如何做好三軸試驗(yàn)（二）

二、試驗(yàn)——從儀器調(diào)試到測(cè)試參數(shù)

１.根據(jù)試驗(yàn)對(duì)排水的要求，選擇組成測(cè)試系統(tǒng)的部件。

⑴根據(jù)試樣大小和測(cè)試要求配置壓力室。按試樣尺寸區(qū)分，有大（101×200）、中（61.8×125）、?。?9.1×80）三種規(guī)格；按周圍壓力區(qū)分，有高（6Mpa）、中（>2 Mpa）、低（< 2Mpa）之分。對(duì)壓力室的檢查要求各連接部件在額定壓力下不泄漏；活塞桿提升后能在自重下從活塞套里自由落下。

⑵壓力控制系統(tǒng)是一種伺服穩(wěn)壓控制裝置。試驗(yàn)中無論試樣如何變化，始終要維持輸出壓力的恒定值。如果需要做反壓力飽和時(shí)，就要配置兩套穩(wěn)壓控制裝置。以便經(jīng)過排水管向試樣施加恒定的反壓力。整個(gè)系統(tǒng)須在試前用無氣水做徹底的排氣處理。

⑶軸向應(yīng)變控制系統(tǒng)與試驗(yàn)機(jī)一體。主要是控制軸向（大主應(yīng)力）應(yīng)變速率的機(jī)械裝置，調(diào)速范圍通常在0.0022-4.5mm/min。大軸向承受力須要與壓力室的額定壓力匹配，通常在10-60kN之間。

⑷測(cè)量系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，計(jì)量技術(shù)快速發(fā)展。各種先進(jìn)的電測(cè)手段，全面取代傳統(tǒng)的測(cè)量裝置。對(duì)試驗(yàn)人員具有符合型技能的要求更為迫切。

ａ.孔隙水壓力測(cè)量裝置

現(xiàn)在普遍用壓力傳感器取代零位指示器測(cè)試孔隙水壓力。從壓力室底座排水孔經(jīng)孔壓閥門、再連接傳感器，組成管路通道。從試樣安裝到試驗(yàn)結(jié)束，保持通道不含空氣。國(guó)標(biāo)對(duì)通道水的剛性有明確規(guī)定，要求孔隙壓力量測(cè)系統(tǒng)的體積因數(shù)小于1.5×10^-5cm³/kpa。

（體積因數(shù)——孔隙壓力系統(tǒng)在單位壓力作用下的體積變化量）

對(duì)這一標(biāo)準(zhǔn)的直觀解釋是：1.5mm³/100kpa （＝1.5×10^-5cm³/kpa）

ｂ.軸向力測(cè)量

采用電測(cè)后，力傳感器逐漸取代測(cè)力環(huán)加位移傳感器，作為軸向力的測(cè)量裝置；水下荷重傳感器是今后儀器改進(jìn)的方向，因?yàn)樗鼰o須考慮活塞與軸套之間的摩擦影響因素。無論使用何種裝置須選擇量程相近、在校驗(yàn)期內(nèi)的量具，可以減少測(cè)試誤差。

ｃ.位移測(cè)量

現(xiàn)在大多采用位移傳感器取代百分表，以適應(yīng)電測(cè)和數(shù)據(jù)采集的需要。在程序控制（全自動(dòng)）型儀器中，由于采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸向應(yīng)變，因此也可以精密計(jì)算軸向位移量。

ｄ.體積變化測(cè)量

傳統(tǒng)的三軸儀使用雙層體變管，細(xì)長(zhǎng)型玻璃量管測(cè)量試樣的體積變化量；在數(shù)據(jù)采集的電測(cè)中，使用差壓傳感器；先進(jìn)的程序控制（全自動(dòng)）型儀器，采用精密數(shù)字活塞和高壓電磁閥、高壓快速接頭組合的壓力控制器,可以計(jì)算到1%ml的體變量。

⑸對(duì)透水石、各管路及連接部位作排氣處理；選擇符合規(guī)格的濾紙、乳膠膜、經(jīng)過排氣處理的蒸餾水備用。

2.設(shè)置合理的試驗(yàn)參數(shù)

⑴周圍壓力系列（σ₃）須按工程實(shí)際荷載設(shè)置。其中，小級(jí)應(yīng)略大于上覆土層自重壓力下的側(cè)壓力，大級(jí)應(yīng)略大于實(shí)際承受的大壓力（上覆土自重壓力加附加壓力）下的側(cè)壓力。因此，需要計(jì)算上覆土體的自重壓力，估算地基上部的附加壓力，土的靜止側(cè)壓力系數(shù)可以取經(jīng)驗(yàn)值。

⑵軸向應(yīng)變速率。原則上粉土、砂土可稍快，粘土要慢些。在實(shí)際操作中還須將應(yīng)變速率換算成軸向上升速率ｍｍ/min：

UU試驗(yàn)不測(cè)孔壓，應(yīng)變速率可稍快,取0.5-1%/min（如h=80mm為0.4-0.8mm/min）； CU'試驗(yàn)要測(cè)孔壓，為使試樣底部的測(cè)值與上部孔壓一致，要視土的粒度、密度選擇相宜的應(yīng)變速率。對(duì)一般粘性土較UU試驗(yàn)慢1/10，即0.04-0.08mm/min；CD試驗(yàn)測(cè)的是土有效應(yīng)力。要維持孔隙水壓力為零，須選擇很慢的應(yīng)變速率，確保單位時(shí)間軸壓增量產(chǎn)生的孔壓得以消散。通常小于0.012mm/min。

⑶試驗(yàn)終點(diǎn)的預(yù)設(shè)，對(duì)于程序控制十分必要。如按應(yīng)力峰值判定，當(dāng)峰值出現(xiàn)后，繼續(xù)剪3-5%的軸向應(yīng)變結(jié)束；若無峰值出現(xiàn)，就按大應(yīng)變設(shè)定，按規(guī)范選擇15-20%結(jié)束試驗(yàn)。

⑷其它試驗(yàn)參數(shù)，要根據(jù)控制試驗(yàn)軟件的設(shè)置而定。

3.由于數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)普及,操作人員只要做好試前的安裝、調(diào)試，剩下的工作就交由程序控制完成。

⑴三軸試驗(yàn)是在周圍壓力不變的條件下，施加軸壓。試樣的面積隨著軸向應(yīng)變改變，因此試驗(yàn)零點(diǎn)是否存在虛假接觸，不僅影響試樣的應(yīng)變，還影響試樣的應(yīng)力。在試樣安裝調(diào)試中力求克服虛假接觸現(xiàn)象，對(duì)于變化直觀的量表，按照目測(cè)調(diào)整零點(diǎn)；對(duì)于無法直觀的量表則采用動(dòng)態(tài)調(diào)整，即按應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化確定。

⑵關(guān)于一個(gè)試樣多級(jí)加載的三軸試驗(yàn)

多級(jí)加載三軸試驗(yàn)的原理是，首級(jí)圍壓下試驗(yàn)終止時(shí)，試樣破壞面傾角形成、粘聚力C被克服，在后續(xù)各級(jí)圍壓（Δσ₃）下的試驗(yàn)只是擴(kuò)大破壞面，并不改變傾角。這一試驗(yàn)所須土樣少，測(cè)試周期短，沒有各試樣間不均勻的弊端，應(yīng)力隨應(yīng)變成線性增長(zhǎng)規(guī)律好。因此受到許多試驗(yàn)人員的熱衷選用。

但是，在試驗(yàn)中土的應(yīng)變過程，并不都有應(yīng)力峰值出現(xiàn)，就須從應(yīng)變的要求來決定破壞點(diǎn)。對(duì)于每級(jí)加載測(cè)試中，在缺乏完整應(yīng)力應(yīng)變記錄時(shí)決定試驗(yàn)終點(diǎn)，就成為掌控的關(guān)鍵。恰到好處的做法是，將要破壞還沒破壞時(shí)終止軸壓。而做到這點(diǎn)絕非易事，對(duì)于缺乏經(jīng)驗(yàn)的操作者尤其如此；還有，分級(jí)加載是一種連續(xù)的試驗(yàn)。為了避免次級(jí)圍壓加后土樣出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，所加圍壓要大于前級(jí)大主應(yīng)力極值。如果首級(jí)圍壓稍大，終的圍壓會(huì)大大高于實(shí)際，甚至超出儀器的額定值，并難和“2. ⑴”的要求一致；此外，還有方法的適用性、一個(gè)試樣的代表性等問題，以及學(xué)術(shù)上的其它不同意見，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)只限于無法切取多個(gè)試樣的特殊情況下采用，并不建議取代常規(guī)方法。

多級(jí)加載三軸試驗(yàn)的操作要點(diǎn)是：

ａ.首級(jí)圍壓下會(huì)經(jīng)過較大軸向應(yīng)變（5～10%）破壞面傾角形成。后續(xù)各級(jí)圍壓下的試驗(yàn)，只經(jīng)歷不大的軸向應(yīng)變（2～5%）就達(dá)到或接近穩(wěn)定的軸向應(yīng)力。因此朱思哲^*認(rèn)為，后續(xù)各級(jí)加載試驗(yàn)，可以適當(dāng)降低應(yīng)變速率，以便操作者有充分時(shí)間判斷測(cè)試終點(diǎn)。

ｂ.前一級(jí)試驗(yàn)終點(diǎn)的試樣高度和面積，就是后一級(jí)加載試驗(yàn)時(shí)的初始高度和面積。

ｃ.施加次級(jí)圍壓試驗(yàn)時(shí)有兩種方式：

其一，不卸除前級(jí)試驗(yàn)終了時(shí)的軸向壓力，直接施加下一級(jí)圍壓。待施加次級(jí)軸向壓力之前，將稍有變化的軸向壓力值調(diào)整至前級(jí)軸壓終了時(shí)的讀數(shù)。此法適用于蠕變變形小的砂土、密實(shí)粘土。

其二，前級(jí)試驗(yàn)終了時(shí)把軸向壓力卸至零（試樣與活塞脫離），再施加下一級(jí)圍壓。可防止前級(jí)軸向壓力對(duì)試樣產(chǎn)生的軸向蠕變。施加次級(jí)軸向壓力時(shí)仍從零開始直到本級(jí)穩(wěn)定值。此法適用于CU、CD試驗(yàn)，以及含水率大、密度低的軟土。

ｄ.第一級(jí)圍壓不宜過大（如50kpa），第二級(jí)和以后各級(jí)圍壓，應(yīng)等于或大于前一級(jí)圍壓下破壞時(shí)的大主應(yīng)力（σ₁）。防止試樣出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力現(xiàn)象。

ｅ.每級(jí)試驗(yàn)的終點(diǎn)，是多級(jí)加載三軸試驗(yàn)中難以掌控的標(biāo)準(zhǔn)。以下幾種現(xiàn)象，可供終結(jié)本級(jí)軸壓而轉(zhuǎn)入下一級(jí)試驗(yàn)時(shí)參考：

※ 試樣出現(xiàn)可見的滑動(dòng)面；

※ 主應(yīng)力差與應(yīng)變關(guān)系曲線上，出現(xiàn)平緩或顯示峰值；

※ 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)先設(shè)定三級(jí)軸向應(yīng)變的近似值：如10%、15%、18%，或16%、18%、20%；

※ 對(duì)于CU試驗(yàn)，大有效主應(yīng)力比（σ^‘₁/σ^’₃）的出現(xiàn)可作為加荷標(biāo)準(zhǔn)；

※ 在CU試驗(yàn)中也可在大孔隙水壓力出現(xiàn)作為加荷標(biāo)準(zhǔn)；

※ 在CD試驗(yàn)中，體積變化（趨于穩(wěn)定）量可作為加荷標(biāo)準(zhǔn)；

※ 根據(jù)應(yīng)力路徑的測(cè)點(diǎn)趨于密集時(shí)，表明試樣已接近或處于臨界狀態(tài)。