CN115356191B - 一种针对黏性土的三轴拉伸试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种针对黏性土的三轴拉伸试验方法，基于三轴拉伸方式，对饱和黏性土进行了异性固结不排水拉伸试验，从而准确的确定了土体强度及参数，进而对需要获取土体强度及参数的工程项目具有一定参考及指导意义。

Description

一种针对黏性土的三轴拉伸试验方法

技术领域

本发明涉及针对黏性土的拉伸试验技术领域，特别是涉及一种针对黏性土的三轴拉伸试验方法。

背景技术

工程实践中主要利用土体的抗压或抗剪强度来判断土体在荷载下抵抗破坏的能力，土体抗拉强度较低，一般不主动作为拉伸材料使用，且拉伸试验对仪器设备性能要求较高，试验过程中存在一些内在不稳定因素，不易准确测定。

一般情况下，相关技术会采用等向固结三轴拉伸或单轴拉伸的方式对黏性土进行拉伸试验，单轴拉伸的应力分布简单，相对容易实施，但并不能完全反映实际原位应力状态及复杂边界条件，且多考虑非饱和土，粘接材料、夹持力的控制及端部效应对试验结果影响较大，而等向固结则无法反映黏性土真实的原位应力状态，所以，导致无法准确地检测出黏性土的三轴拉伸不排水强度。

发明内容

本发明实施例是提供一种针对黏性土的三轴拉伸试验方法，以解决现如何准确地检测出黏性土的三轴拉伸不排水强度的问题。

本发明实施例公开了一种针对黏性土的三轴拉伸试验方法，所述方法可以包括：

安装黏性土试样，并确定所述黏性土试样的饱和度；

判断所述黏性土试样的所述饱和度是否大于或等于预设阈值；

若所述黏性土试样的所述饱和度小于预设阈值，则在预设时间内，根据所述饱和度对所述黏性土试样施加围压和反压；

当所述黏性土试样的孔压稳定后，再次判断所述黏性土试样的饱和度是否大于或等于预设阈值；

当所述黏性土试样的饱和度大于或等于预设阈值时，则确定所述黏性土试样的固结方式；

当所述固结方式为等应力比异性固结时，通过调整针对所述黏性土试样的轴向总应力值、径向总应力值和加载时间，控制针对所述黏性土试样的固结速率，并使所述黏性土试样基于所述固结速率进行固结；

当所述黏性土试样处于不排水，且所述围压不变的状态下，调整所述轴向总应力值，控制针对所述黏性土试样的应变速率，并使所述黏性土试样基于所述应变速率进行拉伸；

当所述黏性土试样变形至破坏时，记录试验结果；所述试验结果包括所述黏性土试样的三轴拉伸不排水强度值。

可选地，还可以包括：

当再次判断所述黏性土试样的饱和度是否大于或等于预设阈值后，所述黏性土试样的饱和度仍小于预设阈值时，则重新执行所述在预设时间内，根据所述饱和度对所述黏性土试样施加围压和反压的步骤。

可选地，所述根据所述饱和度对所述黏性土试样施加围压和反压的步骤可以包括：

按照预设级数划分层级，根据所述饱和度对所述黏性土试样逐级施加围压和反压；所述围压的压力值和所述反压的压力值，与所述层级的级数成正比。

可选地，所述围压和所述反压的压力差处于5千帕-20千帕之间，所述预设时间至少为24小时。

可选地，还可以包括：

当所述固结方式为k0异性固结时，监测针对所述黏性土试样的排水量；

在所述黏性土试样在进行固结的过程中，根据所述排水量调整所述轴向总应力值和所述径向总应力值，使所述黏性土试样在不产生径向变形的状态下，控制所述黏性土试样缩小的体积等于排水体积。

可选地，所述试验结果包括所述黏性土试样拉伸至破坏时，所述黏性土试样的破坏面的含水率。

可选地，还可以包括：

所述黏性土试样应变率达到20％时停止试验。

可选地，所述方法应用于应力路径三轴仪，所述应力路径三轴仪包括主机，所述主机包括底座、压力室，所述底座具有对应的试样帽和拉伸帽，所述安装所述黏性土试样的步骤可以包括：

依次在底座上放置透水石、滤纸，和所述黏性土试样，并采用橡皮膜包裹所述透水石、所述滤纸，和所述黏性土试样；

将所述试样帽和所述拉伸帽进行嵌套组装，并将经嵌套组装的所述试样帽和所述拉伸帽安装于所述橡皮膜顶部；

向所述压力室内注入脱气水，直至所述脱气水从所述压力室顶部的溢水孔中溢出。

可选地，所述将所述试样帽和所述拉伸帽进行嵌套组装的步骤可以包括：

在所述拉伸帽的帽壁上涂抹润滑油，并将所述试样帽和经涂抹润滑油的所述拉伸帽进行嵌套组装。

可选地，所述滤纸为螺旋状滤纸。

本发明实施例包括以下优点：

本发明实施例通过，安装黏性土试样，并确定所述黏性土试样的饱和度；判断所述黏性土试样的所述饱和度是否大于或等于预设阈值；若所述黏性土试样的所述饱和度小于预设阈值，则在预设时间内，根据所述饱和度对所述黏性土试样施加围压和反压；当所述黏性土试样的孔压稳定后，再次判断所述黏性土试样的饱和度是否大于或等于预设阈值；当所述黏性土试样的饱和度大于或等于预设阈值时，则确定所述黏性土试样的固结方式；当所述固结方式为等应力比异性固结时，通过调整针对所述黏性土试样的轴向总应力值、径向总应力值和加载时间，控制针对所述黏性土试样的固结速率，并使所述黏性土试样基于所述固结速率进行固结；当所述黏性土试样处于不排水，且所述围压不变的状态下，调整所述轴向总应力值，控制针对所述黏性土试样的应变速率，并使所述黏性土试样基于所述应变速率进行拉伸；当所述黏性土试样变形至破坏时，记录试验结果；所述试验结果包括所述黏性土试样的三轴拉伸不排水强度值，实现了基于三轴拉伸开展异性固结不排水拉伸试验，从而准确的确定了土体强度及参数，进而对需要获取土体强度及参数的工程项目具有一定参考及指导意义。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的一种针对黏性土的三轴拉伸试验方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例中提供的一种饱和及固结过程中各压力变化示意图；

图3是本发明实施例中提供的一种拉伸试验应力路径示意图；

图4是本发明实施例中提供的一种偏应力及超孔隙水压力随轴向应变变化曲线示意图；

图5是本发明实施例中提供的一种偏应力对比曲线示意图；

图6是本发明实施例中提供的一种超孔隙水压力对比曲线示意图；

图7是本发明实施例中提供的一种应力路径对比曲线示意图；

图8是本发明实施例中提供的一种三轴拉伸与压缩标准强度分布示意图；

图9是本发明实施例中提供的一种试验偏应力及标准强度结果示意图；

图10是本发明实施例中提供的一种用于展示同一试样不同固结压力下拉伸偏应力及临界孔隙比的示意图；

图11是本发明实施例中提供的一种不同固结压力下应力路径曲线示意图；

图12是本发明实施例中提供的一种临界状态线及应力比示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

工程实践中主要利用土体的抗压或抗剪强度来判断土体在荷载下抵抗破坏的能力，土体抗拉强度较低，一般不主动作为拉伸材料使用，且拉伸试验对仪器设备性能要求较高，试验过程中存在一些内在不稳定因素，不易准确测定。工程中对抗拉指标的忽视，是对土体强度一种较为保守的估计，难免造成设计中的浪费。土体承受拉应力有时是不可避免的，近年来大量海上风力发电工程中风电塔或输电线路铁塔，在水平荷载作用下会引起塔基周边土体发生张拉破坏；基坑支护中的深层搅拌桩，侧向荷载增大时由于土体抗拉强度小造成的弯曲破坏；深基坑开挖中支护结构的被动土压力侧也会出现受拉的情况；心墙土石坝工程中，在外部坝壳料的拱效应作用下，由于内外部沉降差，心墙土料会受到拉应力作用可能产生拉裂破坏；高大建筑物周围土体也常常受到拉应力作用、隧道顶部稳定性等问题也需要考虑拉伸强度，随着高层建筑、风电塔、隧道等的增多，需要考虑抗拉的土工结构也越来越多。因此，正确认识土体抗拉性能、准确测量相关强度指标变得尤为重要。

在相关技术中，本领域技术人员在改造仪器的基础上，研究了不同土体的单轴拉伸试验方法，参考文献：李广信，陈轮，郑继勤等.纤维加筋黏性土的试验研究[J].水利学报；张辉，朱俊高，王俊杰等.击实砾质土抗拉强度试验研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25(S2):4186-4190，1995(6):31–36；陈有亮，王明，徐珊，等.上海人工冻结软黏土抗压抗拉强度试验研究[J].岩土工程学，2009，31(7):1046-1051；张云，王惠敏，鄢丽芬.击实黏土单轴拉伸特性试验研究[J].岩土力学，2013，34(8):2151–2157。

除此之外，本领域技术人员基于心墙原土的三轴拉伸试验中试样变形过程及断裂形式分析，认为随着周围压力的不同，试样破坏可以分为纯拉断、先剪切伸长后拉断、纯剪切三种形式，参考文献：周鸿逵.三轴拉伸试验中试样的断裂机理[J].岩土工程学报，1984(03):11-23。本领域技术人员开展了饱和重塑黏土的三轴拉伸及压缩对比试验，认为试样应力应变及体变特性决定于其超固结比，并分析了摩尔库伦准则及Hvorslev参数的适用性，参考文献：Parry，Hg R.Triaxial Compression and Extension Tests on RemouldedSaturated Clay[J].Géotechnique，1960，10(4):166-180。本领域技术人员进行了干砂的三轴拉伸试验，认为试样初始密度对其破坏形式影响较大，密实砂颈缩区域位于试样上部，且会逐渐形成一个或者两个交叉剪切面，而松散砂颈缩部位位于试样中部，无明显剪切面形成，参考文献：Knodel P C，Wei W，Kolymbas D.On Some Issues in TriaxialExtension Tests[J].Geotechnical Testing Journal，1991，24(3):276-287。本领域技术人员在不同应变速率下对香港地区海相沉积土进行三轴压缩及拉伸试验，得出应变速率每增加一个数量级，压缩强度增大8.6％，拉伸强度则增大12.1％的结论，参考文献：Chun-manCHENG，Jian-hua YIN.Strain-Rate Dependent Stress--Strain Behavior ofUndisturbed Hong Kong Marine Deposits under Oedometric and Triaxial StressStates[J].Marine Georesources and Geotechnology，2005，23(1-2):61-92；Jian-huaYIN，Chun-man CHENG.Comparison of Strain-rate Dependent Stress-Strain Behaviorfrom K0-consolidated Compression and ExtensionTests onNatural Hong KongMarine Deposits[J].Marine Georesources and Geotechnology，2007，24(2):119-147。本领域技术人员研究了非饱黏性土的抗拉强度及抗剪强度关系，认为内聚力及内摩擦角在一定范围内都随含水率的增大而减小，提出在无拉伸试验数据的情况下，可通过相应物理性状的剪切试验结果推算非饱和黏性土的抗拉强度，参考文献：朱崇辉，刘俊民，严宝文，等.非饱和黏性土的抗拉强度与抗剪强度关系试验研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(S2):3453-3458。本领域技术人员还研究了k0固结饱和黏土三轴压缩与拉伸循环强度之间的关系，确定了不同循环破坏次数对应的摩尔库伦准则，认为据此的预测值小于实测结果，参考文献：王建华，赵晨玲，赵致艺.k0固结饱和粘土三轴压缩与拉伸循环强度之间的关系[C].第八届全国土动力学学术会议论文集:2010:13-17。

此外，原位土体一般都具有各向异性特点，而工程项目中获取抗压或抗剪强度几乎都是基于等向固结后的三轴压缩试验，很多经验值也是建立在此基础上，这并不符合实际应力状态。从目前国内外研究可以看出，拉伸试验早期研究多集中在单轴拉伸试验方面，后续三轴拉伸试验很多也是基于重塑土、砂土或非饱和土，并没有针对饱和黏性土基于三轴拉伸开展试验的相关记载，更没有基于异性固结的三轴拉伸试验的相关记载。

参照图1，示出了本发明实施例中提供的一种针对黏性土的三轴拉伸试验方法的步骤流程图，具体可以包括如下步骤：

步骤101，安装黏性土试样，并确定所述黏性土试样的饱和度；

本发明实施例可以先安装黏性土试样，然后确定黏性土试样的饱和度。

在本发明的一个可选的实施例中，本发明实施例可以应用于应力路径三轴仪，例如，GDS品牌的应力路径三轴仪。

应力路径三轴仪可以包括主机，主机则可以包括底座、压力室，底座可以具有对应的试样帽和拉伸帽，在本发明的一个可选地实施例中，安装黏性土试样的步骤可以包括：

依次在底座上放置透水石、滤纸，和所述黏性土试样，并采用橡皮膜包裹所述透水石、所述滤纸，和所述黏性土试样；

将所述试样帽和所述拉伸帽进行嵌套组装，并将经嵌套组装的所述试样帽和所述拉伸帽安装于所述橡皮膜顶部；

向所述压力室内注入脱气水，直至所述脱气水从所述压力室顶部的溢水孔中溢出。

在实际应用中，安装试样时，滤纸条以螺旋状方式贴于试样表面，可减小对试验的影响，且无需对滤纸条的张拉应力进行修正，所以，可选地，本发明实施例的滤纸可以是螺旋状滤纸。并且，由于试样帽和拉伸帽之间产生的摩擦力会扰动试样，且出于密封性的需要，所以，在本发明的一个可选地实施例中，可以在拉伸帽的帽壁上涂抹润滑油，并将试样帽和经涂抹润滑油的拉伸帽进行嵌套组装，示例性地，润滑油可以是硅油。

在完成对黏性土试样进行安装后，本发明实施例可以确定黏性土试样的饱和度，例如，可以采用应力路径三轴仪中的B值检测模块B-check确定黏性土试样的饱和度，在具体实现中，第一次检测黏性土试样的饱和度可以是黏性土试样的初始饱和度。

步骤102，判断所述黏性土试样的所述饱和度是否大于或等于预设阈值；若所述黏性土试样的所述饱和度小于预设阈值，则执行步骤103；

本发明实施例可以判断黏性土试样的饱和度是否大于或等于预设阈值，当黏性土试样的饱和度小于预设阈值时，则可以使黏性土试样进入饱和阶段。

可选地，若判断黏性土试样的饱和度是否大于或等于预设阈值的结果为，黏性土试样的饱和度大于或等于预设阈值，则可以直接执行确定黏性土试样的固结方式的步骤。

步骤103，在预设时间内，根据所述饱和度对所述黏性土试样施加围压和反压；

具体地，可在预设时间内，根据饱和度对黏性土试样分级施加围压和反压，其中，围压可以是一个模拟力，即，模拟黏性土试样的周围土体对它施加的压力，而反压则是对试样内部的水施加压力。

可选地，围压和反压的压力差可以处于5千帕-20千帕之间，预设时间至少为24小时。

步骤104，当所述黏性土试样的孔压稳定后，再次判断所述黏性土试样的饱和度是否大于或等于预设阈值；

本发明实施例可以在黏性土试样完成饱和阶段后，当黏性土试样的孔压稳定后，再次判断黏性土试样的饱和度是否大于或等于预设阈值。

在实际应用中，由于当黏性土试样的孔压稳定则可以代表黏性土试样不能排水，也不能有水进入黏性土试样中，所以，当黏性土试样的孔压稳定后，可以再次判断黏性土试样的饱和度是否大于或等于预设阈值，例如，采用应力路径三轴仪中的B值检测模块B-check判断黏性土试样的饱和度是否大于或等于预设阈值，具体地，可以关闭排水阀，设置围压升高50kPa，待孔压稳定后，计算B值检验饱和效果，B值可以是孔压的增量除以围压的增量。

当黏性土试样的饱和度大于或等于预设阈值时，则代表黏性土试样满足进入固结阶段的条件，可选地，预设阈值可以为95％，例如，当黏性土试样的饱和度为98％时，可以进入固结阶段。

由于经施加围压反压的黏性土试样仍可能达不到预设阈值，所以，在本发明的一个可选地实施例中，当再次判断所述黏性土试样的饱和度是否大于或等于预设阈值后，所述黏性土试样的饱和度仍小于预设阈值时，则重新执行所述在预设时间内，根据所述饱和度对所述黏性土试样施加围压和反压的步骤，直至黏性土试样的饱和度大于或等于预设阈值。

步骤105，当所述黏性土试样的饱和度大于或等于预设阈值时，则确定所述黏性土试样的固结方式；

本发明实施例可以在黏性土试样满足进入固结阶段的条件时，确定所述黏性土试样的固结方式，在实际应用中，黏性土试样具有不同的固结方式，例如，等应力比异性固结、k₀异性固结(室内土样在侧限条件完成的固结，称为k₀异性固结)等等，而针对不同的固结方式，也有着不同的固结操作，所以，本发明实施例需要在黏性土试样进入固结阶段时先确定黏性土试样的固结方式。

步骤106，当所述固结方式为等应力比异性固结时，通过调整针对所述黏性土试样的轴向总应力值、径向总应力值和加载时间，控制针对所述黏性土试样的固结速率，并使所述黏性土试样基于所述固结速率进行固结；

当固结方式为等应力比异性固结时，本发明实施例可以通过调整针对黏性土试样的轴向总应力值、径向总应力值和加载时间，控制针对黏性土试样的固结速率，并使所述黏性土试样基于固结速率进行固结。

例如，可以打开排水阀门，通过高级加载模块advanced loading设定好轴向和径向总应力目标值及加载时间，使两者按照设定的速率缓慢加载，具体地，黏性土试样开始异性固结，孔压逐渐上升，总应力达到目标值后保持稳定，此时，孔压会进一步消散，待有效轴力达到目标值后可进入下一步，此过程应尽量缓慢进行，防止产生过大的超孔隙水压力，黏性土比砂质土需要更多的固结时间，固结稳定标准为孔压消散达到95％以上，及体积变化每小时小于0.1cm³。

在本发明的一个可选地实施例中，所述方法还可以包括：

当所述固结方式为k₀异性固结时，监测针对所述黏性土试样的排水量；

在所述黏性土试样在进行固结的过程中，根据所述排水量调整所述轴向总应力值和所述径向总应力值，使所述黏性土试样在不产生径向变形的状态下，控制所述黏性土试样缩小的体积等于排水体积。

例如，当固结方式为k₀异性固结时，可以采用固结模块k₀-consolidation设定好目标轴力使试样缓慢开始固结，固结模块的控制器可以根据排水量实时调整径向及轴向荷载大小，使排水体积与试样减小体积相等，从而保证不产生径向变形。

步骤107，当所述黏性土试样处于不排水，且所述围压不变的状态下，调整所述轴向总应力值，控制针对所述黏性土试样的应变速率，并使所述黏性土试样基于所述应变速率进行拉伸；

步骤108，当所述黏性土试样变形至破坏时，记录试验结果；所述试验结果包括所述黏性土试样的三轴拉伸不排水强度值。

本发明实施例可以当黏性土试样处于不排水，且围压不变的状态下，调整轴向总应力值，控制针对黏性土试样的应变速率，并使黏性土试样基于所述应变速率进行拉伸，并当黏性土试样变形至破坏时，记录试验结果，具体地，试验结果可以包括黏性土试样的三轴拉伸不排水强度值。

可选地，应变速率可以为-1％/h。

例如，在黏性土试样完成固化阶段后，可以通过应力路径三轴仪的高级加载模块advanced loading，设置轴向位移为负值，通过控制应变速率为-1％/h，从而使轴力缓慢减小，围压保持不变，关闭排水阀门，试样处于不排水状态，随着轴力减小，黏性土试样逐渐产生变形直至破坏，并在黏性土试样变形至破坏时，记录至少包括黏性土试样的三轴拉伸不排水强度值的试验结果。

本发明实施例通过，安装黏性土试样，并确定所述黏性土试样的饱和度；判断所述黏性土试样的所述饱和度是否大于或等于预设阈值；若所述黏性土试样的所述饱和度小于预设阈值，则在预设时间内，根据所述饱和度对所述黏性土试样施加围压和反压；当所述黏性土试样的孔压稳定后，再次判断所述黏性土试样的饱和度是否大于或等于预设阈值；当所述黏性土试样的饱和度大于或等于预设阈值时，则确定所述黏性土试样的固结方式；当所述固结方式为等应力比异性固结时，通过调整针对所述黏性土试样的轴向总应力值、径向总应力值和加载时间，控制针对所述黏性土试样的固结速率，并使所述黏性土试样基于所述固结速率进行固结；当所述黏性土试样处于不排水，且所述围压不变的状态下，调整所述轴向总应力值，控制针对所述黏性土试样的应变速率，并使所述黏性土试样基于所述应变速率进行拉伸；当所述黏性土试样变形至破坏时，记录试验结果；所述试验结果包括所述黏性土试样的三轴拉伸不排水强度值，实现了基于三轴拉伸开展异性固结不排水拉伸试验，从而准确的确定了土体强度及参数，进而对需要获取土体强度及参数的工程项目具有一定参考及指导意义。

在上述实施例的基础上，提出了上述实施例的变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

在本发明的一个可选地实施例中，所述根据所述饱和度对所述黏性土试样施加围压和反压的步骤包括：

按照预设级数划分层级，根据所述饱和度对所述黏性土试样逐级施加围压和反压；所述围压的压力值和所述反压的压力值，与所述层级的级数成正比。

在实际应用中，一次性将围压和反压调至目标压力值，往往会对试样造成扰动，所以，本发明实施例可以为黏性土试样按照不同的分多个层级施加荷载，随着层级的增大，施加在黏性土试样上的围压和反压也逐级增大，从而使黏性土试样能够逐级提升饱和度。

例如，如黏性土试样饱和度较低且黏性土试样较硬时，可将围压(cp)和反压(bp)分5级施加到200kPa、190kPa，如第一级cp:30kPa，bp：20kPa；第二级cp:80kPa，bp：70kPa；第三级cp:130kPa，bp：120kPa；第四级cp:180kPa，bp：170kPa；第五级cp:200kPa，bp：190kPa；每一级施加围压及反压后，均应等待孔压稳定后进行下一级加荷。如果饱和度低于50％，则可以将围压(cp)和反压(bp)分5级施加到300kPa，280kPa。

本发明实施例，通过按照预设级数划分层级，根据所述饱和度和所述硬度对所述黏性土试样逐级施加围压和反压；所述围压的压力值和所述反压的压力值，与所述层级的级数成正比，从而减小了对试样的扰动，进而提升了针对黏性土的拉伸试验准确性。

在本发明的一个可选地实施例中，所述试验结果包括所述黏性土试样拉伸至破坏时，所述黏性土试样的破坏面的含水率。

在实际应用中，破坏面的含水率可以用于对比研究破坏面处含水率和初始含水率，以及破坏后试样其他位置含水率的差别，所以，本发明实施例可以在记录试验结果时，记录黏性土试样的破坏面的含水率。

在本发明的一个可选地实施例中，所述黏性土试样应变率达到20％时停止试验。

在实际应用中，绝大部分的黏性土试样应变率达到20％都会被破坏，若黏性土试样应变率达到20％时还未被破坏，则代表该黏性土试样的拉伸强度满足施工指标，无需对其进一步检测，所以，本发明实施例可以在黏性土试样应变率达到20％时停止试验。

为使本领域技术人员更好地理解本发明实施例，以下用一完整示例对本发明实施例进行说明。

为分析试验过程中应力应变特点，引入剑桥参数p、q，即平均主应力及第二主应力不变量，其计算公式如下：

公式一：

公式二：

公式三：

式中：σ₁ σ₂ σ₃分别为大、中、小总主应力，当σ₂＝σ₃时，q＝q'＝σ₁-σ₃，即为偏应力。

三轴压缩试验中大、小主应力方向分别为轴向、径向，而拉伸试验中围压保持不变，轴压逐渐减小，大、小主应力方向和压缩中相反，为了防止混淆压缩和拉伸试验中不同方向的应力，可以用σ_a和σ_r表示试验过程中的轴向和径向应力。因此式公式一、公式二、公式三变为：

公式四：

公式五：

公式六：

q＝q′＝σ_a-σ_r

准备阶段：

检查仪器各传感器连接状态，确保通讯正常。用脱气水排出底座及轴力、反压控制器、孔压传感器管路中的空气。

安装试样阶段：

依次在底座上放置透水石、圆形滤纸，软土试样侧壁建议采用螺旋状贴滤纸的方式，可减少对试样刚度的影响，套上橡皮膜后，在试样顶部安装试样帽，然后在拉伸帽内壁均匀地抹上硅油润滑，套于试样帽上，此过程须尽可能减小对试样的扰动，将压力室内注满脱气水，直至从顶部溢水孔溢出。

饱和及异性固结过程：

采用分级施加围压及反压的方式对试样进行饱和，当饱和度达到0.95时即认为饱和完成。安装试样时，滤纸条以螺旋状方式贴于试样表面，可减小对试验的影响，且无需对滤纸条的张拉应力进行修正。

由于试验所采用的固结围压并不统一，有的采用上覆荷载，有的则用了常规试验中的100kPa至400kPa，有的则考虑平均有效应力。可以对轴向固结应力统一使用原位有效上覆压力，且以此为基准将偏应力峰值确定的强度进行归一化处理，以无量纲数σ_a'-σ_r'/σ_V0'作为试样标准强度进行分析，既方便对比又能考虑试样埋深的影响。

参考图2，图2是本发明实施例中提供的一种饱和及固结过程中各压力变化示意图，图2表达了试样饱和及固结过程中轴压、围压、孔压及反压随时间的变化，分级饱和过程中轴压与围压相等，两者曲线重合且与反压有一定压力差，在饱和的同时防止试样膨胀。异性固结阶段，反压保持不变，围压、轴压逐渐加荷至目标值后保持稳定，孔压先升高后开始消散，直至稳定。

拉伸阶段：

为使拉伸过程中超孔隙水压力分布均匀，应变速率设为1％/h。试样在轴向应力缓慢减小时首先发生轴向均匀伸长及径向收缩，随着偏应力的增大，试样中薄弱位置会产生较大的径向变形从而使此处的截面积小于其他部位，应力在此集中会让试样应变局部化现象更加明显，从而产生了一定程度的颈缩，拉伸试验中的颈缩现象会增大试验过程中的不稳定因素，这也是试验结果离散的最重要原因。

参考图3，图3是本发明实施例中提供的一种拉伸试验应力路径示意图，异性固结、拉伸过程的应力路径见图3，其中AB段为异性固结及稳定阶段，由于固结之前为饱和阶段，试样内外有10kPa压差，故A点不是从原点出发。BC段为拉伸过程中的总应力路径，BD则为有效应力路径，两者之间的横坐标差值即为超孔隙水压力Δu，因拉伸过程中超孔隙水压力为负值，有效应力路径在总应力的右边，这点不同于压缩试验。拉伸过程中轴向荷载σ_a减小，径向荷载σ_r

保持不变，由公式四和公式六可知：

Δq＝Δσ_a

故Δq/Δp＝3因此总应力路径BC段斜率为3。

参考图4，图4是本发明实施例中提供的一种偏应力及超孔隙水压力随轴向应变变化曲线示意图，因异性固结阶段轴向荷载大于径向荷载，拉伸刚开始时偏应力为正值，随着轴向荷载减小偏应力迅速变为负值，标志着大小主应力的方向发生了反转，轴向为小主应力方向，径向为大主应力方向。拉伸过程中超孔隙水压力为负值，其绝对值随着应变的增大而增大，变化和偏应力同步。从应力应变曲线可以看出，拉伸试验呈应变硬化破坏模式。

参考图5，图5是本发明实施例中提供的一种偏应力对比曲线示意图，参考图6，图6是本发明实施例中提供的一种超孔隙水压力对比曲线示意图，参考图7，图7是本发明实施例中提供的一种应力路径对比曲线示意图，图5-图7为四个不同试样的等向固结压缩及异性固结拉伸对比曲线，拉伸试验的偏应力、孔隙水压力变化特点不同于压缩，前者应变硬化趋势较明显。从图5、图6偏应力及孔压曲线可以看出，应变较小时拉伸试样中的应力及孔压变化速率比压缩试验中慢，随着应变增大，当压缩试验中偏应力及孔压基本稳定或略有下降时，拉伸试验中偏应力及孔压的绝对值迅速增大，最后趋于稳定没有峰值，如图7所示，此时压缩应力路径会出现第二次反转呈“S”型，而拉伸试验则为“L”型。

三轴拉伸与压缩不排水强度对比：

由于拉伸强度为负值，压缩强度为正值，对比分析时拉伸强度取绝对值。q_CAUE、q_CIUC分别表示异性固结三轴拉伸与等向固结三轴压缩标准强度，

其分布可以参考图8，图8是本发明实施例中提供的一种三轴拉伸与压缩标准强度分布示意图，由试验结果可得：拉伸与压缩标准强度之比q_CAUE/q_CIUC介于0.43-0.76之间，平均值为0.58，即：

公式七：

从试验可以得出：模拟原位应力的异性固结三轴不排水拉伸强度远小于等向固结不排水压缩强度，前者是后者的0.58倍。

根据工程现场土层分布情况，可以分析出粉质黏土、淤泥质粉质黏土及黏土层，拉伸与压缩标准强度比值的均值分别为：0.55、0.62、0.64，其中，粉质黏土层标准差为0.11，变异系数为0.20。参考图9，图9是本发明实施例中提供的一种试验偏应力及标准强度结果示意图，图9示出了经过试验得到的三轴拉伸试验结果，在工程实践中，如果不具备三轴拉伸试验条件，可以根据土层划分情况，应用图9中的等向固结试验结果数据进行换算。

临界状态分析：

根据临界状态理论，试样在不同应力路径下、达到一定应变后进入临界状态时的孔隙比与有效平均主应力是一一对应关系，且应力比满足：

公式八：

q＝M_ep′

公式九：

式中：q、p'分别为临界状态时偏应力及有效平均主应力，M_e为临界应力比，下标e代表拉伸试验。

为临界状态时有效内摩擦角。

为分析拉伸过程中临界状态特点，同时验证其适用性，将15号试样在6级不同应力下固结后开展拉伸试验，试样编号依次为15-1至15-6，其结果可以参考图10，图10是本发明实施例中提供的一种用于展示同一试样不同固结压力下拉伸偏应力及临界孔隙比的示意图，固结、拉伸过程应力路径可以参考图11，图11是本发明实施例中提供的一种不同固结压力下应力路径曲线示意图。

参考图12，图12是本发明实施例中提供的一种临界状态线及应力比示意图，图12示出了根据6个试样应力路径所确定的临界状态线斜率M_e为0.882，根据式公式九可以得出有效内摩擦角为31.1°。

临界孔隙比、偏应力和平均主应力关系曲线如图12所示，临界孔隙比随平均主应力增大而减小，小围压时试样处于超固结状态，其应力分布略高于拟合的M_e线，表现出一定的非线性，超固结比越大，偏离越多，当试样进入正常固结阶段后，应力比M_e趋于稳定，线性关系较好。从图12可以得出应力比M_e值为0.887，对应内摩擦角为31.3°。图11、12中所确定的内摩擦角略有差别，前者M_e值为综合考虑了各试样强度包络线所得，为一平均值，后者则根据实测的q、p'值拟合曲线确定斜率，两者差别不大，表明各试样间差异不大，土质较均匀、结果可靠，同时验证了临界状态理论也适用于异性固结三轴拉伸试验。

通过以上基于三轴拉伸对饱和黏性土进行了异性固结不排水拉伸和等向固结不排水压缩试验结果，可以得出结论：

(1)异性固结三轴不排水拉伸强度远小于等向固结不排水压缩强度，前者是后者的0.58倍。

(2)异性固结更能反映原位土体真实应力状态，在无异性固结拉伸条件时，不同土层可通过常规等向固结三轴压缩试验结果换算异性固结三轴拉伸不排水强度。

(3)三轴拉伸试验呈应变硬化破坏模式，试样首先发生轴向均匀伸长及径向收缩，随着应变局部化会让试样产生一定颈缩而造成应力集中。拉伸过程中超孔隙水压力为负值，其变化趋势和偏应力同步，绝对值随着应变的增大而增大，拉伸应力路径呈L型。

(4)临界状态理论适用于异性固结三轴拉伸试验，临界孔隙比随着平均主应力增大而减小，试样处于超固结状态时，应力比表现出非线性，其临界状态应力分布略高于拟合的M_e线，进入正常固结阶段后，应力比趋于稳定，线性关系较好。

需要说明的是，对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。

Claims (10)

1.一种针对黏性土的三轴拉伸试验方法，其特征在于，包括：

安装黏性土试样，并确定所述黏性土试样的饱和度；

判断所述黏性土试样的所述饱和度是否大于或等于预设阈值；

若所述黏性土试样的所述饱和度小于预设阈值，则在预设时间内，根据所述饱和度对所述黏性土试样施加围压和反压；

当所述黏性土试样的孔压稳定后，再次判断所述黏性土试样的饱和度是否大于或等于预设阈值；

当所述黏性土试样的饱和度大于或等于预设阈值时，则确定所述黏性土试样的固结方式；

当所述固结方式为等应力比异性固结时，通过调整针对所述黏性土试样的轴向总应力值、径向总应力值和加载时间，控制针对所述黏性土试样的固结速率，并使所述黏性土试样基于所述固结速率进行固结；

当所述黏性土试样处于不排水，且所述围压不变的状态下，调整所述轴向总应力值，控制针对所述黏性土试样的应变速率，并使所述黏性土试样基于所述应变速率进行拉伸；

当所述黏性土试样变形至破坏时，记录试验结果；所述试验结果包括所述黏性土试样的三轴拉伸不排水强度值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

当再次判断所述黏性土试样的饱和度是否大于或等于预设阈值后，所述黏性土试样的饱和度仍小于预设阈值时，则重新执行所述在预设时间内，根据所述饱和度对所述黏性土试样施加围压和反压的步骤。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述饱和度对所述黏性土试样施加围压和反压的步骤包括：

按照预设级数划分层级，根据所述饱和度对所述黏性土试样逐级施加围压和反压；所述围压的压力值和所述反压的压力值，与所述层级的级数成正比。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述围压和所述反压的压力差处于5千帕-20千帕之间。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

当所述固结方式为k₀异性固结时，监测针对所述黏性土试样的排水量；

在所述黏性土试样在进行固结的过程中，根据所述排水量调整所述轴向总应力值和所述径向总应力值，使所述黏性土试样在不产生径向变形的状态下，控制所述黏性土试样缩小的体积等于排水体积。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述试验结果包括所述黏性土试样拉伸至破坏时，所述黏性土试样的破坏面的含水率。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

所述黏性土试样应变率达到20％时停止试验。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法应用于应力路径三轴仪，所述应力路径三轴仪包括主机，所述主机包括底座、压力室，所述底座具有对应的试样帽和拉伸帽，所述安装所述黏性土试样的步骤包括：

依次在底座上放置透水石、滤纸，和所述黏性土试样，并采用橡皮膜包裹所述透水石、所述滤纸，和所述黏性土试样；

将所述试样帽和所述拉伸帽进行嵌套组装，并将经嵌套组装的所述试样帽和所述拉伸帽安装于所述橡皮膜顶部；

向所述压力室内注入脱气水，直至所述脱气水从所述压力室顶部的溢水孔中溢出。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述将所述试样帽和所述拉伸帽进行嵌套组装的步骤包括：

在所述拉伸帽的帽壁上涂抹润滑油，并将所述试样帽和经涂抹润滑油的所述拉伸帽进行嵌套组装。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述滤纸为螺旋状滤纸。

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