如何做好三轴试验（二）？试验仪器调试及参数的测试

如何做好三轴试验（二）

二、试验——从仪器调试到测试参数

１.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。

⑵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。

ａ.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）

ｂ.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。

ｃ.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。

ｄ.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

⑴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。

⑵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,取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试验慢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。

⑶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，就按大应变设定，按规范选择15-20%结束试验。

⑷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：

ａ.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。

ｂ.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。

ｃ.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。

ｄ.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。

ｅ.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（σ^‘₁/σ^’₃）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。