如何做好三軸試驗（二）？試驗儀器調(diào)試及參數(shù)的測試

如何做好三軸試驗（二）

二、試驗——從儀器調(diào)試到測試參數(shù)

１.根據(jù)試驗對排水的要求，選擇組成測試系統(tǒng)的部件。

⑴根據(jù)試樣大小和測試要求配置壓力室。按試樣尺寸區(qū)分，有大（101×200）、中（61.8×125）、小（39.1×80）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，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測量系統(tǒng)隨著計算機(jī)應(yīng)用的普及，計量技術(shù)快速發(fā)展。各種先進(jìn)的電測手段，全面取代傳統(tǒng)的測量裝置。對試驗人員具有符合型技能的要求更為迫切。

ａ.孔隙水壓力測量裝置

現(xiàn)在普遍用壓力傳感器取代零位指示器測試孔隙水壓力。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。從試樣安裝到試驗結(jié)束，保持通道不含空氣。國標(biāo)對通道水的剛性有明確規(guī)定，要求孔隙壓力量測系統(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.軸向力測量

采用電測后，力傳感器逐漸取代測力環(huán)加位移傳感器，作為軸向力的測量裝置；水下荷重傳感器是今后儀器改進(jìn)的方向，因為它無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、在校驗期內(nèi)的量具，可以減少測試誤差。

ｃ.位移測量

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

ｄ.體積變化測量

傳統(tǒng)的三軸儀使用雙層體變管，細(xì)長型玻璃量管測量試樣的體積變化量；在數(shù)據(jù)采集的電測中，使用差壓傳感器；先進(jìn)的程序控制（全自動）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,可以計算到1%ml的體變量。

⑸對透水石、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)置合理的試驗參數(shù)

⑴周圍壓力系列（σ₃）須按工程實際荷載設(shè)置。其中，小級應(yīng)略大于上覆土層自重壓力下的側(cè)壓力，大級應(yīng)略大于實際承受的大壓力（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試驗不測孔壓，應(yīng)變速率可稍快,取0.5-1%/min（如h=80mm為0.4-0.8mm/min）； CU'試驗要測孔壓，為使試樣底部的測值與上部孔壓一致，要視土的粒度、密度選擇相宜的應(yīng)變速率。對一般粘性土較UU試驗慢1/10，即0.04-0.08mm/min；CD試驗測的是土有效應(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試驗終點(diǎn)的預(yù)設(shè)，對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。

⑷其它試驗參數(shù)，要根據(jù)控制試驗軟件的設(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，對于變化直觀的量表，按照目測調(diào)整零點(diǎn)；對于無法直觀的量表則采用動態(tài)調(diào)整，即按應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化確定。

⑵關(guān)于一個試樣多級加載的三軸試驗

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

但是，在試驗中土的應(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)。對于每級加載測試中，在缺乏完整應(yīng)力應(yīng)變記錄時決定試驗終點(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終止軸壓。而做到這點(diǎn)絕非易事，對于缺乏經(jīng)驗的操作者尤其如此；還有，分級加載是一種連續(xù)的試驗。為了避免次級圍壓加后土樣出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，所加圍壓要大于前級大主應(yīng)力極值。如果首級圍壓稍大，終的圍壓會大大高于實際，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試樣的特殊情況下采用，并不建議取代常規(guī)方法。

多級加載三軸試驗的操作要點(diǎn)是：

ａ.首級圍壓下會經(jīng)過較大軸向應(yīng)變（5～10%）破壞面傾角形成。后續(xù)各級圍壓下的試驗，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)各級加載試驗，可以適當(dāng)降低應(yīng)變速率，以便操作者有充分時間判斷測試終點(diǎn)。

ｂ.前一級試驗終點(diǎn)的試樣高度和面積，就是后一級加載試驗時的初始高度和面積。

ｃ.施加次級圍壓試驗時有兩種方式：

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

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

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

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

※ 試樣出現(xiàn)可見的滑動面；

※ 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，預(yù)先設(shè)定三級軸向應(yīng)變的近似值：如10%、15%、18%，或16%、18%、20%；

※ 對于CU試驗，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)力路徑的測點(diǎn)趨于密集時，表明試樣已接近或處于臨界狀態(tài)。