三轴试件抽气饱和方法及其对固结不排水剪强度试验的影响分析.pdf

三轴试件抽气饱和方法及其对 固结不排水剪强度试 验的影 响分析 ： 郗宁 3 9 文章编号 ： 1 6 7 27 4 7 9 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 3 90 3 三轴试件抽气饱 和方法及 其对 固结不 排水 剪强度试 验 的影响分 析 郗 宁 ( 铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津3 0 0 2 5 1 ) S p e c i me n S Va c u um S a t u r a t i n g M e t ho d s An d The i r Effe c t t o Co n s o l i d a t e d Un dr a i n e d Tr i a x i a l Co mp r e s s i o n Te s t Re s u l t s XI Ni n g 摘要对三轴压缩试验中常用的真空缸内抽气和压力室内抽气两种抽气饱和方法的操作过程进 行 了对 比， 分析 了两种抽气过程 中试样的孔 隙水压、 空隙气压和有效压力差异。分析得 出， 采用压力室 内 抽气饱和法时， 试样将会承受一定的有效压力并发生固结， 这一预先的固结过程将会对试验得到的固 结不排水剪强度产生影响， 使黏聚力明显增大， 而摩擦角略有降低。 关键词 三轴压缩试验 固结不排水剪饱和方法 中图分类号 ： P 6 4 2 1 2 ， T U 4 1 1 文献标识码 ： A 三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种较为完 善的方法 。在三轴压缩试验 中， 原状试样 由于取样 时 应力释放 ， 有可能产生孔隙中不完全充满水而不饱和 ， 试验时需采用人工方法使试样饱和 。 文献 1 根据土样 的透水性能 ， 推荐选择性地使 用浸水饱和法 、 毛细管饱和法和抽气饱和法。对于渗 透系数小于、 等于 1 0 e m s 的细粒土， 推荐采用抽气 饱和法 。 抽气饱和方法 的基本过程为 ： 先对试样进行真空 抽气处理 ， 使试样孔隙中处于低压。再对试样浸水 ， 使 试样孔隙以水充填而进入饱和状态。 由于砂类土及粗粒 土在勘察 的钻孔 、 取样过程 中 极易受到扰动破坏 ， 工程实践 中采取 的原状土绝大多 数均为粉土和黏性土。这些土同时也正是“ 渗透系数 小于、 等于 1 0 e m s的细粒土 ” 。因此 ， 抽气饱 和方 法已经成为土工试验 中最为常用的一种饱和方法。这 种饱和方法也同样被广泛应用于对三轴压缩试件的饱 和预处理 。 近些年来， 国内外越来越多的三轴仪本身集成了 由真空泵、 空压机等组成的水气交换系统， 使抽气饱 收稿 日期 ： 2 0 1 30 6 0 5 第一作者简介 ： 郗宁 ( 1 9 7 0 一 ) ， 女 ， 工程师。 和 、 反压饱和等饱和方法可以方便地转换衔接 ， 使试验 人员有条件对 试样 进行更复杂 的处理 1 J 。但是 ， 在 这种三轴仪使用的过程 中， 由于试验者对抽气饱和法 有不 同的理解 ， 在生产实践 中出现 了真空缸 内抽气和 压力室内抽气两种具体的操作方法。它们的基本过程 类似， 但试件在两种饱和过程中的应力状态却有明显 差异 ， 进而影响着抗剪强度试验结果。 本文将对三轴压缩试验中这两种抽气饱和方法及 其对抗剪强度试验结果 的影 响进行理论分析 和试 验 研究 1 两种抽气饱和方法 1 1 真空缸 内抽 气饱 和法 文献 1 描述 的抽气饱和法 中， 试 样饱和在真空 饱和装置的真空缸 内完成 ， 这里称之为 “ 真空缸 内抽 气饱 和法 ” 。该 方 法 采 用 的 真 空 饱 和 装 置 如 图 1 所 示 。 ， 其操作过程为： 将三轴试样贴上滤纸， 用特制的三 轴饱和器固定。将装有试样的饱和器放人真空缸内， 并做好密封。抽出真空缸内气体， 使真空缸内达到真 空， 并维持一段时间( 不少于 l h ) ， 微开水缸管夹， 使 清水徐徐注入真空缸， 并在注水过程中继续抽气 ， 使真 空缸内保持真空。待水淹没饱和器后停止抽气。开管 铁道勘察 2 0 1 3年第 4期 接真空泵 真空缸 图 1 真 空饱和装置 7 J ( 缸 夹使空气 进入 真空 缸， 静 置一 段 时 间 ( 细粒 土 宜 为 1 0 h ) 使试样充分饱和。 1 2压力 室 内抽 气饱 和法 近些年来 ， 为了方便试验人员对试样进行更复杂 的试样处理 ， 出现了集成水 、 气交换系统的三轴压缩试 验仪。这种水 、 气交换系统可 以使真空泵与排水管和 孔隙水压力测管管路相连 ， 即真空泵可以直接与三轴 仪压力室 内与试样顶部 、 底部相通的管路相连 ， 从而具 备了对安装于压力室内的试样直接进行真空抽气处理 的功能 ， 如图 2 。 图2 三轴仪真空抽气系统 在使用这类三轴仪进行试验 的过程 中， 出现了 比 照真空缸内抽气饱和法进行操作 的另外一种抽气饱和 方法。这种抽气饱和方法的试样饱和在三轴仪压力室 内完成， 这里称之为“ 压力室内抽气饱和法” 。 其操作过程为 ： 按照三轴试验要求 ， 将三轴试样贴 上滤纸， 套上橡皮膜 ， 安装到三轴仪压力室 内。调节阀 门， 使真空泵连接排水管和孔隙水压力测管， 开启真空 泵抽气 ， 并使真空度维持一段时间。之后 ， 关闭连接试 样底端的孔隙水压力阀和连接试样顶端的排水管阀， 停止抽气 。缓缓打开孔 隙水压力阀， 使蒸馏水徐徐进 入试样。待试样进水基本完成后 ， 打开排水管阀， 静置 一 段时间， 或转换以反压饱和法使试样饱和。 这种对非饱和土样直接安装上三轴仪进行饱和处 理 的 方 法 ， 在 文 献 8中 被 称 为 “ D r y Mo u n t i n g Me t h o d ” ， 即“ 干安装法” 。但文献 8 指 出， 当采用干 安装法时， 可采用不大于 3 5 k P a ( 5 l b i n ) ， 不超过土 样 固结压力 的部分真空对试样进行抽气处理 ， 而我 国 规范 中并无对这一方面的明确规定 。 2 对两种抽气饱和方法的对比分析 粗略看来 ， 上述两种抽气饱和方法基本相同。即， 两种方法都按 照对试样“ 抽气一浸水一静置至饱和” 的步骤进行。试验表明 ， 两种抽气饱和方法均能使试 样达到试验所需的饱和度。 然而 ， 试样在真空缸 内和压力室 内却处于不同的 真空环境 。 ( 1 ) 采用真空缸 内抽气饱 和法时 ， 试件放置在 密 闭的真空缸内。此时 ， 试样虽 由饱和器 固定 ， 但由于饱 和器上下均垫有透水石 ， 且试样侧面和顶 、 底部垫有滤 纸 ， 可以使试样内部孔 隙水压和孔 隙气压与试样外部 气压保持一致 。 对于高饱和度土 ， 忽略基质吸力 ， 认 为孔 隙水压和 空隙气压相等 J 。以当地大气压为基准的相对压强 表示压力 ， 当试样刚放入真空缸 ， 尚未抽气时 ， 试样 内 孔隙水压 “ 和孔隙气压 U 与真空缸 内压力 P 相等， 都等于大气压力P ， 即此时 U = U = p = 0 ； 当对真空缸 抽气 ， 使真空缸 内相对压强 P 达到某一 真空压力 一 P 时， 则试样内孔隙水压 U 也接近于该值 ， 即此时 = U 。 = p =- p 。而多数气体则会 随着抽气 的过程溢 出试 样 ， 被真空泵抽气带出真空缸外 。 在整个抽气过程 中， 由于试样 内的孔 隙压力 u与 真空缸 内其他位置压力相等， 根据 T e r z a g h i 有效应力 原理 ， 试样土体所受的有效压力不变。即 A o - =0 ( 1 ) 式中， 为试样 中有效应力变化值 。 ( 2 ) 在三轴试验 中， 采用压力室内抽气饱和法 时， 试件被压力室 内的试样基座上， 试样上 、 下表面可分别 通过排水管和孔隙水压力测管与真空泵连通。但试样 外部套有橡皮膜 ， 隔绝 了试样 内部 和压力室 内其 他位 置的水 、 气交换通道。因此 ， 试样 内部孔隙水压和孔隙 气压与试样外部、 压力室内其他位置气压不能保持 一 致。 仍以当地大气压为基准的相对压强表示压力， 并 忽略基质吸力和试样内空气气泡 的表面张力对试样 内 部孔隙水压和孔隙气压的影响。当试样刚安装完成， 尚未抽气时， 试样内孔隙水压 “ 和孔隙气压 U 与压 力室内气压P 相等， 都等于大气压力 P ， 即此时 “ = = p = 0 ； 当对试样抽气 ， 使试样 内孔隙相对压力稳定 三轴试件抽气 饱和方法及其 对固结 不排水剪强度试验 的影 响分析 ： 郗宁 41 在某一真空压力 一 P时 ， 则试样 内孔 隙水压 “ 和孔 隙 气压 等于该值， 即此时 = = - p 。而由于试样上 的橡皮膜隔绝了其内外的水 、 气交换 ， 因此压力室内气 压p 仍等于大气压力， 即P = 0 。 这就造成 了试样 内孑 L 隙压力与压力室内其他位置 的压力差 ， 正 因如此橡皮膜也会 出现紧贴试样的现象 。 此时， 试样孔隙压力变化值 A u=一P ( 2 ) 而在这一过程 中， 试样所受 的总应力并没有变化 ， 即 A o - =A o +A u=0 ( 3 ) 式中， A o - 为试样中总应力变化值； A o 为试样中有效 应力变化值。 由( 3 ) 式可知 ， 试样 中降低的孔隙压力 u将会导 致有效应力相应的增加 ， 联立 ( 2 ) 式可得 ， 压力室内抽 气饱和法抽气后 ， 试样的有效应力变化值 =P ( 4) 在低海拔地区， 真空泵对试样抽气时往往能得到 接近一 1 0 0 k P a的真空压力 ， 而这时就相 当于给试样在 轴 向压缩前施加了约 1 0 0 k P a的有效压力 。由于我 国 规范中对于安装法三轴试验的抽气压力过程做 出明确 规定 ， 试验操作 中通常会 使试样进入 8 01 0 0 k P a的 有效压力而产生预先固结。 3两种抽气 饱 和方 法对 固结不 排水 剪 强度试 验 结果的影响 从前面的分析可知， 三轴试验采用压力室 内抽气 饱和法会导致试样在轴 向压缩 前预先经受 了不 大于 1 0 0 k P a的固结历史。 实践表明 ， 黏性土正常 固结土 固结不排水剪极限 应力圆的包线通常为一过原点 的直线 ， 而超 固结土极 限 应 力 圆 的包 线 大 致 成 平 缓 拱 曲线 ， 且 不 过 原 点 “ ， 如图 3 。 图 3黏 性土 固结不排水剪 强度 在三轴试验中， 通常限于三轴仪的围压加压能力 和轴压测试能力， 固结不排水剪试验的第一级固结压 力一般为 5 0 8 0 k P a 。因此 ， 如果采用压力室内抽气 饱和时土样 固结压力达到 8 01 0 0 k P a ， 这一 固结历史 必将对其抗剪强度试验结果造成一定 的影响。 为了分析其影响程度 ， 笔者采取了 1 6组黏性土试 样。每组试样采取 2个试件 ， 分别采用真空缸 内抽气 和压力室内抽气饱和。经测量抽气后真空缸内和压力 室内的试样内压力均达到了 9 5 1 0 0 k P a 。之后 ， 对 l 6组共 3 2个试样各 自进行 一个试样多级剪的 C U试 验。其有效应力法抗剪强度黏聚力 C 、 摩擦角 的试 验结果见图 4， 图 5 。 母 棵 1 1 4 2 鋈 l 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0l 1 1 21 31 41 5l 6 土样编号 图4黏聚力试验结果对 比 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 011 1 21 31 41 51 6 土样编号 图 5摩擦角试验结果对 比 由图 3 、 图 4可见 ， 采用压力 室内抽气饱 和法时 ， 固结不排水试验获得的黏聚力明显大于真空缸内抽气 饱和试件 ， 而压力室 内抽气饱和法试件得到的摩擦角 略小。l 6组试件平均得到 的两种抽气饱和试件 的黏 聚力和摩擦角比值分别约为 1 4和 0 8 。 至此 ， 可 以得 出结论 ： 采用压力 室 内抽 气饱和法 时 ， 若不对真空压力进行合理控制 ， 将会使试件产生约 8 01 0 0 k P a的预先 固结过程 ， 这往往会使试验得到的 固结不 排水剪强 度 中黏 聚力 明显增 大 ， 摩擦角 略有 降低 。 4结束 语 ( 1 ) 本身集成有真空泵等组成 的水 、 气交换 系统 的三轴仪 ， 能够使试 验人 员有条 件对试 样进 行更复 杂的处理 。但是 ， 在进行真空抽气 时， 应对真空压力 进行合理控制， 使之不超过试件所承受过的有效固 结压力 。 ( 2 ) 用压力室内抽气饱和法时， 若不对真空压力 进行合理控制 ， 将会使试 件产生约 8 01 0 0 k P a的预 先固结过程 ， 这往往会使试验得 到的固结不排水剪强 度中黏聚力明显增大， 摩擦角略有降低。 4 2 铁道勘察 2 0 1 3年第 4期 文章编号： 1 6 7 2 7 4 7 9 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 4 2 0 6 基于地震 C T的地铁 工程钻孔详查技术研 究 侯伟清 叶英 ( 北京市市政工程研究院， 北京1 0 0 0 3 7 ) S t u d y o f t h e De t a i l e d Ge o l o g i c a l S u r v e y Te c h n i c a l t h a t Co mb i n e d o f E a r t h q u a k e C T a n d D r i l l i n g i n S u b wa y P r o j e c t HOU We i q i n g YE Yi n g 摘要地铁勘察 中主要利用钻探取样及 室内土工试验得到单一钻孔的地层信息， 将沿线钻孔地 层信息连线可得场区的土层信息， 钻孔间距、 土样扰动都会影响地层精细程度。结合透射 法及反射 法， 研发地面与孔 中相结合的地震 C T空间探测 系统 ， 能解决现有地震 C T排布及接收方式单一、 不能解决 复杂地形等问题 ， 并能实现钻孔的一孔多用 。 关键词 地铁勘察钻孔地震波 三维层析成像 中图分类号 ： U4 5 2 1 + 1 文献标识码 ： B 我国 目前正处于地铁建设 的高峰期 ， 必然带来大 规模 的地铁勘察工作 。一般地铁埋深在 2 03 0 m左 右 ， 勘察难度在于需要考虑较多的城市环境问题 ， 以及 浅部管线 、 交通等。地震 C T技术作为一种物探技术 ， 如今越来越 多的应 用在工程领域 中， 通过将地震 C T 技术与钻孔相结合 ， 并结合透射法及反射法 ， 研发一套 地震 C T空间探测系统。 收稿 日期 ： 2 0 1 30 5 2 0 第一作者简介 ： 侯伟清( 1 9 8 7 一 ) ， 男 ， 2 0 0 9年 毕业于北方 工业大学 土木 工程专业 ， 在读硕士研究生。 参考文 献 国家 质量技 术 监督 局 ， 中华人 民共 和 国建设 部 G B T 5 0 1 2 3 1 9 9 9 土工试验方 法标 准 S 北 京 ： 中 国计划 出版 社 ， 1 9 9 9： 1 9 2 2， 1 0 21 0 4 中华人民共和国铁道部 T B 1 0 1 0 2 -2 0 1 0 铁路工程土工试验规 程 S 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 1 1 中华人民共和国国家发展和改革委员会 D L T 5 3 5 5 -2 0 0 6 水 利水电工程土工试验规程 s 北京 ： 中国电力出版社 出版 ， 2 0 0 6： 9 01 0 4 He l e n Ah n b e r g Ef f e c t s o f Ba c k P r e s s u r e a n d S t r a i n Ra t e Us e d i n T r i a x i a l T e s t i n g o f S t a b i l i z e d O r g a n i c S o i l s a n d C l a y sJ G e o t e c h n i c a l T e s t i n g J o u r n a l ， 2 0 0 4， 2 7 ( 3 ) ： 2 5 02 5 9 魏海云， 詹良通， 陈云敏 高饱和度土的压缩和固结特性及其应用 1 研究背景 1 1 地 层 划 分 地铁勘察中， 由于采 用钻探取样及室内试验或静 力触探确定地层信息， 地层分布图往往通过两钻孔的 地层资料直线相连得 到， 孔距或土样扰动过大会降低 地层划分的精度。 ( 1 ) 钻孑 L 间距 根据 地下铁道、 轻轨交通岩土工程勘察规范 5 3 3 、 5 4 3 ， 初勘阶段钻孔 的间距为 1 0 02 0 0 m， 详 勘阶段钻孔的间距根据表 1 确定 。 J 岩土工程学报 ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 2 ) ： 2 6 42 6 9 6 黄博 ， 汪清静 ， 凌道盛 ， 等 饱 和砂土三轴 试验 中反 压设置 与抗剪 强度 的研究 J 岩土工程学报 ， 2 0 1 2 ， 3 4 ( 7 ) ： 1 3 1 31 3 1 9 7 张向京， 阮波 ， 彭意 饱和黏性土三轴剪切性状的试 验研究 J 铁 道科 学与工程学报 ， 2 0 0 9， 6 ( 5 ) 8 A S T MD 4 7 6 7 - 9 5 S t a n d a r d T e s t Me t h o d f o r C o n s o l i d a t e d U n d r a i n e d T r i a x i a l C o m p r e s s i o n T e s t fo r C o h e s i v e S o i l s s P e n n s y l v a n i a ， US A：AS TM I n t e rna t i o n a l ，1 9 9 5 9 F R E D L U N D D G 非饱和土土力学 M 陈仲颐， 译 北京： 中国建 筑工业 出版社 ， 1 9 9 7： 2 0 82 5 3 1 O 卢肇钧 关于软土地基的抗剪强度指标和稳定分析 c 卢肇钧 院士论文集 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 7 ： 4 4 5 3 1 1 马建林 土力学 M 北京： 中国铁道出版社 ， 2 0 1 1 ： 1 4 9 1 5 1 一l