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什么是三轴试验?

2020-04-03 [215]

三轴试验原理

    根据力学试验原理,假定一土体保持平衡状态,则其中某一点必有三种作用于互相垂直面上的应力。如从上体中切出一小立方体,如图“主应力与主应力面”所示,图中平行于X、Y、Z三个方向的力,分别称为大主应力σ1、中主应力σ2、小主应力σ3。与三个主应力垂直的作用面分别称为大主应力面、中主应力面和小主应力面。三个主应力值的大小为σ1>σ2>σ3,且互相垂直,主应力面上只有法向应力,无剪应力。这种应力状态,可以在室内用一个立方体试样进行模拟。如图“刚性板结构的真三轴仪示意图”所示,利用六块可以互相移动的刚性板,分别施加σ1、σ2、σ3力于试样,使之达到破坏,并测定试样三个方向的变形和体积变化,这种试验称为真三轴试验。

    真三轴试验所施加的应力和所测得的强度参数以及变形参数能较真实地反映实际情况。然而这种试验的仪器构造复杂、操作麻烦。目前除了作研究用外,很少被岩土工程师用于实际的工程勘察设计。

    许多土工问题如土坡、路堤、挡土墙、码头等均属于平面问题,在设计上作为平面应变状态处理,即只考虑σ1和σ3。在一些特殊情况下,如油罐基础,常按轴对称问题处理,即σ2=σ3。三轴试验就是使试样在轴对称的应力状态下进行试验。由于三轴试验比真三轴试验简单方便,因此得到了广泛应用。

 

三轴试验类型

三轴试验的主要用途是测定土的强度和应力应变有关参数。也常用来测定土的静止侧压力系数Ko、消散系数Cv、渗透系统K等。三轴试验主要有以下几种类型:

1、强度试验

用三轴试验测定土的强度参数,有几种不同方法。根据试验过程中排水条件,通常可分为不固结不排水剪(UU)、固结不排水剪(CU)和固结排水剪(CD)。试验方法的选择,要根据设计要求、土的性质、施工速度、工程运用条件等而定。

2、应力路径试验

前述三种常规试验方法的UU试验、CU试验和CD试验是用同一种加荷方式,在不同排水条件下进行的。如用不同的加荷方式,在不同排水条件下进行试验,则称为应力路径试验。

应力路径是模拟土体在实际施工或运行过程中的应力变化,对试样进行加荷减荷的试验程序。这种应力状态变化是以岩石的加荷过程中土体内某平面上应力变化的轨迹来表明应力增长或减小的路径。不同的加荷方式有不同的应力路径。

3、三轴静止侧压力系数Ko试验

在天然土层或人工填土中的任何一点,水平有效应力σ,h一般不等于垂直有效应力σ,v。这两种应力之比称为侧压力系数或侧应力比,即:Ko=σ,h/σ,v。Ko的最小值相当于土体破坏时的应力比,以Kf表示。工程中,设计者所需要的是静止侧压力系数,即土体在垂直应力作用下,无侧向变形的静止侧压力系数,以Ko表示。

Ko试验是假定土体各向同性均匀一致,应力σ与应变ε呈线性关系,其比值σ/ε即为弹性模量E。

4、孔隙压力消散试验

孔隙压力消散试验是测定试样施加作用力后,试样中产生的孔隙压力在排水条件下随时间而消散的过程。根据这种试验可测得土的固结系数Cv(也称消散系数)和体积压缩系数mv。

5、三轴渗透试验

三轴渗透试验,利用三轴仪按常规不排水剪试验方法安装好试样,对试样施加有效围压σ3,使水在一定压力差作用下通过试样流出,保持稳定流量Q,测定土的渗透系数。对同一试样,可以施加不同围压σ3,使之达到固结排水稳定后,分别测定其渗透系数k。

三轴试验优缺点

   三轴试验的优点是:应用范围较广,可用以测定土的强度参数、应力变形参数、土的消散系数、静止侧压力系数及渗透系数等。适用于各种土类,如原状土、重塑土的黏性土及砂砾等;在测定强度方面与直接剪切试验比较,其优点是试样的剪切面不是固定的,面是沿最弱的面产生剪切;对于有结构面的土,如裂缝土,它能较真实地反映土的应力应变特征;在试验方法方面,可以根据工程设计的施工和运用条件控制排水,测定孔隙压力,较可靠地测定试验过程中试样的体积变化(包括饱和式样和非饱和试样)。可以模拟工程现场的应力状态,施加主应力及加荷路径。在试样饱和方面,可以施加反压力或CO2气体,使试样达到完全饱和状态。此外,在孔隙压力消散试验、渗透试验方面,试样可以在近乎实际的应力状态(如各向均等应力、各向不等应力)条件下进行试验。许多实际工程的资料表明,用三轴试验所测定的强度参数c、Φ,静止侧压力系数Ko,孔隙压力消散系数Cv及渗透系数k比其他试验方法所测得的计算参数更为合理、可靠,能较真实地反映土的特质。

   三轴试验的不足之处是:试验过程中施加的应力是轴对称的,即σ2=σ3;而大多数的实际工程则是近似平面问题,如土石坝、路堤、挡土墙、隧道、房屋基础等,因而与实际的应力状态有差别,其中主应力(σ2)不能变化,不能模拟平面应变条件,主应力方向不能逐渐改变。试样的末端如不采取减少摩擦的措施,则受到约束,从而影响应力、应变、体积变化及孔隙压力直剪的关系。

   三轴试验的应用不足之处是试验操作复杂、费时,需要有试验技术熟练的人员操作。因而试验结果的质量与试验人员的技术水平有很大关系。仪器设备较直剪仪或固结仪复杂且费用较高,试验要求较多的试样。

   对于许多实用目的而言,三轴试验的优点远大于其缺点。根据许多工程实例,一些重要的工程问题中,试验室试验结果和现场稳定性探测之间的关系都能很好的符合。