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如何做好三轴试验(二)?试验仪器调试及参数的测试

2020-04-05 [342]

如何做好三轴试验(二)

二、试验——从仪器调试到测试参数

.根据试验对排水的要求,选择组成测试系统的部件。

⑴根据试样大小和测试要求配置压力室。按试样尺寸区分,有大(101×200)、中(61.8×125)、小(39.1×80)三种规格;按周围压力区分,有高(6Mpa)、中(>2 Mpa)、低(< 2Mpa)之分。对压力室的检查要求各连接部件在额定压力下不泄漏;活塞杆提升后能在自重下从活塞套里自由落下。

压力控制系统是一种伺服稳压控制装置。试验中无论试样如何变化,始终要维持输出压力的恒定值。如果需要做反压力饱和时,就要配置两套稳压控制装置。以便经过排水管向试样施加恒定的反压力。整个系统须在试前用无气水做彻底的排气处理。

⑶轴向应变控制系统与试验机一体。主要是控制轴向(大主应力)应变速率的机械装置,调速范围通常在0.0022-4.5mm/min。大轴向承受力须要与压力室的额定压力匹配,通常在10-60kN之间。

⑷测量系统随着计算机应用的普及,计量技术快速发展。各种先进的电测手段,全面取代传统的测量装置。对试验人员具有符合型技能的要求更为迫切。

.孔隙水压力测量装置

现在普遍用压力传感器取代零位指示器测试孔隙水压力。从压力室底座排水孔经孔压阀门、再连接传感器,组成管路通道。从试样安装到试验结束,保持通道不含空气。国标对通道水的刚性有明确规定,要求孔隙压力量测系统的体积因数小于1.5×10-5cm3/kpa。

体积因数——孔隙压力系统在单位压力作用下的体积变化量

对这一标准的直观解释是:1.5mm3/100kpa (1.5×10-5cm3/kpa

.轴向力测量

采用电测后,力传感器逐渐取代测力环加位移传感器,作为轴向力的测量装置;水下荷重传感器是今后仪器改进的方向,因为它无须考虑活塞与轴套之间的摩擦影响因素。无论使用何种装置须选择量程相近、在校验期内的量具,可以减少测试误差。

.位移测量

现在大多采用位移传感器取代百分表,以适应电测和数据采集的需要。在程序控制(全自动)型仪器中,由于采用了步进电机驱动轴向应变,因此也可以精密计算轴向位移量

.体积变化测量

传统的三轴仪使用双层体变管,细长型玻璃量管测量试样的体积变化量;在数据采集的电测中,使用差压传感器;先进的程序控制(全自动)型仪器,采用精密数字活塞和高压电磁阀、高压快速接头组合的压力控制器,可以计算到1%ml的体变量。

⑸对透水石、各管路及连接部位作排气处理;选择符合规格的滤纸、乳胶膜、经过排气处理的蒸馏水备用。

2.设置合理的试验参数

周围压力系列σ3须按工程实际荷载设置。其中,小级应略大于上覆土层自重压力下的侧压力,大级应略大于实际承受的大压力(上覆土自重压力加附加压力)下的侧压力。因此,需要计算上覆土体的自重压力,估算地基上部的附加压力,土的静止侧压力系数可以取经验值。

轴向应变速率。原则上粉土、砂土可稍快,粘土要慢些。在实际操作中还须将应变速率换算成轴向上升速率mm/min

UU试验不测孔压,应变速率可稍快,0.5-1%/min(如h=80mm为0.4-0.8mm/min); CU'试验要测孔压,为使试样底部的测值与上部孔压一致,要视土的粒度、密度选择相宜的应变速率。对一般粘性土较UU试验1/10,即0.04-0.08mm/min;CD试验测的是土有效应力。要维持孔隙水压力为零,须选择很慢的应变速率,确保单位时间轴压增量产生的孔压得以消散。通常小于0.012mm/min。

试验终点的预设,对于程序控制十分必要。如按应力峰值判定,当峰值出现后,继续剪3-5%的轴向应变结束;若无峰值出现,就按大应变定,按规范选择15-20%结束试验

其它试验参数,要根据控制试验软件的设置而定。

3.由于数据采集技术已经普及,操作人员只要做好试前的安装、调试,剩下的工作就交由程序控制完成。

⑴三轴试验是在周围压力不变的条件下,施加轴压。试样的面积随着轴向应变改变,因此试验零点是否存在虚假接触,不仅影响试样的应变,还影响试样的应力。在试样安装调试中力求克服虚假接触现象,对于变化直观的量表,按照目测调整零点;对于无法直观的量表则采用动态调整,即按应力应变曲线的变化确定。

⑵关于一个试样多级加载的三轴试验

多级加载三轴试验的原理是,首级围压下试验终止时,试样破坏面倾角形成、粘聚力C被克服,在后续各级围压(Δσ3)下的试验只是扩大破坏面,并不改变倾角。这一试验所须土样少,测试周期短,没有各试样间不均匀的弊端,应力随应变成线性增长规律好。因此受到许多试验人员的热衷选用。

但是,在试验中土的应变过程,并不都有应力峰值出现,就须从应变的要求来决定破坏点。对于每级加载测试中,在缺乏完整应力应变记录时决定试验终点,就成为掌控的关键。恰到好处的做法是,将要破坏还没破坏时终止轴压。而做到这点绝非易事,对于缺乏经验的操作者尤其如此;还有,分级加载是一种连续的试验。为了避免次级围压加后土样出现预应力状态,所加围压要大于前级大主应力极值。如果首级围压稍大,终的围压会大大高于实际,甚至超出仪器的额定值,并难和“2. ⑴”的要求一致;此外,还有方法的适用性、一个试样的代表性等问题,以及学术上的其它不同意见,规范标准只限于无法切取多个试样的特殊情况下采用,并不建议取代常规方法。

多级加载三轴试验的操作要点是:

.首级围压下会经过较大轴向应变(5~10%)破坏面倾角形成。后续各级围压下的试验,只经历不大的轴向应变(2~5%)就达到或接近稳定的轴向应力。因此朱思哲*认为,后续各级加载试验,可以适当降低应变速率,以便操作者有充分时间判断测试终点。

.前一级试验终点的试样高度和面积,就是后一级加载试验时的初始高度和面积。

.施加次级围压试验时有两种方式:

其一,不卸除前级试验终了时的轴向压力,直接施加下一级围压。待施加次级轴向压力之前,将稍有变化的轴向压力值调整至前级轴压终了时的读数。此法适用于蠕变变形小的砂土、密实粘土。

其二,前级试验终了时把轴向压力卸至零(试样与活塞脱离),再施加下一级围压。可防止前级轴向压力对试样产生的轴向蠕变。施加次级轴向压力时仍从零开始直到本级稳定值。此法适用于CU、CD试验,以及含水率大、密度低的软土。

.第一级围压不宜过大(如50kpa),第二级和以后各级围压,应等于或大于前一级围压下破坏时的大主应力(σ1)。防止试样出现预应力现象。

.每级试验的终点,是多级加载三轴试验中难以掌控的标准。以下几种现象,可供终结本级轴压而转入下一级试验时参考:

※ 试样出现可见的滑动面;

※ 主应力差与应变关系曲线上,出现平缓或显示峰值;

根据经验,预先设定三级轴向应变的近似值:如10%、15%、18%,或16%、18%、20%;

※ 对于CU试验,大有效主应力比(σ13)的出现可作为加荷标准;

※ 在CU试验中也可在大孔隙水压力出现作为加荷标准;

※ 在CD试验中,体积变化(趋于稳定)量可作为加荷标准;

※ 根据应力路径的测点趋于密集时,表明试样已接近或处于临界状态。