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什么是三軸試驗?

2020-04-03 [1498]

三軸試驗原理

    根據(jù)力學(xué)試驗原理,假定一土體保持平衡狀態(tài),則其中某一點必有三種作用于互相垂直面上的應(yīng)力。如從上體中切出一小立方體,如圖“主應(yīng)力與主應(yīng)力面”所示,圖中平行于X、Y、Z三個方向的力,分別稱為大主應(yīng)力σ1、中主應(yīng)力σ2、小主應(yīng)力σ3。與三個主應(yīng)力垂直的作用面分別稱為大主應(yīng)力面、中主應(yīng)力面和小主應(yīng)力面。三個主應(yīng)力值的大小為σ1>σ2>σ3,且互相垂直,主應(yīng)力面上只有法向應(yīng)力,無剪應(yīng)力。這種應(yīng)力狀態(tài),可以在室內(nèi)用一個立方體試樣進行模擬。如圖“剛性板結(jié)構(gòu)的真三軸儀示意圖”所示,利用六塊可以互相移動的剛性板,分別施加σ1、σ2、σ3力于試樣,使之達到破壞,并測定試樣三個方向的變形和體積變化,這種試驗稱為真三軸試驗。

    真三軸試驗所施加的應(yīng)力和所測得的強度參數(shù)以及變形參數(shù)能較真實地反映實際情況。然而這種試驗的儀器構(gòu)造復(fù)雜、操作麻煩。目前除了作研究用外,很少被巖土工程師用于實際的工程勘察設(shè)計。

    許多土工問題如土坡、路堤、擋土墻、碼頭等均屬于平面問題,在設(shè)計上作為平面應(yīng)變狀態(tài)處理,即只考慮σ1和σ3。在一些特殊情況下,如油罐基礎(chǔ),常按軸對稱問題處理,即σ2=σ3。三軸試驗就是使試樣在軸對稱的應(yīng)力狀態(tài)下進行試驗。由于三軸試驗比真三軸試驗簡單方便,因此得到了廣泛應(yīng)用。

 

三軸試驗類型

三軸試驗的主要用途是測定土的強度和應(yīng)力應(yīng)變有關(guān)參數(shù)。也常用來測定土的靜止側(cè)壓力系數(shù)Ko、消散系數(shù)Cv、滲透系統(tǒng)K等。三軸試驗主要有以下幾種類型:

1、強度試驗

用三軸試驗測定土的強度參數(shù),有幾種不同方法。根據(jù)試驗過程中排水條件,通??煞譃椴还探Y(jié)不排水剪(UU)、固結(jié)不排水剪(CU)和固結(jié)排水剪(CD)。試驗方法的選擇,要根據(jù)設(shè)計要求、土的性質(zhì)、施工速度、工程運用條件等而定。

2、應(yīng)力路徑試驗

前述三種常規(guī)試驗方法的UU試驗、CU試驗和CD試驗是用同一種加荷方式,在不同排水條件下進行的。如用不同的加荷方式,在不同排水條件下進行試驗,則稱為應(yīng)力路徑試驗。

應(yīng)力路徑是模擬土體在實際施工或運行過程中的應(yīng)力變化,對試樣進行加荷減荷的試驗程序。這種應(yīng)力狀態(tài)變化是以巖石的加荷過程中土體內(nèi)某平面上應(yīng)力變化的軌跡來表明應(yīng)力增長或減小的路徑。不同的加荷方式有不同的應(yīng)力路徑。

3、三軸靜止側(cè)壓力系數(shù)Ko試驗

在天然土層或人工填土中的任何一點,水平有效應(yīng)力σ,h一般不等于垂直有效應(yīng)力σ,v。這兩種應(yīng)力之比稱為側(cè)壓力系數(shù)或側(cè)應(yīng)力比,即:Ko=σ,h/σ,v。Ko的最小值相當于土體破壞時的應(yīng)力比,以Kf表示。工程中,設(shè)計者所需要的是靜止側(cè)壓力系數(shù),即土體在垂直應(yīng)力作用下,無側(cè)向變形的靜止側(cè)壓力系數(shù),以Ko表示。

Ko試驗是假定土體各向同性均勻一致,應(yīng)力σ與應(yīng)變ε呈線性關(guān)系,其比值σ/ε即為彈性模量E。

4、孔隙壓力消散試驗

孔隙壓力消散試驗是測定試樣施加作用力后,試樣中產(chǎn)生的孔隙壓力在排水條件下隨時間而消散的過程。根據(jù)這種試驗可測得土的固結(jié)系數(shù)Cv(也稱消散系數(shù))和體積壓縮系數(shù)mv。

5、三軸滲透試驗

三軸滲透試驗,利用三軸儀按常規(guī)不排水剪試驗方法安裝好試樣,對試樣施加有效圍壓σ3,使水在一定壓力差作用下通過試樣流出,保持穩(wěn)定流量Q,測定土的滲透系數(shù)。對同一試樣,可以施加不同圍壓σ3,使之達到固結(jié)排水穩(wěn)定后,分別測定其滲透系數(shù)k。

三軸試驗優(yōu)缺點

   三軸試驗的優(yōu)點是:應(yīng)用范圍較廣,可用以測定土的強度參數(shù)、應(yīng)力變形參數(shù)、土的消散系數(shù)、靜止側(cè)壓力系數(shù)及滲透系數(shù)等。適用于各種土類,如原狀土、重塑土的黏性土及砂礫等;在測定強度方面與直接剪切試驗比較,其優(yōu)點是試樣的剪切面不是固定的,面是沿最弱的面產(chǎn)生剪切;對于有結(jié)構(gòu)面的土,如裂縫土,它能較真實地反映土的應(yīng)力應(yīng)變特征;在試驗方法方面,可以根據(jù)工程設(shè)計的施工和運用條件控制排水,測定孔隙壓力,較可靠地測定試驗過程中試樣的體積變化(包括飽和式樣和非飽和試樣)。可以模擬工程現(xiàn)場的應(yīng)力狀態(tài),施加主應(yīng)力及加荷路徑。在試樣飽和方面,可以施加反壓力或CO2氣體,使試樣達到完全飽和狀態(tài)。此外,在孔隙壓力消散試驗、滲透試驗方面,試樣可以在近乎實際的應(yīng)力狀態(tài)(如各向均等應(yīng)力、各向不等應(yīng)力)條件下進行試驗。許多實際工程的資料表明,用三軸試驗所測定的強度參數(shù)c、Φ,靜止側(cè)壓力系數(shù)Ko,孔隙壓力消散系數(shù)Cv及滲透系數(shù)k比其他試驗方法所測得的計算參數(shù)更為合理、可靠,能較真實地反映土的特質(zhì)。

   三軸試驗的不足之處是:試驗過程中施加的應(yīng)力是軸對稱的,即σ2=σ3;而大多數(shù)的實際工程則是近似平面問題,如土石壩、路堤、擋土墻、隧道、房屋基礎(chǔ)等,因而與實際的應(yīng)力狀態(tài)有差別,其中主應(yīng)力(σ2)不能變化,不能模擬平面應(yīng)變條件,主應(yīng)力方向不能逐漸改變。試樣的末端如不采取減少摩擦的措施,則受到約束,從而影響應(yīng)力、應(yīng)變、體積變化及孔隙壓力直剪的關(guān)系。

   三軸試驗的應(yīng)用不足之處是試驗操作復(fù)雜、費時,需要有試驗技術(shù)熟練的人員操作。因而試驗結(jié)果的質(zhì)量與試驗人員的技術(shù)水平有很大關(guān)系。儀器設(shè)備較直剪儀或固結(jié)儀復(fù)雜且費用較高,試驗要求較多的試樣。

   對于許多實用目的而言,三軸試驗的優(yōu)點遠大于其缺點。根據(jù)許多工程實例,一些重要的工程問題中,試驗室試驗結(jié)果和現(xiàn)場穩(wěn)定性探測之間的關(guān)系都能很好的符合。

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