基于土体变形特性的三轴试验数据处理

赵洪元　吴贵艳

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵州　550081)

基于土体变形特性的三轴试验数据处理

赵洪元吴贵艳

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵州550081)

摘要三轴试验是一种重要的土工试验方法，同样不可避免地存在各种误差，随着电子技术的发展，高精密电子量测元件、数据自动化采集系统的应用，使三轴试验的精度得到较大提高，试验数据也变得极为丰富，如何从如此繁杂的数据中提炼出正确有效的数据则是有待解决的问题。以三轴试验测得土体应力应变关系曲线为例，基于土的变形特性，论述了如何扣除试验的系统误差。

关键词重塑粉质黏土三轴试验试验误差土体变形特性

三轴试验以试验过程中能较接近地模拟天然土样的受力状态、且能够控制排水条件测定孔隙水压力、求得有效应力的强度指标等其他试验无法比拟的优点，而成为一种重要的土工试验方法[1-2]。但三轴试验存在各种误差，有端部接触问题、端部约束问题和试验仪器引起的系统误差等。如何减小误差提高试验的准确性，很多学者开展了一系列研究，如王助贫[3]、邵龙潭等[4-5]，通过计算机图像测量技术研究了端部接触问题、端部约束问题等引起的试样变形误差。张鲁渝等[6]利用霍尔效应传感器测量了试样剪切过程中的局部应变，采用霍尔效应传感器测得的位移可有效地消除或减少基座误差、端部约束误差和仪器柔性误差。

随着电子技术的发展，高精密电子量测元件的使用使得三轴试验测试数据更为精确，数据采集的自动化使得三轴试验测试数据更为丰富。利用高精密全自动化的三轴仪器研究土的强度时，不但可以实时观察所测数据，而且能够较精确地测试土的强度、变形、孔隙水压力、体积变化等相关参数，调整数据采集的时间间隔可以获得想关注的更多数据，但是处理试验数据也变得困难，如何从如此繁杂的数据中提炼出正确有效的数据则是有待解决的问题。本文以三轴试验测得土体变形的应力应变关系曲线为例，论述了如何扣除试验的系统误差。

1土的变形特性

土是一种非线性的弹塑-粘滞可压缩介质，非线性指应变增量随应力增加而变化，弹性表现为受外力作用的土体在外力卸除后具有可恢复的变形，而不可恢复的变形即表现为塑性，随时间而发展的变形则表现为粘滞性。《土力学的流变原理》[7]一书中指出，根据土的塑性粘滞流动曲线，可以分出3个临界应力值。第一个临界应力是相对的弹性极限τk，在应力小于τk时不产生流动。不过变形可能不仅是弹性的，而且亦有塑性的，不可逆的。一般地说，还可以分出τe<τk极限。应力小于τe时变形将是纯弹性的。非结构性的土以水胶连结占优势，极限τk将十分小，这些土可以视之为液体，并可假设τk=0。第二个临界应力是相对流动极限τT,在应力超过这个极限之前，蠕动变形虽然可能，但速度很小或有衰减特征，此时土的结构未破坏。在应力超过极限τT后，土的结构被破坏，流动速度急剧地增长达几个数量级。第三个临界应力τf相当于结构的完全破坏。此时对于结构的和非结构土的流动速度和应力之间的关系是非线性的，并且基本的非线性在从大的速度过渡到小的速度时就表现出来。可以看出，在不同的应力水平作用下，变形呈现出不同的状态特征，土体在小于τe时的变形是纯弹性的。

2试验仪器及方案

为测得土体应力-应变关系曲线，采用GDS三轴试验系统，进行饱和状态三轴试验。

2.1试验土样

试验土样为粉质黏土，主要物性参数见表1。最大干密度和最优含水率使用Z2重型击实试验[8]得到，由量瓶法测得颗粒密度，使用液塑限联合测定仪测得液限和塑限，采用筛析法及密度计法联合测定得到颗粒粒径分布数据，即5～0.075mm粒径(粗粒)约占22.23%，0.075～0.005mm粒径(粉粒)约占48.29%，0.005～0.002mm粒径(黏粒)约占18.74%。

表1　试验土样基本物性参数

2.2试验仪器

本试验所用GDS三轴试验系统见图1，整套GDS三轴试验仪主要是由：①压力室和轴向加压设备；②围压施加系统(最大2MPa)；③反压、体积控制设备；④孔隙水压力量测系统；⑤计算机控制和分析系统等组成。压力室中盛装试样和水，水充当围压传递媒介，由围压控制器对压力室中的水加压，再通过水将围压力施加到试样上。反压控制器量测、控制试样中的孔隙水压力，以及试样中孔隙水的体积变化。通过计算机控制与分析系统，GDS可以实现从静态到动态10Hz(峰值1mm)控制轴向位移或轴向力。利用LVDT局部应变传感器量测试样轴向和径向应变。通过压电陶瓷弯曲元测试试样在小应变情况下的动剪切模量。

a)GDS土体三轴试验系统b)压力室c)围压控制器

图1GDS三轴试验系统

2.3试验方案

制备1组压实度100%的粉质黏土重塑试样，对试样进行饱和，在100,200,300,400kPa围压下进行标准三轴试验，见表2，制备试样的物理指标见表3。为提高试验精度，避免温度变化对试验仪器和测量装置产生干扰，试验在26 ℃的恒温室内进行，数据采集时间间隔为10s。

表2　试验方案设计

表3　制备试样的物理指标

3试验数据处理及分析

3.1三轴试验剪切后的破坏形态

按试验设计对制备的试样进行饱和状态的三轴试验。试验后试样的破坏形态见图2。

图2　试样剪切后破坏形态

3.2试验数据处理及分析

对制备的试样进行饱和状态下的三轴剪切试验，可测得各试样在不同围压下的应力-应变关系曲线，见图3。

a)　围压100 kPa

b)　围压200 kPa

基于土的变形特性，当偏应力作用到试样上时，试样就会产生变形，随着偏应力的增加试样的变形也逐渐增大，在较小的偏应力范围内试样发生纯弹性变形即变形随偏应力成线性增大。随着偏应力的进一步增加变形增量却逐渐减小呈非线性增大，直至达到试样所能承受的最大偏应力。由图3可见，当较小偏应力作用在试样上时就有较大变形，此时的土体变形模量也远小于随后的土体变形模量，且可以看出在应力-应变关系曲线有明显的拐点，这不符合土的变形特性。分析可知，偏应力加载前期出现较大变形是由端部接触问题引起，属于系统误差范畴，即试验开始时施加偏应力的加载杆、试样顶帽、透水石、滤纸和土样相互之间的接触产生的压密变形，这种变形并不是土样真实的变形，若将该变形叠加到土样的变形上就会导致土样变形量测的不准确，因此在处理数据时应扣除该部分变形，该部分的变形量扣除多少比较接近实际，需根据土的变形特性而定。土在小应力水平下变形与应力成线性变化，因此可以取应力-应变关系曲线中拐点后的直线段用线性拟合，得到的拟合直线与横轴的交点即可近似做为变形开始的起点。数据处理后见图4。

a)　围压100 kPa

b)　围压200 kPa

由上述分析可知，三轴试验测试土的变形时因端部接触问题的存在会引起土样变形测量的不准确，因此建议处理试验数据时应根据土体的变形特性对实验数据进行合理的修正，以减小人为误差的引入。

4结论

基于三轴试验测得试样的应力应变关系曲线，探讨三轴试验数据处理应注意的问题有如下结论：

(1) 在较小的偏应力范围内土体将发生纯弹性变形，变形随偏应力成线性增大。随着偏应力的进一步增加变形增量却逐渐减小呈非线性增大，直至达到试样所能承受的最大偏应力。

(2) 三轴试验数据处理过程中，对试验产生的系统误差应扣除，扣除误差量的大小可根据土体小变形时变形与应力成线性关系确定，以减少人为误差的引入。

参考文献

[1]朱思哲,刘虔,包承纲,等.三轴试验原理与应用技术[M].北京：中国电力出社,2003.

[2]李广信.高等土力学[M].北京：清华大学出社,2004.

[3]王助贫,邵龙潭.三轴试验土样的端部影响问题研究[J].岩土力学,2003,24(3):363-368.

[4]邵龙潭,王助贫,韩国城等.三轴试验土样径向变形的计算机图像测量[J].岩土工程学报,2001,23(3):337-341.

[5]邵龙潭,王助贫,刘永禄.三轴土样局部变形的数字图像测量方法[J].岩土工程学报,2002,24(2):159-163.

[6]张鲁渝,孙树国,郑颖人.霍尔效应传感器在土工试验中的应用[J].岩土工程学报,2004,26(5):706-708.

[7]CC维亚洛夫.土力学的流变原理[M].杜余培，译.北京：科学出版社,1987.

[8]TB10102-2010铁路工程土工试验规程[S].北京：中国铁道出版社,2010.

收稿日期：2014-11-28

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.051