三轴试验中孔隙水压力的影响因素分析

宗静

（南京市测绘勘察研究院有限公司，南京 210019）

0 引言

三轴压缩试验是测定土抗剪强度的一种较为完善的方法。三轴压缩仪由压力室、轴向加荷系统、施加周围压力系统、孔隙水压力量测系统等组成。三轴试验亦是最常用的土工试验之一，通过测得试样应力和应变得变化来推导土体的本构模型参数。三轴试验不可避免地受到端部接触和端部约束、饱和方法等因素的影响［1－2］，深入研究这些问题对试验的影响对改进三轴试验和了解土体本构均有重要意义。

目前国内研究人员已经对三轴试验进行了不少相关研究，其中黄博［3］等通过对标准砂的一系列固结不排水和固结排水三轴试验，分析了不同反压、围压下饱和砂土的应力－应变关系、孔压发展规律。结果表明固结不排水三轴试验中，反压对砂土应力应变关系、孔压发展有明显影响，从而影响强度取值。陈茜等［4］对三轴试验条件下结构性参数进行简化，得到了采用割线模量表示的结构性参数，避免了由于起始状态土体的主应力差、主应变均为零，造成基于主应力差描述的三轴试验条件下结构性参数在此状态下均无法求解的现象。石露等［5］应用FLAC3D，针对Mohr－Coulomb材料，模拟真三轴加载过程中端部摩擦对试样强度和变形行为的影响。结果表明，端部摩擦也可以产生虚假中间主应力效应，即使对于无中间主应力效应材料，中间主应力也会导致最大破坏主应力的增加，且摩擦系数越大，这种趋势则越明显。韩渊明等［6］对三轴试验的影响因素进行了初步探讨，并对现行无黏性土扰动样的制备、饱和方法进行分析总结。陈立宏等［7］应用矩法和线性回归方法统计了小浪底64组320个固结排水三轴试验和多个水利工程大坝填筑料的试验资料，发现对于常规三轴试验，拟合p－q曲线求解抗剪强度参数存在高估摩擦系数、低估黏聚力的问题。谭凡等［8］目通过三轴UU、CU及CD试验对破裂角与内摩擦角之间的关系进行了论证，然后展开理论分析与探讨，并对三轴试验强度包线的确定存在的问题进行了讨论。结果表明：同一饱和土样在不同类型的三轴试验中破裂角与由有效应力指标计算的破裂角基本相等，试样的破裂角应由有效应力强度指标确定；三轴UU试验采用最大剪应力作为不排水强度是偏危险的，CU试验采用总应力摩尔圆公切线确定的强度参数与用实际剪切面确定的参数差别较小。

以上研究人员，从不同的角度采取不同方法对三轴试验进行了研究，但是对三轴试验中孔隙水压力的影响因素研究较少，因此，本文重点从饱和方法、端部约束、土剪胀、土剪缩等方面分析了其对孔隙水压力的影响，并提出了应对措施，分析所得结果可供工程技术人员参考，以提高土体三轴试验精度。

1 三轴试验的基本原理与方法

土的强度指标是确定土的承载能力的一个重要指标，因此，准确测定土的抗剪强度指标，对于建筑工程的设计和施工有着很大的意义。目前，用三轴剪切试验测土的抗剪强度指标是较为普遍的一种方法，而且对于高层建筑，在进行地质勘察时，要求对取出的原状土，用三轴剪切实验来测定土的抗剪强度指标。随着社会的发展，兴建的高层建筑越来越多，使得三轴剪切实验的应用也越来越广泛，所以，使三轴实验的检测不断地完善有着很大的必要性。

三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法。它通常用3～4个圆柱形试样，分别在不同的恒定周围压力（σ3）下，施加轴向压力，即主应力差（σ1－σ3），进行剪切直到破坏；然后根据摩尔－库伦理论，求得抗剪强度参数。适用于测定细粒土及砂类土的总抗剪强度参数及有效抗剪强度参数。

三轴压缩试验的要点是：

（1）制备土样。将原状土制备成略大于试样直径和高度的毛坯，置于切土器内用钢丝锯或切土刀边削边旋转，直至满足试件的直径为止，然后按要求的高度切除两端多余土样。

（2）装土。先把乳胶薄膜装在承膜筒内，用吸耳球从气嘴中吸气，使乳胶薄膜贴紧筒壁，然后套在制备好试件外面，放在压力室的底座上（在之前应首先将压力室底座的透水石与管路系统以及孔隙水测定装置均需充分饱和并放上一张滤纸），翻下乳胶膜的下端与底座用橡皮筋扎紧，翻开乳胶膜的上端与土样帽用橡皮筋扎紧，最后装上压力筒拧紧密封螺帽，并使传压活塞与上样帽接触。

（3）施加周围压力。周围压力大小根据土样埋深或应力历史来决定，若土样为正常压密状态，则3～4个土样的周围压力，应在自重应力附近选择，不宜过大以免扰动土的结构。

（4）在不排水条件下测定试件的孔隙水压力。

（5）调整测量轴骸形的位移计和轴向压力测力环百分表的初始“零点”读数。

（6）施加轴向压力，按剪切应变速率取每分钟0.5%～1.0%启动电动机，当试样每产生轴向应变为0.2%或0.5%时，测计测力环变形和孔隙水压力，直至土样破坏或应变量进行到20%为止。

（7）试验结束即停机，卸除周围压力并拆除试样，描述试样破坏时形状。

2 三轴试验中孔隙水压力的影响因素

2.1 饱和方法

当土样从原地采取出来后，由于原有的应力被解除掉，土中溶解的空气可能会游离出来，造成土样不饱和；而且在三轴仪上安装试样时，往往有气泡困陷在试样与橡皮膜之间以及量测系统中，这些都会直接影响孔隙水压力的量测精度，施加反压力的方法可以较为有效地使试样完全饱和。

所谓反压力就是人为地在试样内增加孔隙水压力，使残留在试样内或试样与橡皮膜之间的气泡溶解于水。为了保证试样内有效应力不变，在逐级增大孔隙水压力的同时，等量地增加周围压力，每级的增加量视土的透水性和压缩性而定。当反压力增加到接近预估值时，只增加周围压力，观测孔隙水压力增量，如果二者增量相等，则证明试样已经饱和。对于超固结土，判定是否饱和的方法是连续施加几级等量的周围压力，如相应各级的孔隙水压力也相同，则试样已经饱和。

为了提高施加的反压力精度，并避免反压力大于周围压力造成试样膨胀破坏而改变试样结构，可采用压力表来代替周围压力和反压力的指示表。施加反压力的大小与试样的起始饱和度以及要求达到完全饱和的时间有关。如果在施加反压力过程中，试样体积保持不变，则所需的反压力可按下式计算：

式中：uas—反压力，kPa；

ua0—起始孔隙水压力（一般接近大气压值），kPa；

r—起始饱和度；

u—空气溶解系数（在20℃时约为0.02）。

按式（1）算得不同起始饱和度下所需的反压力，如表1所示。

表1 不同起始饱和度下所需的反压值

从表1中可看出，按式（1）估算的反压力值是较大的，这不但给仪器带来很大的负担，而且需要的时间很长，因而，在试验中应先抽气饱和，使起始饱和度提高，然后再施加反压力使试样完全饱和。

2.2 轴向应变

图1给出了振动轴向应变与孔隙水压力的变化曲线，可以看出，在振动的初始阶段，轴向应变的峰值与孔隙压力的峰值相对应，到振动后期，两者的峰值不再相对应，即当应变达到峰值时，孔隙水压力并没有达到最大值。

图1 一次液化过程轴向应变与孔隙水压力的关系曲线

图2 轴向应变与孔隙水压力峰值的发展曲线

从图2显示，在曲线的初始，小幅度增长的轴向应变对应着大幅增加的孔隙水压力，而在曲线的后期，应变大幅增加，但是孔隙水压力却基本保持不变。这说明前后的轴向应变引起的体应变不同，开始阶段轴向应变与体应变紧密联系，而后期轴向应变主要是由于某一区域液化而产生的剪切破坏变形，此时，试件的体应变增加并不多。以上也说明轴向应变与孔隙水压力存在一定的关系，在一个动荷载循环内，轴向应变的变化影响到孔隙水压力的变化，但是残余轴向应变与残余孔隙水压力的发展却不相同，轴向应变可以不断发展，而残余孔隙水压力却有一个极限值。

2.3 端部约束

三轴剪切中的鼓状变形是由于端部摩擦阻力限制了试样端部区域的径向变形所致。这种端部约束影响试样的孔隙水压力或。曾有许多方法提出来试图解决端部约束问题，但得到广泛应用的只有Rowe的润滑试样帽。端部约束的直接作用是增加了试样的抗剪强度，或导致了试样较大的膨胀体积变化。端部约束效应受端部约束条件、应力和应变水平、试验材料特性和试样密度等因素影响。图3是Unimin砂在不同端部约束条件下的不排水剪切试验的结果。图中可见，在小应变下，有润滑试样帽和无润滑试样帽的应力应变曲线是一致的；但当轴向应变大于1%时，有润滑的偏应力明显小于无润滑的偏应力，且两者的差异随应变的增大而增加。但对于低密度试样（D＝17.5%），两者的应力应变曲线是基本重叠，不受端部约束条件的影响。也就是说，端部约束效应随端部摩擦阻力的减小而减小，也随着试样密度的下降而减小。

图3 端部约束对试验结果的影响

根据上述结果可知，减小端部约束效应的有效途径一是制备较低密度的试样进行剪切试验；另一是使用润滑试样帽。润滑试样帽是由试样帽、润滑剂和橡皮膜构成。润滑剂和橡皮膜的厚度愈大，端部的摩擦阻力愈小。但需注意的是，使用过多的润滑剂会令其在固结和剪切过程中被挤出而产生较大的试验误差。而太厚的橡皮膜也会因为其本身的高压缩性而在计算试样的孔隙比时出现较大的误差。例如，200kPa的压力下，两块0.7mm厚的橡皮膜的变形可达0.21111，对于一个50mm×100mm的砂土试样所带来的孔隙比误差可高达0.004。在本文的三轴试验中经比较，选用硅脂作为润滑剂，厚度约为0.05mm，橡皮膜的厚度约为0.3mm。

2.4 土剪胀（剪缩）

土的剪胀（剪缩）性：土在剪切过程中，如果体积会胀大（例如密砂），则称为剪胀，剪胀使孔隙水压力减少（图4）。如果剪切时体积会减小（例如松砂），则称为剪缩，剪缩使孔隙水压力增加（图5）。用A表示孔隙水压力系数。剪胀时A值为负，剪缩时A值为正。

3 结论

图4 孔隙压力与轴向应变关系曲线（剪胀时）

图5 孔隙压力与轴向应变关系曲线（剪缩时）

事实上，从土在不排水剪中孔隙水压力值的变化趋势可以推演它在排水剪中体积变化的规律，反之亦然。两者是互相对应的。如正常固结黏土，它在排水剪切中有剪缩趋势，所以在进行不排水剪时，因孔隙水排不出，这剪缩趋势就转化为试样中孔隙水压力的不断变化。反之，超固结土在排水剪中不但不排出水份，反而有剪胀而吸水的趋势。但它在不排水剪时却无法吸水，于是就产生负孔隙水压力。对于不同密度的砂土，也存在着与上述相似的规律。密砂的剪胀性比超固结黏土更是突出。起始的负孔隙水压力的大小与土的塑性、应力历史和密度、饱和度有关。根据剪胀产生孔隙水压力的原理，我们通过实践，在土的饱和过程中，通过孔隙排水的路径施加反压；前提是反压必须小于围压。试验表明，用此方法的试验取得了不错的效果。当然在确定施加反压过程中我们必须小心谨慎。

［1］李云龙.土工三轴试验中端部接触和端部约束影响研究［D］.太原：太原理工大学，2007.

［2］董建军，邵龙潭.考虑端部效应影响的非饱和压实土三轴试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2010（9）：1937－1944.

［3］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（7）：1313－1319.

［4］陈茜，骆亚生，程大伟.三轴试验条件下的结构性参数［J］.江苏大学学报（自然科学版），2014（3）：349－353.

［5］石露，李小春.真三轴试验中的端部摩擦效应分析［J］.岩土力学，2009，30（4）：1159－1164.

［6］韩渊明，谢数洪，熊建华.无粘性土三轴试验初探［J］.土工基础，2006（3）：73－75.

［7］陈立宏，陈祖煜，李广信.三轴试验抗剪强度指标线性回归方法的讨论［J］.岩土力学，2005（11）：1785－1789.

［8］谭凡，黄斌，饶锡保.关于三轴试验破裂角的试验论证与探讨［J］.西北地震学报，2011（增刊）：181－183.