三轴试验孔隙水压力影响因素分析

王静

（上海申元岩土工程有限公司，上海 200125）

1 孔隙水压力产生的原因及试验原理

1.1 孔隙水压力产生的原因

土是由固体颗粒、水和空气三部分组成的。组成土的这三部分之间的不同比例，反映土的各种不同状态，它对评价土的物理、力学性质有着重要意义[1]。当受外界条件影响，作用在土体单元上的总应力发生变化，导致土体三相之间发生变化，此时土骨架的体积和有效应力都存在着一个从起始状态到新状态过渡的过程。而当土的渗透系数较小时，若将水排出，使土的骨架过渡到新的孔隙比，在短期内无法实现。这样，就可能出现一个随时间消散的附加的孔隙水压力场。这种孔隙水压力，恰是导致许多工程失事的直接原因。

1.2 试验原理

通过三轴固结不排水剪切试验，可测得轴对称应力条件下荷载应力增量引起的孔隙水压力。图1所示：为三轴固结不排水剪切试验试样土单元体受到轴对称应力作用时，孔隙水压力和有效应力的变化过程。图 1（a）、（b）、（c）和（d）中的三个方块，按顺序分别表示土试样受到的轴对称应力增量的作用力△σ、在试样中产生的孔隙水压力增量△u和作用于土骨架的有效应力△σ′。

图1 轴对称三轴试验应力状态图

按试验的步骤，首先对试样施加等向围压力σc，待完全固结，使试样中的孔隙水压力完全消散至△u=0，围压力σc全部作用于土骨架成为有效应力，见图 1（a），其意图是使试样恢复至原位应力状态，然后，在不排水条件下，施加荷载应力增量，围压力为△σ3，轴向应力为△σ1，进行试验。按弹性理论应力叠加原理，把荷载应力增量分解为围压增量△σ3和轴压增量（△σ1-△σ3）两部分，分别见图1中（b）、（c）两种情况。在试验时分别施加围压增量和轴压增量，先施加正应力部分，即施加等向围压力△σ3，见图1（b）。此时，由正应力引起的孔隙水压力为△u3。相应地，由有效应力原理得到作用于试样土骨架的有效应力为△σ′，即

土试样单元体受到轴对称应力增量△σ1和△σ3作用剪切时，引起的孔隙水压力增量△u也可按照应力叠加的原理计算，即为围压增量△σ3和轴压增量（△σ1-△σ3），两者引起的孔隙水压△u3和△u1的叠加，故

分别对两孔隙水压力增量△u1和△u3进行分析，最后可求得轴对称应力增量△σ1和△σ3引起的孔隙水压力△u。

孔隙水压力增量△u1和△u3与轴对称应力△σ1和△σ3的关系，可通过土骨架和水的应力应变关系来分析求解，也可利用三轴试验结果分析求解。相对而言，后者比较直接而实用。

三轴试验的结果表明：凡对土试样施加轴对称应力增量（△σ1和△σ3）必然引起试样中孔隙水压力的增大（△u）。孔隙水压力增量△u与有效应力增量△σ1和△σ3两者之间的关系不是直接等同的，而是受土试样的变形性质、固结状态和排水条件等因素的影响而变化。

2 影响孔隙水压力的因素

2.1 测量设备的影响

量测设备反应的孔隙水压力是流入或流出孔隙水压力计的水量。计算时间延滞的公式为：

式中：t为延滞时间；V为体积因数（单位压力作用下，进入量测系统中的水体积）；k为土的渗透系数；A为进水面积；△V0为土体实际孔隙水压力和某一时间测量所得的孔隙水压力之差；△Vt为某一最大可能的误差。

从公式（5）中可以看出，如果土的渗透系数一定，进水面积已知，那么某一允许误差的延滞时间就取决于测量系统体积因数，体积因数越大，延滞时间越长。测量系统的体积因数包括零位指示器、管道及其中的水体。若管道中困陷有气泡，就大大增加了体积因数，产生严重的时间延滞。因此在《土工试验方法标准》[2]中要求完全排出困陷于管道中的气泡，并提出了判断的标准，也提出了体积因数应小于1.5×10-5cm3/kPa的参考数据。必须指出，该数据只适用于一般情况，例如适用于压缩系数小于10-3kPa-1的正常固结和超固结的饱和土，对于压缩系数大于10-3kPa-1的超固结饱和粘土，体积因数应减小到1.5×10-6cm3/kPa，才可将量测误差降低到1%。还应指出，量测系统中的体积变化，不但会引起时间延滞，而且还会改变试样中的孔隙水压力值。这是因为试样中的孔隙水流向量测系统后，试样的体积减小了，有效应力增加了，在外力不变的情况下，孔隙水压力也相应地减小了。由此可见，只有减小量测系统的体积因数，才能缩短延滞时间，提高孔隙水压力的测试精度。

2.2 土的饱和度的影响

如果孔隙中包含有气体，由于气体的可压缩性，将会影响孔隙水压力的增长和测量。当完全饱和试样在不排水条件下受到恒定的围压时，则试样内的孔隙压力是均等的，此时所产生的孔隙水压力通过透水板就会很快传递到压力传感器，促使其感应薄膜产生微小的位移，即表明试样中已有少量的孔隙水流向孔隙水压力测量系统。如果测量系统的体积不变化，则所测的孔隙水压力就比较接近于真实；如果试样不饱和，测量系统本身的体积就会发生变化，从试样中流出的孔隙水也会发生变化，水的流动是在一定的水力梯度下产生的，因此，试样内部的孔隙水压力就大于试样与测量系统接触处的孔隙水压力。试样内部的孔隙水压力必须经过一段时间后，才能传递到测量系统中，这就是孔隙水压力测量系统的体积变化引起的时间滞后。测量系统体积变化除引起时间滞后外，同时还会改变试样中的孔隙水压力值。

当土样从原地采取出来后，由于原有的应力被解除掉，土中溶解的空气可能会游离出来，造成土样不饱和；而且在三轴仪上安装试样时，往往有气泡困陷在试样与橡皮膜之间以及量测系统中，这些都会直接影响孔隙水压力的量测精度[3]。

2.3 土剪胀（剪缩）的影响

土在剪切过程中，如果体积会胀大（例如密砂），则称为剪胀，剪胀使孔隙水压力减少（图1）。如果剪切时体积会减小（例如松砂），则称为剪缩，剪缩使孔隙水压力增加（图2）。剪胀时孔隙水压力系数为负，剪缩时孔隙水压力系数为正。事实上，从土在不排水剪中孔隙水压力值的变化趋势可以推演它在排水剪中体积变化的规律，反之亦然。两者是互相对应的。如正常固结粘土，它在排水剪切中有剪缩趋势，所以在进行不排水剪时，因孔隙水排不出，这剪缩趋势就转化为试样中孔隙水压力的不断变化。反之，超固结土在排水剪中不但不排水，反而有剪胀吸水的趋势。但它在不排水剪时却无法吸水，于是就产生负孔隙水压力[4]。对于不同密度的砂土，也存在着与上述相似的规律。密砂的剪胀性比超固结粘土更是突出。

图2 孔隙压力与轴向应变关系曲线（剪胀时）

图3 孔隙压力与轴向应变关系曲线（剪缩时）

2.4 橡皮膜的影响

橡皮膜的渗透包括针眼漏水、橡皮膜和试样帽或底座之间结合缝处的漏水及橡皮膜本身的渗透。如在试验中从试样中持续地排出大量水，那就很容易判定橡皮膜有针眼或被刺破。试样帽和试样底座必须十分光滑，而且不允许有土粒或脏物，否则压力水就会沿着不平之处或脏物两侧进入试样中，从而影响试验结果。至于橡皮膜本身的渗透主要是由于膜内外水力坡降、溶液浓度坡降及空气坡降而引起的，这种渗透对高压缩非饱和土的影响最大。

2.5 测量位置的影响

在通常的三轴试验中，孔隙水压力的量测是通过试样底座的透水石进行的。对于粘性土来说，剪切时可能由于土质不均匀、应力分布不均匀等因素。在试样中产生相当大的孔隙水压力梯度，这种梯度可能保持几小时甚至几天。有研究表明[3]，在不排水剪切试验中，用通常的加荷速率，采用底部测量可能会歪曲土的性质，而采用试样中部测量能够比较真实地反映试样中的孔隙水压力。试样中部测量一般采用探针插入试样内的方法，但该方法不但操作复杂，而且影响试样的强度和变形，故该方法目前没有在实际生产中推荐使用。

3 改进方法

3.1 施加反压力

施加反压力的方法可以较为有效地使试样完全饱和，也可减小土剪胀对孔隙水压力的影响。所谓反压力就是人为地在试样内增加孔隙水压力，使残留在试样内或试样与橡皮膜之间的气泡溶解于水。为了保证试样内有效应力不变，在逐级增大孔隙水压力的同时，等量地增加周围压力，每级的增加量视土的透水性和压缩性而定。当反压力增加到接近预估值时，只增加周围压力，观测孔隙水压力增量，如果二者增量相等，则证明试样已经饱和。对于超固结土，判定是否饱和的方法是连续施加几级等量的周围压力，如相应各级的孔隙水压力也相同，则试样已经饱和。

为了提高施加的反压力精度，并避免反压力大于周围压力造成试样膨胀破坏而改变试样结构，采用压力表来代替周围压力和反压力的指示表。

施加反压力的大小与试样的起始饱和度以及要求达到完全饱和的时间有关。如果在施加反压力过程中，试样体积保持不变，则所需的反压力可按下式计算：

式中：uas为反压力；us0为起始孔隙水压力（一般接近大气压值）；Sr为起始饱和度；u为空气溶解系数（在20℃ 时约为0.02）。

按式（6）算得不同起始饱和度下所需的反压力，如表1所示。

表1 不同起始饱和度下所需的反压值

从表1中可看出，按式（6）估算的反压力值是较大的，这不但给仪器带来很大的负担，而且需要的时间很长，因而，在试验中应先抽气饱和，使起始饱和度提高，然后再施加反压力使试样完全饱和。

3.2 设备及操作方法的改进

为了减小测量系统的体积因数，缩短延滞时间，提高孔隙水压力的测试精度，在试验中建议采用刚度较好的压力传感器（但必须保持一定的感度）直接装在三轴压力室底座上，以便减少管路的长度和系统中的水体积。

在试验前必须进行检查，橡皮膜是否有针眼或者被刺破，试样帽和试样底座是否十分光滑。为尽量避免橡皮膜渗透的影响，可采用两层橡皮膜、中间涂以硅脂或采用较厚的橡皮膜。对于历时较长的非饱和土样可采用水银做压力液体。

对于粘性土来讲，尽量采用较慢的剪切速率。为了加速固结和使孔隙水压力均匀变化，通常采用在试样周围贴滤纸条的方法。

4 结论

在三轴试验中孔隙水压力值的影响因素有多种，主要的因素有测量设备的影响、土的饱和度的影响、土剪胀（剪缩）的影响、橡皮膜的影响及测量位置的影响。由于土体的内部结构是无法改变的，因此为了进一步提高测试精度，只能从测试技术和试验方法上加以改进，主要的改进方法有施加反压力，采用较慢的剪切速率、减少管路长度、采用双层橡皮膜及贴滤纸条等，这些方法在试验中都已被采用，实践证明是正确可行的。

[1]刘晓立.土力学与地基基础[M].北京：科学出版社，2010.（12）.

[2]GB/T50123-1999.土工试验方法标准[S].北京：中国计划出版社，1999.

[3]柏丽萍.三轴试验中孔隙水压力的影响因素及改进方法[J].土工基础.2007.21（6）：83-85.

[4]印文东.三轴剪切试验中孔隙水压力的特征探讨[J].城市道桥与防洪.2005.5（3）：96-98.