三轴试验土样的端部影响问题研究

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摘要：通过数字图像测量技术，直接量测试样的轴向变形和径向变形，把它们与传统测量方法得到的变形测量结果进行比较，定量分析端部约束与端部接触对三轴试验土样的影响。同时采用数字图像测量技术，直接测量三轴试样中间部分的土样变形，以此避开试样端部的影响，使试验结果更加真实可靠。

关键词：轴试验、端部约束、端部接触、数字图像测量

Abstract: through the digital image measurement technique, direct quantity test kind of axial deformation and radial deformation, put them and the traditional measuring method of measurement results deformation by comparison, quantitative analysis to end restriction and at the end of the contact to triaxial test the effect of soil samples. At the same time using digital image measurement technique, direct measurement of three axis of the intermediate sample soil samples deformation, to avoid the influence of sample ends, the experiment results much more real.

Keywords: axis test, end restriction, at the end of the contact, digital image measurement

中图分类号：C33文献标识码：A 文章编号：

引言：三轴试验是最常用的土工试验之一，通过测得试样应力和应变得变化来推导土体的本构模型参数。三轴试验不可避免地受到端部接触和端部约束的影响，深入研究此两种端部问题对试验的影响对改进三轴试验设备和了解土体结构均有重要意义。

一、背景及研究意义

1、土工三轴试验在土力学中的作用和地位

三轴试验是把一个圆柱形土样放到密闭的压力室中，通过施加各向均等的周围压力和轴向偏差应力来模拟实际土层的受力状况，以此为根据研究土的强度和结构关系。土的应力应变本构模型，通常是先通过少量简单的试验，求取在比较简单的应力状态下的应力应变关系，然后用数学和力学及其它学科理论，把这些试验结果推广应用到复杂的复合应力组合状态上去。在土的应力应变本构模型研究中，最常使用的土工试验设备就是土工三轴试验仪。

2、三轴试验中的端部接触和端部约束

三轴试验是最常用的土工试验之一，通过测得试样应力和应变得变化来推导土体的本构模型参数三轴试验不可避免地受到端部接触和端部约束的影响，深入研究此两种端部问题对试验的影响对改进三轴试验设备和了解土体本构均有重要意义。土工三轴试验在应用过程中不断发展完善，其基本工作原理始终没有改变：通过加载装置施加荷载，通过测量设备观测变形和受力，实际上这也是大多数力学试验的基本模式。和其他的试验一样，土工三轴试验的各方面情况不可能与预期的理想情况完全一致：边界约束影响、材料不均匀、试验环境的变化都会对试验结果产生或多或少的影响。要改进试验方法和设备，就必须了解现有试验方法和设备的不足。本论文主要针对土工三轴试验中的端部接触和端部约束现象展开研究。

二、三轴试验方法及原理

三轴剪切试验能控制试验过程中的排水条件，可根据工程施工和运行的实际情况选择不同排水条件的试验，无论粘质土或砂质土均可适用。三轴剪切试验通常分为不固结不排水剪试验(UU试验)，固结不排水剪试验(CU试验)和固结排水剪试验(CD试验)。

(1)不固结不排水剪试验(UU试验)。从地基中或土工建筑物内取出的土样放在三轴仪的压力室内，在排水阀关闭的情况下施加周围压力σ3，不让试件固结，即试件不压密，σ3所引起的孔隙水压力不消散。然后增加轴向主应力差σ3，即偏差应力σ1一σ3进行剪切，在这一过程中也关闭排水阀门不让试件排水。不固结不排水剪试验也简称为不排水剪试验。这种方法适用的条件是土体受力而孔隙压力不消散的情况。当建筑物施工速度快，土体渗透系数较低(如小于应为A×10-4cm/s)，而排水条件又差时，为考虑施工期的稳定，可采用UU试验。对于非饱和土，如压实填土，或未饱和的天然地层，它们的强度是随σ3的增加而增加的，但当σ3增加到一定值后，空气会逐渐溶解于水而使试样达到饱和，此时土体强度不再增加，所以非饱和土的强度包线并非直线。因此，用总应力方法分析时，应在规定的压力范围内选取Cu、φu。如非饱和地层预计施工期可能有雨水入渗或地下水位上升会使土体饱和，则试样应在剪切前予以饱和。

不排水剪试验的应变速率对强度的影响不大，可根据试验方便来选择剪切应变速率。通常建议剪切应变速率为每分钟应变0.5％-1％左右，以使试样在15—30min内完成剪切试验。

(2)固结不排水剪试验(CU试验)。让几个试件分别在不同周围压力σ3作用下固结，将固结后的试件在不排水条件下加轴向主应力差σ1进行剪切，剪切中试件内将出现一定数值的孔隙水压力，其值可从孔压测量系统中测定。CU试验的主要目的是：一是借测量孔隙压力求得土的有效强度C’、 φ’，以便进行土体稳定的有效应力分析；其次是求得总应力强度指标Ccu、φcu。

固结不排水剪试验的剪切速率依据剪切过程中是否测量孔隙水压力而有所区别：当不测量孔隙水压力时，可以选用不排水剪试验的剪切速率：但如果需要测量孔隙水压力，则要求剪切速率相当慢，这是因为在常规三轴土样剪切过程中孔隙压力分布是不均匀的，一般中部较大两端较小，为了使底部测得的值能代表剪切区的孔隙压力，需要有足够时间使孔隙压力分布均匀。通常建议粘质土的剪切应变速率为每分钟应变0.05％-0.1％，粉质土的剪切速率为每分钟应变0.1％-0.5％。

(3)固结排水剪试验(CD试验)。在三轴试验中，让排水阀门始终打开，试样先在周围压力的作用下充分固结。稳定后缓慢增加轴向主应力差σ1，使得试样在剪切过程中充分排水，试验过程中恒不出现超孔隙水压力。用这种试验方法测得的抗剪强度称为排水强度，相应的抗剪强度指标为土的排水强度指标Cd、φd。

固结排水剪的应变速率选择标准是保证在剪切过程中超孔隙水压力为零。通常建议粘质土的剪切应变速率为每分钟0.003％一0.012％。采用应变控制式三轴仪的固结排水剪比较费时，故较适用于透水性较强的土料。在测试土的应力应变关系时，为了模拟实际工程的排水条件，也需用应变控制三轴压缩仪的固结排水剪试验成果来确定变形模量E、泊松比μ和剪切模量G等变形指标。

三、三轴试样的端部接触问题

常规三轴试验是取一圆柱体土体用橡皮膜包裹后，上下两端依次放上滤纸和透水石，后置于压力室中，下端与压力室底座相连。上端与试样帽绑扎在一起，如图1所示。显然，在三轴加荷系统给试样施加偏差应力时，在传力杆、试样帽、透水石、滤纸以及试样端部之间存在接触间隙。规范规定，试验前，旋转手轮，转动活塞，当轴向测力计有微读数时即认为活塞已经与试样帽接触，把此时的轴向测力计和轴向位移计读数调整到零，以此来消除试样的端部接触误差。传力杆、试样帽、透水石、滤纸与试样端部之间的接触压密过程可以分为三个阶段：第l阶段：起始阶段。力F的示值很小，变化趋势比较缓慢。或者基本上无变化。这属于传力杆与试样帽接触期在滑动过程中受到的摩擦阻力，这一力值在计算试样偏差应力时应该扣除。第2阶段：逐步接触阶段。在该阶段，传力杆与试样帽开始逐步接触，试样帽与透水石、滤纸以及试样之间的接触趋于紧密，此时，整体测量得到的轴向变形主要由土样外部变形(包括间隙变形)所引起，在该级荷载下的三轴试样自身的轴向变形量不大。第3阶段：正常变形阶段。是试样真正受力阶段，从这个阶段开始，试样本身开始出现较大的轴向和径向变形。但需要说明的是，试样帽与透水石、滤纸以及试样之间的接触压密过程贯穿在整个试验过程中。只是到了后期，它们之间的接触变形相对于试样体自身的变形来说已经可以忽略。