重，通常是用装置在受压室外面的量力设备来量测的。测得的荷重是指作用在活塞上端的荷重，这一荷重减去活塞与轴套之间的摩擦力以及受压室的流体压力对活塞的顶托力以后，才是试样所受到的实有活塞的荷重。

对于应变控制式试验机来说，消除活塞与轴套之间摩擦力的方法是在施加围压以后，活塞尚未接触试样以前，开动试验机，以预定的变形速率使活塞移动，这时，将量力环上的量表数设置成零，就可消除摩擦力和顶托力影响。或者在压力室内部设置压力量测系统，测得土样所受到的真正的压力值。

4 两端应力不同对试验的影响

人们已经认识到，以土的应力—应变特性为依据的土工问题的分析方法，已成为土工建筑物设计和性态预测的最有成效的方法，是量测试样边界上的力和位移，并假定这些力和位移均匀分布在整个试样上，从而算出应力和应变。试样在小的轴向应变下的应力尚属均匀，在大的轴向应变下，试样的应力是很不均匀的。三轴仪的主要缺点之一是试样中的应力和应变还不够均匀。其原因是刚性试样帽和底座限制试样的末端向侧向变形，也就是在试样帽(和底座)与试样之间存在有剪应力，而在试样的中间部分，却不受约束，当试样接近破坏时，不是被压成鼓形，就被挤成颈状。这时，试样中的应力显然也是不均匀的。

试样末端受到约束的现象，早就为人们所注意，泰勒曾经用较大高径比的试样来减少末端约束的影响。当高径比不小于2时，末端约束对强度的影响就可以忽略不计。所以常规的三轴试验中，都规定试样的高径比在2～2．5之间。然而，要对土的应力—应变关系进行实质性的研究，单靠增加试样的高径比，也不是很理想的解决办法，只有设法消除末端约束，才是根本的出路之一。

5 结语

以上讨论的几个影响固结不排水试验的因素既有三轴试验过程本身技术上的问题，也有三轴试验仪器的缺陷。在试验过程中，从试样的取样、饱和、装样、固结排水，每个环节都应该严格按照规范操作，当试样满足试验条件后方能进行，以取得合理的测试试验结果;同时对于三轴仪也应不断改进，减少试验仪器引起的误差。当然，除了以上讨论的这些因素之外，还存在着其他因素影响固结不排水试验结果，应在试验中充分重视，积累经验，不断完善试验过程和试验手段，力求为地基基础设计计算提供更为可靠的参数。

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