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科普:關(guān)于三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)

來(lái)源:室內(nèi)巖土試驗(yàn)技術(shù)分享 瀏覽 935 次 發(fā)布時(shí)間:2022-09-09

阿萊桑德羅·馬吉奧尼

在本文中,我們將探索三軸試驗(yàn)的所有方面,包括:

定義什么是三軸試驗(yàn)

概述為什么應(yīng)該進(jìn)行這些試驗(yàn)

講解不同類型的固結(jié)試驗(yàn)和方法

了解典型的試驗(yàn)步驟

了解所需主要組件的詳細(xì)信息

了解典型的可用配置


什么是三軸試驗(yàn)?

典型的三軸試驗(yàn)涉及將高度直徑比為2:1的密封圓柱形土壤試樣限制在加壓壓力室中,以模擬定義的應(yīng)力條件。然后對(duì)試樣進(jìn)行剪切,直到破壞,從而確定其剪切強(qiáng)度特性。試樣通常先飽和,然后固結(jié),最后剪切,大多在壓縮條件下。

當(dāng)然,還可以使用正確的設(shè)備進(jìn)行一些進(jìn)一步的測(cè)試。例如,帶有可形成真空附件的頂蓋(在加載框架、荷載傳感器和試樣之間創(chuàng)建剛性連接所必需的)允許在拉伸條件下進(jìn)行三軸測(cè)試、應(yīng)力路徑或K0測(cè)試。必須對(duì)受不同應(yīng)力和排水條件影響的未擾動(dòng)、重塑或壓實(shí)的試樣進(jìn)行測(cè)試(見(jiàn)下文圖1和圖2),以模擬現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)力。樣品尺寸從38毫米到100毫米不等,但只要使用正確的設(shè)備,也可以使用更大的樣品。

圖1-標(biāo)準(zhǔn)三軸測(cè)試中的應(yīng)力條件。

圖2-總應(yīng)力/有效應(yīng)力

σ1或σV=軸向/垂直應(yīng)力

σ3或σh=圍壓/水平壓力

u=孔隙水壓力(PWP)


為什么進(jìn)行三軸試驗(yàn)?

三軸試驗(yàn)是巖土工程中用途最廣泛、最全面、最廣泛執(zhí)行的試驗(yàn)之一。下表1列出了三軸測(cè)試可以評(píng)估的最常見(jiàn)工程問(wèn)題。

淺層地基引起的不同應(yīng)力條件示例

淺層地基和開(kāi)挖相結(jié)合引起的不同應(yīng)力條件的例子。

其他一些測(cè)試更容易執(zhí)行,如標(biāo)準(zhǔn)直接剪切測(cè)試,但這些測(cè)試沒(méi)有像不允許控制試樣的排水量以及進(jìn)行孔隙壓力測(cè)量那樣全面。此外,三軸試驗(yàn)有助于計(jì)算重要的土壤參數(shù),如內(nèi)聚力(c’)、摩擦角(φ’)和待確定的剪切強(qiáng)度。三軸試驗(yàn)還可用于確定其他變量,如剪切剛度G和滲透率k。


三軸試驗(yàn)類型

實(shí)驗(yàn)室可以進(jìn)行三項(xiàng)基本的三軸試驗(yàn),每項(xiàng)試驗(yàn)都允許觀察不同工程應(yīng)用的土壤響應(yīng):

不固結(jié)不排水測(cè)試(UU),也稱為快剪三軸測(cè)試

固結(jié)不排水測(cè)試(CU)

固結(jié)排水測(cè)試(CD)

UU三軸試驗(yàn)也稱為總應(yīng)力試驗(yàn),CU/CD三軸試驗(yàn)也稱為有效應(yīng)力試驗(yàn)。UU三軸試驗(yàn)通常用于短期工程問(wèn)題,CU和CD三軸試驗(yàn)用于評(píng)估長(zhǎng)期工程問(wèn)題。


不固結(jié)不排水(UU)

用這種方法,以總應(yīng)力來(lái)測(cè)量剪切強(qiáng)度。土壤試樣不進(jìn)行固結(jié),必須保持其原始結(jié)構(gòu)和含水量,使其抗壓強(qiáng)度取決于現(xiàn)場(chǎng)的靜態(tài)應(yīng)力水平。

通常對(duì)從同一樣品中獲得的三個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)試,每個(gè)試樣都受到不同的圍壓。在土壤完全飽和狀態(tài)下,每次試驗(yàn)的剪切強(qiáng)度都是一樣的,稱為“不排水的剪切強(qiáng)度”。另一種稱為無(wú)側(cè)限(UCS)的測(cè)試也可以使用三軸系統(tǒng)進(jìn)行,只需將限制壓力設(shè)置為零。

固結(jié)不排水(CU)

這里以有效應(yīng)力來(lái)衡量剪切強(qiáng)度。試樣飽和并允許在所需的約束壓力下進(jìn)行固結(jié)(土壤固結(jié)是改變其結(jié)構(gòu)和含水量的過(guò)程)。一旦固結(jié),試樣就被施加了一定的荷載,在此期間不允許排水,以便測(cè)量孔隙壓力。

由于剪切強(qiáng)度受有效應(yīng)力的影響,通過(guò)在不同約束壓力下測(cè)試一組三個(gè)試樣,可以根據(jù)庫(kù)侖模型定義失效包絡(luò),定義參數(shù)c'和φ',并評(píng)估不排水的剪切強(qiáng)度。

固結(jié)排水(CD)

用這種方法,以有效應(yīng)力來(lái)測(cè)量剪切強(qiáng)度。試樣飽和,允許在所需的圍壓下固結(jié)。一旦固結(jié),試樣就被施加了一定的荷載,在此期間允許水分排出,而不會(huì)產(chǎn)生孔隙壓力。

由于剪切強(qiáng)度受到有效應(yīng)力的影響,通過(guò)在不同約束壓力下測(cè)試一組三個(gè)試樣,可以根據(jù)庫(kù)侖模型定義失效包絡(luò),并定義參數(shù)c'和φ'。

UU三軸測(cè)試速度快,執(zhí)行時(shí)間不到30分鐘,通常不經(jīng)過(guò)飽和或固結(jié)階段,因?yàn)闇y(cè)試僅包括剪切階段。而CU和CD三軸測(cè)試通常在飽和階段開(kāi)始,然后進(jìn)入固結(jié)段。CU和CD三軸測(cè)試也需要更長(zhǎng)的時(shí)間,有時(shí)幾天、幾周甚至幾個(gè)月才能完成。CD三軸試驗(yàn)通常耗時(shí)最長(zhǎng),因?yàn)樵诩羟须A段,不允許孔隙壓力積聚,導(dǎo)致應(yīng)變率非常低。CU三軸測(cè)試更快,因?yàn)榭紫端畨毫Γ≒WP)允許增加,在整個(gè)剪切階段會(huì)測(cè)量超孔隙水壓力。

典型測(cè)試步驟

測(cè)試前:樣品和系統(tǒng)準(zhǔn)備

測(cè)試的試樣必須在放入三軸壓力室之前從土壤樣品中獲取。對(duì)于粘聚土壤,這可能涉及修剪從謝爾比管中擠出的未擾動(dòng)的樣本或從塊狀樣品中切割。然而,對(duì)于非粘聚的顆粒土壤,您需要使用對(duì)開(kāi)模直接在基座上準(zhǔn)備試樣。下面是一個(gè)模具和以前的模具舉例:

用于制備重塑試樣的對(duì)開(kāi)模帶抽真空附件

這些模具用于通過(guò)壓實(shí)或振動(dòng)制備非粘聚性試樣——這是三軸試驗(yàn)所必需的。模具必須直接放置在三軸壓力室的基座上。為了確保橡皮膜附著在模具的內(nèi)壁上,施加真空以確保重塑試樣的直徑正確

切土器

用于從粘聚土樣品中制備未擾動(dòng)的樣品,用于三軸試驗(yàn)。

對(duì)開(kāi)模

用于修剪不受擾動(dòng)的樣品的兩端。一旦試樣準(zhǔn)備完成,我們準(zhǔn)備進(jìn)行三軸測(cè)試,三軸測(cè)試包括三個(gè)主要階段:

階段1-飽和

飽和過(guò)程確保測(cè)試試樣內(nèi)的所有空隙都充滿水,并確保孔隙壓力傳感器和排水管路正確排氣。最常見(jiàn)的飽和方法是在試樣中增加圍壓和反壓。這個(gè)過(guò)程逐漸提高圍壓和反壓,這可以溶解樣品中可能存在的任何空氣。

在此過(guò)程中,計(jì)算孔隙壓力系數(shù)B以確定飽和度。重復(fù)這些步驟,直到樣品飽和。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,大于0.95的B值表明標(biāo)本已充分飽和。B值計(jì)算為一個(gè)比值其中?u=孔壓變化?σ3=圍壓變化;

B=?u/?σ3

階段2-固結(jié)

飽和后,試樣通常被固結(jié)到代表其原位條件的應(yīng)力狀態(tài)。固結(jié)通常是各向同性的應(yīng)力-垂直和水平施加給樣品的應(yīng)力相同(σ3=σ1)。然而,固結(jié)也可以是各向異性的,其中σ3≠σ1。在這種情況下,測(cè)試通??s寫(xiě)為CIU(各向同性固結(jié)不排水)或CAU(各向異性固結(jié)不排水)。試樣固結(jié)通常通過(guò)增加圍壓進(jìn)行,同時(shí)保持恒定的反壓(通常等于最終飽和度B檢測(cè)期間達(dá)到的孔隙壓力)。

一旦固結(jié)過(guò)程開(kāi)始,當(dāng)固結(jié)過(guò)程使得試樣中排出水,試樣中超孔隙水壓力將開(kāi)始消失,從而減少其體積。這一過(guò)程一直持續(xù)到試樣的體積變化不再顯著,并且至少有95%的超孔隙水壓力已經(jīng)消散。在固結(jié)階段結(jié)束時(shí),還可計(jì)算出剪切試樣的合適應(yīng)變速率。有關(guān)更多信息,請(qǐng)閱讀我們專門(mén)用于固結(jié)測(cè)試的文章。

階段3-剪切

剪切試驗(yàn)也稱為破壞或壓縮階段,涉及通過(guò)逐漸增加軸向力(σ1)(恒定軸向應(yīng)變速率)、保持圍壓(σ3)來(lái)剪切試樣,直到樣品破壞(破壞通常發(fā)生在軸向應(yīng)變的20%以內(nèi))。根據(jù)剪切階段需要模擬的工程問(wèn)題,適用于試樣的排水條件將決定是否進(jìn)行排水或不排水測(cè)試。

在不排水的測(cè)試中,不允許樣品排水-其體積在此階段不會(huì)改變,但形狀會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致孔隙壓力發(fā)展,將進(jìn)行測(cè)量。如果允許排水,在剪切階段,水將從試樣中排出,使試樣的體積和形狀發(fā)生變化,同時(shí)防止孔隙壓力發(fā)生變化。

除了確定剪切強(qiáng)度外,內(nèi)聚力(c’)和phi(φ’)的值也可以使用莫爾圓和應(yīng)力路徑圖來(lái)確定。在剪切結(jié)束時(shí),您需要拆除系統(tǒng)并進(jìn)行測(cè)試后試樣測(cè)量,例如最終含水量。

三軸系統(tǒng)的主要部件

要進(jìn)行三軸測(cè)試,系統(tǒng)需要多個(gè)組件:

1.荷載架:荷載架對(duì)試樣施加軸向變形,可以與多個(gè)三軸壓力室共享。在這種配置中,飽和和固結(jié)階段可以同時(shí)進(jìn)行,剪切階段可以在荷載框架下每次運(yùn)行一個(gè)(例如,配置一個(gè)框架和三個(gè)三軸壓力室)。當(dāng)荷載架等于三軸壓力室數(shù)時(shí),荷載架可以視為專用荷載架,從而進(jìn)行額外的高級(jí)測(cè)試,如應(yīng)力路徑和K0測(cè)試。

2.三軸壓力室和三軸壓力室配件:三軸壓力室可用于各種樣品尺寸和額定壓力值。壓力室容納三軸試樣,并在所有測(cè)試階段隨時(shí)加壓。試樣密封在橡膠膜內(nèi),然后用水包圍,以產(chǎn)生壓力,然后用于對(duì)樣品施加應(yīng)力(σ3)。

如果需要,可以施加反壓使樣品飽和。在剪切階段,試樣上的軸向力增加,由測(cè)壓元件測(cè)量,以及位移傳感器測(cè)量的變形,如有需要,可以測(cè)量樣品中的孔隙壓力。樣品的體積變化從反壓端測(cè)量使用體變管或壓力/體積控制器。

3.壓力系統(tǒng):三種類型的系統(tǒng)可用于在三軸系統(tǒng)內(nèi)施加圍壓和反壓:

空氣/水面板包括:

配電板-旨在正確地將除氣水分配到形成三軸系統(tǒng)的各種設(shè)備中。它為每個(gè)壓力線(通常是兩條)配備壓力調(diào)節(jié)器,它還允許技術(shù)人員通過(guò)壓力表調(diào)整來(lái)自空氣壓縮機(jī)的壓力。

囊狀氣缸-在三軸系統(tǒng)中提供壓縮空氣和水之間的界面。它配有橡膠囊,將氣壓轉(zhuǎn)換為壓力室中使用的水壓和三軸測(cè)試所需的反壓。

空氣壓縮機(jī)-用于產(chǎn)生壓縮空氣。

壓力體積/控制器:

這可以通過(guò)對(duì)水缸施加壓力,并在不需要任何壓縮空氣的情況下產(chǎn)生所需的壓力室壓力和反壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)該單元,使其能夠在三軸測(cè)試的所有階段測(cè)量體積變化。為了便于在開(kāi)始測(cè)試前將水正確分配到所有設(shè)備,建議添加一個(gè)分配面板。

油/水界面:

該設(shè)備通常用于在不需要反壓和體積變化測(cè)量的UU測(cè)試中產(chǎn)生約束壓力(圍壓)。它通過(guò)使用與泵和油/水容器相連的可調(diào)彈簧式自重壓力系統(tǒng)來(lái)提供恒定的水壓。

模擬測(cè)量設(shè)備或電子測(cè)量設(shè)備:可以使用一些傳感器來(lái)監(jiān)控測(cè)試所涉及的不同變量:

荷載傳感器-測(cè)量剪切階段應(yīng)用于試樣的軸向載荷的變化。它可以是荷載環(huán)或外置及內(nèi)置的水下荷重傳感器。

位移傳感器-測(cè)量試樣高度的變化(軸向應(yīng)變?chǔ)臿)。它可以是機(jī)械千分表、數(shù)字千分表或電位傳感器

體積變化傳感器-用于CU和CD測(cè)試,以測(cè)量進(jìn)出試樣的水量,以及測(cè)試期間試樣的體積變化。這可能是一個(gè)布列特或自動(dòng)體積變化裝置。當(dāng)與壓力/體積控制器一起使用時(shí),體積也可以用這種傳感器來(lái)測(cè)量。

孔隙水壓-用于CU和CD測(cè)試,以測(cè)量試樣內(nèi)孔隙水壓的變化。這可以是壓力計(jì)或孔隙壓力傳感器。

4.數(shù)據(jù)采集:數(shù)據(jù)記錄器將從測(cè)壓元件、孔隙水壓和軸向位移傳感器獲得的模擬讀數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),然后存儲(chǔ)。它可以內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)三軸系統(tǒng),也可以作為外部設(shè)備提供。當(dāng)與自動(dòng)系統(tǒng)一起使用時(shí),數(shù)據(jù)采集還可以使用PC和專用軟件管理和控制三軸測(cè)試所需的所有設(shè)備。

5.除氣系統(tǒng):從水中去除溶解空氣,是CU/CD測(cè)試所必需的。

6.數(shù)據(jù)處理和報(bào)告:主要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以生成專門(mén)的測(cè)試報(bào)告。

三軸試驗(yàn)典型配置

具有模擬測(cè)量裝置的三軸系統(tǒng)是對(duì)不需要數(shù)字測(cè)量的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)三軸測(cè)試的理想基本解決方案,例如有效和總應(yīng)力。所有數(shù)據(jù)采集和測(cè)試管理都是手動(dòng)模式。

具有自動(dòng)內(nèi)置數(shù)據(jù)采集的三軸系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)三軸測(cè)試(有效和總應(yīng)力)最簡(jiǎn)單的緊湊解決方案??膳鋫錁?biāo)準(zhǔn)空氣/水界面壓力系統(tǒng),也可配備自動(dòng)壓力/體積控制器。對(duì)外部數(shù)據(jù)采集儀和/或PC沒(méi)有要求。

具有自動(dòng)外部數(shù)據(jù)采集的三軸系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)三軸測(cè)試(有效和總應(yīng)力)和許多其他土壤測(cè)試的可擴(kuò)展緊湊解決方案。可配備標(biāo)準(zhǔn)空氣/水界面壓力系統(tǒng),也可配備自動(dòng)壓力/體積控制器。數(shù)據(jù)采集可以與其他土壤測(cè)試設(shè)備(如固結(jié)和剪切)采集和/或PC共享。

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