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 300251)

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[1-3]。

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10-4cm/s的细粒土，推荐采用抽气饱和法[1-3]。

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10-4cm/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[4-7]。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。

图1 真空饱和装置

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入真空缸内，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1 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。开管夹使空气进入真空缸，静置一段时间(细粒土宜为10 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“Dry Mounting Method”，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35 kPa(5 lb/in2)，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→浸水→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[5，9]。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uw和孔隙气压ua与真空缸内压力pr相等，都等于大气压力pa，即此时uw=ua=pr=0；当对真空缸抽气，使真空缸内相对压强pr达到某一真空压力-p时，则试样内孔隙水压uw也接近于该值，即此时uw=ua=pr=-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Terzaghi有效应力原理，试样土体所受的有效压力不变。即

Δσ′=0

(1)

式中，Δσ′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uw和孔隙气压ua与压力室内气压pr相等，都等于大气压力pa，即此时uw=ua=pr=0；当对试样抽气，使试样内孔隙相对压力稳定在某一真空压力-p时，则试样内孔隙水压uw和孔隙气压ua等于该值，即此时uw=ua=-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pr仍等于大气压力，即pr=0。

这就造成了试样内孔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

Δu=-p

(2)

而在这一过程中，试样所受的总应力并没有变化，即

Δσ=Δσ′+Δu=0

(3)

式中，Δσ为试样中总应力变化值；Δσ′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Δu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

Δσ′=p

(4)

在低海拔地区，真空泵对试样抽气时往往能得到接近-100 kPa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100 kPa的有效压力。由于我国规范中对干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80～100 kPa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100 kPa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[10，11]，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50～80 kPa。因此，如果采用压力室内抽气饱和时土样固结压力达到80～100 kPa，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16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-95～-100 kPa。之后，对16组共32个试样各自进行一个试样多级剪的CU试验。其有效应力法抗剪强度黏聚力c′、摩擦角φ′的试验结果见图4，图5。

图4 黏聚力试验结果对比

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。16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80～100 kPa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80～100 kPa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。

[1] 国家质量技术监督局，中华人民共和国建设部.GB/T 50123—1999 土工试验方法标准[S].北京：中国计划出版社，1999:19-22，102-104

[2] 中华人民共和国铁道部.TB10102—2010 铁路工程土工试验规程[S].北京：中国铁道出版社，2011

[3] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 5355—2006 水利水电工程土工试验规程[S].北京：中国电力出版社出版，2006:90-104

[4] Helen Ahnberg. Effects of Back Pressure and Strain Rate Used in Triaxial Testing of Stabilized Organic Soils and Clays[J]. Geotechnical Testing Journal, 2004，27(3):250-259

[5] 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[J].岩土工程学报，2006，28(2):264-269

[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，2012，34(7):1313-1319

[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，2009，6(5)

[8] ASTM. D 4767-95 Standard Test Method for Consolidated Undrained Triaxial Compression Test for Cohesive Soils[S]. Pennsylvania， USA: ASTM International， 1995

[9] FREDLUND 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，1997:208-253

[10] 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，1997:44-53

[11] 马建林.土力学[M].北京：中国铁道出版社，2011:149-151