非飽和黃土三軸試驗技術(shù)

非飽和黃土三軸試驗技術(shù)

非飽和性和結(jié)構(gòu)是影響非飽和黃土力學和工程性質(zhì)的土力學的原因。它也是土力學研究的熱點和難點。在非飽和土中,吸力對其力學性質(zhì)有很大的影響,因此,吸力量測成為非飽和土試驗的難點的重點,此外,由于孔隙氣的存在,在固結(jié)和剪切過程中非飽和土的體變不等于其孔隙水的排出量,因此,非飽和土體變量測也成為非飽和土三軸壓縮試驗的難點。以江蘇溧陽市永昌工程試驗儀器廠生產(chǎn)的FSY30型應力應變控制式非飽和土三軸儀為例,在對非飽和黃土進行大量試驗的基礎(chǔ)上,將非飽和土三軸儀的試驗操作步驟和注意事項進行總結(jié),并對試驗的部分結(jié)果予以介紹。1三軸儀的結(jié)構(gòu)和應用要點1.1試驗步驟非飽和土三軸儀主要由應力應變控制式壓力實驗機、應力體變柜、非飽和三軸壓力室和土工試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。(1)應力應變控制式試驗機:由壓力機、變速箱、機架等組成。壓力機:由箱體、立柱、橫梁等組成.兩立柱間寬B=370mm,壓力室座至橫梁凈空高H=850mm,箱體內(nèi)有一對蝸輪付和高精度滾珠絲桿等變速箱為齒輪減速機構(gòu)由永磁低速同步電機驅(qū)動,由拉軸調(diào)整軸升速度,共有15檔速度0.002～4mm/min,或根據(jù)實驗需要調(diào)整所需軸升速度,在機柜上有軸升速度表可供實驗人員查詢。(2)三軸壓力室,壓力室結(jié)構(gòu):壓力室基本形式是裝在橫梁與壓力室之間的荷重傳感器測力,壓力室為雙層有機玻璃筒,分底座和上罩兩部分,底座上裝進口高進氣值陶土板,傳壓力帽,排水管等,并有五個螺孔,標有標記,相對于壓力體變柜中各管路的連接.上罩的頂蓋上裝有位移傳感器和排氣塞。上罩和底座之間是用T形螺栓連接,用“O”形橡膠圈來密封。(3)壓力體變柜,壓力體變柜內(nèi)裝有:圍壓σ3系統(tǒng)、Ua、σb系統(tǒng),試樣排水測量系統(tǒng),試樣外體積變化系統(tǒng),儲水桶,壓力體變系統(tǒng)連接圖,應力控制系統(tǒng)等。試樣排水系統(tǒng)主要由差壓傳感器,有機玻璃管,管路組成,主要測量試樣內(nèi)的排水情況,通過計算機顯示試樣外的體積變化,是和σ3串聯(lián)在一起的,主要由σ3壓力傳感器,差壓傳感器,體變管,管路等組成。主要是測量試樣外的體積變化和顯示σb的壓力,由計算機顯示,也可以人工測讀。應力控制系統(tǒng)主要是由計算機軟件控制。1.2主要功能該儀器可進行非飽和土的應變控制三軸壓縮實驗,又可做應力控制三軸實驗。與常規(guī)三軸儀相比可測量土樣吸力和測體變。2孔隙土體吸力的測試借助非飽和三軸儀,可以對非飽和土精心做多方面研究,可以測吸力(孔隙氣壓力和孔隙水壓力)、體變等。該儀器原來只能通過試樣頂部連接的孔隙其壓力傳感器(但傳感器裝在控制柜中,由很長的管路與試樣頂部連接)施加反壓來測試土樣的吸力,即通常所說的軸平移技術(shù)。本文對儀器進行了適當改造,在試樣頂部接孔隙氣壓力傳感器,它可直接量測試樣在不同條件下的孔隙氣壓力Ua,對不是太低飽和度的土樣可直接測試其孔隙氣壓力,繼而可得到吸力,是一種更為理想的途徑。試樣制備和裝樣按《土工試驗規(guī)程》、《土工試驗方法標準》或其它國家部門的土工試驗標準方法制樣。2.1陶土板試樣的采集(1)飽和陶土板:(1)不裝試樣,關(guān)閉壓力室各個閥門,給壓力室充滿無氣水(如蒸餾水)。(2)打開壓力室排水閥門和圍壓閥門,施加圍壓300～400kPa,直到排水閥有較多水排出。(3)沖洗陶土板下積聚的氣泡,打開充水閥,讓無氣水流過陶土板下的螺旋槽,沖洗30s,關(guān)閉充水閥。(4)重復第3步,直到排水閥有連續(xù)水排出,卸除壓力。(2)裝樣:(1)取下壓力室上罩,用濕毛巾擦去陶土板頂面的水。(2)在陶土板頂面放一張浸過水的濾紙,把土樣用橡膠軟管套好,并用鐵管護壁保護好,小心放置在陶土板上,然后在土樣頂面同樣放一張浸過水的濾紙,上面再加一塊透水石,小心移去鐵管護壁,在試樣下端用兩道橡皮筋綁扎好,扶好試樣并在上端安放試樣帽,用橡皮筋扎好上端。(3)安放壓力室外罩,用螺栓緊固。2.2初始吸力的測試首先讓陶土板飽和,再讓傳遞水壓管道充水排氣。裝樣完成后壓力室不進水不加壓,打開三軸試驗軟件,測試土樣的初始吸力。非飽和土樣本身存在一個初始吸力,但對其的量測達到穩(wěn)定需要一定時間,根據(jù)試驗結(jié)果,飽和度越低,達到穩(wěn)定所需時間越長,如圖1。2.3體變和體變對固結(jié)過程的影響在初始吸力穩(wěn)定后,對試樣分級施加圍壓,采集不同圍壓下孔壓(Ua,Uw)和體變的變化,固結(jié)過程中排氣不排水分級加壓時要等上一級圍壓過程中體變穩(wěn)定后,即一個小時以上體變保持不變,再施加下一級圍壓。體應變與軸應變的關(guān)系如圖2所示:2.4剪切試驗數(shù)據(jù)分析(1)選好剪切速率,本文選取的應變速率為0.016mm/min,直到(σ1-σ3)-εa曲線出現(xiàn)峰值或軸應變εa達到15%為止。(2)選好剪切速率后,轉(zhuǎn)動手動輪直至壓力室上端的立桿與橫梁上的桿充分接觸(以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的“軸向荷載”數(shù)據(jù)為0.00為準),把“軸向變形”清零關(guān)閉排氣閥門,點擊“啟動電機”,把手動輪扳出使其轉(zhuǎn)動。設(shè)置記錄時間可定為5min,使其自動記錄數(shù)據(jù),直至軸向變形達到試樣高度的15%。(3)保存數(shù)據(jù),點擊“電機停止”,卸除圍壓,搖動手動輪使壓力室下降,排出壓力室中的水,然后拆除試樣。(4)數(shù)據(jù)分析。該試驗可得到剪切過程中軸向變形、體變、孔隙氣壓力、孔隙水壓力、以及軸向荷載的值。某原狀樣剪切試驗中不同圍壓σ3下的應力應變關(guān)系如圖3所示;吸力與軸應變的關(guān)系如圖4所示。3非飽和土試驗結(jié)果的應用通過對非飽和三軸儀的改造,并對其認真調(diào)試,摸索其使用方法,可進行許多方面的研究工作。大量非飽和黃土的實驗