CN101775792B - 土试样的三轴剪切试验系统及排水固结方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土试样的三轴剪切试验的排水固接方法。所述系统，包括三轴剪切试验仪、孔隙水压力测量装置和周围压力装置；其中：所述孔压量管和排水量管与孔压管并联连接；所述周围压力装置包括空压泵、总调压气阀、分调压气阀、周围压力阀、总进气管及若干分进气管、量管和出水管，若干量管并立排列，进气管一端与对应量管上端连接。所述方法的步骤是：使排水量管内、孔压量管的水面与试样中心高度平齐；调整周围压力至所需的值σ₃后，进行排水固结；排水固结3至6个小时后，每隔1小时测记一次孔隙水压力，直至孔隙水压力降至初始测得的孔隙水压力σ_k值的5％以下，排水固结完成。优点是：能有效缩短剪切试验中固结排水的时间、加快工程进度。

Description

土试样的三轴剪切试验系统及排水固结方法

技术领域

本发明涉及建筑基础的测量，尤其涉及用于对基础土体的抗剪强度进行测量的土试样的三轴剪切试验系统及排水固结方法。 

背景技术

室内三轴剪切试验系统用于对土样的剪切试验，以此获取土体的抗剪强度指标。该指标将被用于各类工程建设项目的地基基础设计和泥石流、滑坡等地质灾害的预防及治理。 

目前绝大部分的三轴剪切试验系统如图1所示，主要由应变控制式三轴仪100及轴向加压装置(未画出)、周围压力装置200和孔隙水压力测量装置300组成。三轴仪100除有一孔隙水压力测量装置300外，还配备一对应的周围压力装置200，该周围压力装置主要由空压泵201和对应的管道203及阀202组成。孔隙水压力测量装置300则主要由排水管305、孔压管308、排水量管302和孔压量管301、排水阀304、孔压阀307和孔隙水测量仪306组成，排水量管302和孔压量管301上分别串接有排水阀304和孔压阀307。 

所取的土试样105由橡皮膜111围成圆柱形，其上下端分别置有透水板103和滤纸104，试样105置于压力室113内的试样座106上，试样105上端有试样帽102。试样帽102上端连接设有排水阀304的排水管305；试样座105下端连接孔压管308，该孔压管308通过两支路管分别连接孔隙水测量仪306和孔压量管301，在孔隙水测量仪306和孔压量管301的进水处分别设有孔压阀307和排 水阀304。压力室113为透明的塑料筒，筒中充满水，周围压力系统200通过管道203向压力室113施压，以使压力室的水具有所需的压力σ₃。 

进行三轴剪切试验前先进行试样的排水固结。排水固结时先将试样在压力室中安装好，再根据预先确定的周围压力值通过压力室内的水对试样施加周围压力σ₃，压力σ₃在试验中保持不变。试样在周围压力σ₃的作用下其内所含的水被挤压出来，一部分由排水管305排出，一部分在孔压管308中形成孔隙水压力，该孔隙水压力通过孔压阀307进行调整并由孔隙水压仪306测量。该孔隙水压力随水的不断排出而不断减低，试样被逐渐固结。当孔隙水压力低于初始值的5％时，认为试样排水固结认为完成，可进行剪切试验。 

剪切试验时，轴向加压设备通过驱动台107使试样座106向上移动，对试样施加轴向压力σ_v，使试样受到剪切作用。此时作用在试样上的最大主应力σ₁＝σ₃+σ_v，最小主应力等于σ₃。在由剪应力τ和正应力σ做成的直角坐标系统中，在横坐标上，以(σ₁+σ₃)/2为圆心，以(σ₁-σ₃)/2为半径所绘的圆称为莫尔圆。在试验中，随着σ_v的增大，莫尔圆由小变大，直到试样破坏(产生剪切破坏)，莫尔圆不能再增大为止。这时的莫尔圆为极限莫尔圆，极限莫尔圆必与强度包线相切，参见图2。但是在试验时强度包线是未知的，这正是三轴剪切试验要探求的结果。为此，至少要取3～4个试样分别在不同的周围压力σ₃的作用下进行剪切求得各个试样破坏时的最大主应力σ₁，可按总应力σ和有效应力σ’＝σ-u(u为试样中试验时实测到的孔隙水压力)两种方法，绘制3～4个大小不一的极限莫尔圆(总应力圆用实线表示，有效应力圆用虚线表示)，以求得它们的共切线即强度包线，从而得到相关的参数。 

因此在上述的三轴剪切试验中，对一件土样必须制备3个以上性质相同的试样，在不同的周围压力下进行试验，以获得不同的极限莫尔圆。土样三轴试验的方法分为：不固结不排水剪试验(UU)、固结不排水剪试验(CU)和固结排水剪试验(CD)三种。其中固结不排水剪试验和固结排水剪试验都需要对每个试样在进行剪切试验前，先施加规定的周围压力进行排水固结。 

三轴试验的固结不排水和固结排水剪切都需要在剪切前对试样进行排水固结。国标《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)中规定，排水固结完成的标准是试样中的孔隙水压力消散达95％以上。根据以上标准和实践经验，要达到以上排水固结完成的标准，对于粉土和砂性试样来说，时间较短，一般只需三四个小时，甚至不足一个小时即可完成。但对于粘性土来说，时间往往较长，最长的可超过二十四个小时，而排水固结主要在粘性土中进行。排水固结完成后进行试样的剪切试验，根据现有规范规定，即使是粘性土，CU试验剪切一个试样的试验时间一般也不会超过三个小时，CD试验则一般要达到10～20多个小时。根据目前工程实践，CD试验在工程实践中做得非常少，但CU试验则是常做项目。 

现有的三轴试验系统一次只能装一个试样，一件试样至少应当做3个不同围压的试样才能得到试验成果，这意味着一套系统，一般需要3～4天才能完成一件土样的CU试验。一般工程中，同一土层的CU试验不少于3件土样，一般为6件土样。而一般的工程勘察单位因受经济、场地、人员等条件的限制，三轴试验仪器也就二三台。这样，无论在进度上还是在经济上，都不能满足工程项目的要求，会对整个岩土工程勘察项目的进度或经济效益造成较大的影响。 

另外，现有的装置当试样进行排水固结时，排水是单方向进行的，这会大大增加排水固结的时间，试验耗时多，工作效率低下。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效缩短三轴固结不排水剪切试验和固结排水剪试验的时间、加快工程进度的土试样的三轴剪切试验系统及排水固结方法，该目的由下述方案得到实施：

所述系统，包括孔隙水压力测量装置和周围压力装置；所述周围压力装置与三轴剪切试验仪的压力室连通；所述孔隙水压力测量装置包含排水管、孔压管、排水量管和孔压量管、排水阀和能够测量到孔隙水压力孔压阀，排水管和孔压管的一端分别与压力室的试样帽和试验座连接，另一端分别与排水量管和孔压量管连接，排水管和孔压管上分别设置有排水阀和所述孔压阀，其中所述支路管上分别设置有孔压阀和排水阀，其中所述周围压力装置包括空压泵、调压气阀、周围压力阀、总进气管及若干分进气管、量管和出水管，若干量管并列排列，每一分进气管与一量管对应，进气管一端与对应量管上端连接，一端与总进气管连接，总进气管及每一分进气管上安装有调压气阀，总进气管与空压泵连通，若干进水管分别连接在对应量管的下端，该进水管通过周围压力阀与至少一三轴剪切试验仪的压力室连通。 

所述系统的进一步设计在于，分进气管上安装有压力表。 

土试样排水固结方法，包括如下步骤： 

1)通过分别调节排水管和孔压管上的上的排水阀和孔压阀来调节排水量管和孔压量管内的水面高度，使之与土试样中心高度平齐； 

2)通过调节调压气阀和周围压力阀来调整周围压力至所需的值σ₃，再打开与孔压管连接的一支路管上的孔压阀，待孔隙水压力稳定后，测量孔隙水压力σ_k，然后关闭该孔压阀，打开排水管上的排水阀和与孔压管连接的另一支路管上的排水阀，试样中的水通过排水管和孔压管排至排水量管和孔压量管，使试样排水固结； 

3)排水固结3至6个小时后，关排水阀，并打开孔压阀，待孔隙水压力稳定后，每隔1小时测记一次孔隙水压力，直至孔隙水压力降至初始测得的孔隙水压力σ_k值的5％以下，排水固结完成。 

本发明系统可使试样的排水固结过程脱离三轴仪的主体部分，即三轴仪实施轴向加压的动力和传动部分设备部分，从而使三轴仪专门用来进行剪切试验。并且本装置也突破了一次只能对一个试样进行排水固结的限制，可以同时进行数个或者数十个甚至几十个试样同时进行排水固结，大大的缩短了试样排水固结的时间。另外，本装置对试样的排水采用上下同时排水，因此对单个试样的排水固结时间理论上也会缩短一半，从而加快了三轴剪切试验的速度，便于工程进度的加快，有利于建筑业提高工作效率，提供经济效益。 

附图说明

图1是应变控制式三轴仪的结构示意图。 

图2是三轴剪切试验中的极限莫尔圆与强度包线。 

图3是本发明系统的结构示意图。 

图中，1空压泵，2总调压气阀，3分调压气阀，4压力表，5分进气管，6量管，7水，8出水管，9三通接头，10周围调压阀，11总进气管，12平板，13水管，20本发明的周围压力装置，30本发明的孔隙水压力测量装置，31孔压管，32三通接头，33排水管，34孔压阀，35排水阀，36孔压阀，37孔隙水压力测量仪，38孔压量管，39排水量管，100三轴仪，101测力计，102试样帽，103透水板，104滤纸，105试样，106试样座，107驱动台，200现有的周围压力装置，201空压泵，202周围压力阀，203管道，300现有孔隙水压力测量装置，301孔压量管，302排水量管，304排水阀，305排水管，306孔隙水压力测量仪，307孔压阀，308孔压管，309孔压阀。 

具体实施方式

对照图3，本发明的周围压力装置20主要由空压泵1、出水管8、进气管5、量管6、总调压气阀2、调压气阀3和周围压力阀10组成。三根量管6并列排列固定在平板12上。量管6用耐压透明的有机玻璃制成，管径约6cm左右，长度约50cm左右，两头用带有接头的盖板封堵。管中灌入约四分之三的洁净水。，进气管包含一总进气管11和三根分进气管5。每一分进气管5与一量管6对应，分进气管5的一端与量管6的上端连接，其另一端与总进气管11连接。每一分进气管上安装有调压气阀3和压力表4。总进气管11上安装有总调压气阀2，该总进气管与空压泵1连通。每一量管6的下端连接进水管8，该进水管连接三通的接头9。每一三通接头连接水管13，该水管与一三轴剪切试验仪的压力室连接(图3中，因受图面的限制，仅画出了左侧三通的接头9通过水管13、14分别与一三轴剪切试验仪的压力室连接的情况)。水管13上接有周围压力阀10，用来调节压力室113内的水压，该水压形成试样105的周围压力。 

本发明的孔隙水压力测量装置30由排水管33、孔压管31、排水量管39和孔压量管38、排水阀35、34、孔压阀36、三通接头9和孔隙水测量仪37组成，排水管33上设置有排水阀35，其一端连接在三轴剪切试验仪中的试样帽102上，另一端与排水量管39连接。孔压管31的一端连接在试验座106上，另一端与三通接头9的一通连接，该接头的其它两通分别连接孔压量管38和孔隙水测量仪37，形成并接于孔压管31的两支路。在该两支路上的孔隙水测量仪37和孔压量管38进水处分别安装有孔压阀和排水阀。 

本发明系统工作时，空压泵所输出的具有一定压力的气体通过总进气管11及分进气管5施加到量管6内的水体上，分进气管的压力可通过分调压气阀3来调节。量管6内的压力通过周围压力阀10施加到压力室113内的水体上，使试样在该压力下进行排水固结。 

用本发明系统进行三轴剪切试验前需对岩土试样进行排水固结，下面是排水固结方法的具体实施例： 

实施例1 

本实施例中的土试样为粉土，先将试样置于试样座106上，接着调节排水管上33的排水阀35，使排水量管39内的水面与试样中心高度A平齐。再调节孔压阀36使孔压量管39内的水面与试样中心高度A平齐。然后通过调节总调压气阀2、对应分调压气阀3和周围压力阀10调节压力室内的压力达到所需的周围压力值σ₃。此时，打开孔压阀36，待孔隙水压力稳定可通过孔隙水压力测量仪37测得孔隙水压力σ_k。测完孔隙水压力σ_k后，关孔压阀36，打开与孔压管连接的另一支路上的排水阀34和排水管33上的排水阀35，试样中因受压力室113中的水体压力的而挤压出的水被排至孔压量管38和排水量管39，试样进行排水固结。因是粉土试样，排水固结3小时后关孔压管33上的排水阀34，并打开孔压阀36，待孔隙水压力稳定后，每隔1小时测记一次孔隙水压力，直至孔隙水压力降至初始测得的孔隙水压力σ_k值的5％以下，排水固结完成。 

实施例2 

本实施例中的土试样为粉质粘土，排水固结所进行的过程与实施例1相同，只是排水固结时间不同，略长为4.5小时。 

实施例3 

本实施例中的土试样为粘土，排水固结所进行的过程与实施例1相同，只是排水固结时间不同，较长为6小时。 

本发明的发明人根据相关理论和多年的试验经验，对排水固结的完成由试样性质用时间来界定，，这样对排水结固判定无大影响的中间过程的孔隙水压力可不测定，简化了操作过程。同时采用排水管和孔压管同时排水的双向排水方 式，并一次性对多至数十个试样同时进行排水固结，由此大大提高了排水固结的工作效率。这种方法可减少大量的工作量，节约成本，减少人为因素的影响，简单易行，试验质量可靠。 

本发明系统制作简单，操作可靠，投入较少，制作这一套装置费用只需2～3万元，但可使现有三轴仪的产生能力提高6倍以上。经测算，三轴剪切试验试样排水固结装置投入生产使用后，在不增加三轴仪数量的前提下，可使三轴固结不排水剪(CU)试验的效率提高6～12倍，可使三轴排水剪(CD)试验的效率提高3～6倍。可节约大量的生产成本，提高工作效率，经济效益非常明显。 

本发明系统还具备良好的扩展能力。可以根据生产的需要，在配备了足够大的空压泵后，一是可通过增加三通阀的数量来增加连接压力室的数量，二是可以增加周围压力系统的数量来增加连接压力室的数量。 

Claims (3)

1.土试样的三轴剪切试验系统，包括三轴剪切试验仪、孔隙水压力测量装置和周围压力装置；所述周围压力装置与三轴剪切试验仪的压力室连通；所述孔隙水压力测量装置包含排水管、孔压管、排水量管和孔压量管、排水阀和能够测量到孔隙水压力孔压阀，排水管和孔压管的一端分别与压力室的试样帽和试验座连接，排水管另一端通过排水阀与排水量管连接，孔压管的另一端通过三通分别连接孔压量管和孔隙水测量仪，形成并接于孔压管的两支路，在该两支路上的孔隙水测量仪和孔压量管进水处分别安装有孔压阀和排水阀，其特征在于所述周围压力装置包括空压泵、调压气阀、周围压力阀、总进气管及若干分进气管、量管和出水管，若干量管并列排列，每一分进气管与一量管对应，进气管一端与对应量管上端连接，一端与总进气管连接，总进气管及每一分进气管上安装有调压气阀，总进气管与空压泵连通，若干进水管分别连接在对应量管的下端，该进水管通过周围压力阀与至少一三轴剪切试验仪的压力室连通。

2.根据权利要求1所述的土试样的三轴剪切试验系统，其特征在于所述分进气管上安装有压力表。

3.如权利要求1所述系统的土试样排水固结方法，其特征在于包括如下步骤：

1)通过分别调节排水管和孔压管上的排水阀和孔压阀来调节排水量管和孔压量管内的水面高度，使之与土试样中心高度平齐；

2)通过调节调压气阀和周围压力阀来调整周围压力至所需的值σ₃，再打开与孔压管连接的一支路管上的孔压阀，待孔隙水压力稳定后，测量孔隙水压力σ_k，然后关闭该孔压阀，打开排水管上的排水阀和与孔压管连接的另一支路管上的排水阀，试样中的水通过排水管和孔压管排至排水量管和孔压量 管，使试样排水固结；

3)排水固结3至6个小时后，关排水阀，并打开孔压阀，待孔隙水压力稳定后，每隔1小时测记一次孔隙水压力，直至孔隙水压力降至初始测得的孔隙水压力σ_k值的5％以下，排水固结完成。 

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