三轴实验与软土性质分析探究

三轴实验与软土性质分析探究

谢治堃刘勇健武建胜

广东工业大学广东省广州市510006

摘要：三轴实验是检测图抗剪强度的重要方法，可以通过对于土质的剪切力测试来对软土性质进行分析，本文通过三轴实验对于软土的相关性质展开探讨，为其应用提出思路。

关键词：三轴实验；软土性质；分析探究

1引言

软土一般指外观以灰色为主，天然孔隙比大于或等于1.0,且天然含水量大于液限的细粒土。包括淤泥、淤泥质土（淤泥质粘性土粉土）、泥炭等。主要是由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土。软土是指滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。

2三轴实验

三轴剪切试验是测量许多可变形固体，特别是软土（例如砂、粘土）和岩石以及其它颗粒材料或粉末的机械性能的常用方法，测试它们的性质有哪些变化。在三轴剪切试验中，以一个不同于垂直方向上的应力的方式，把应力施加到被测试材料样品上。这通常需要通过将样品放置在两个平行压板之间并且向样品施加流体压力以在垂直方向施加应力来实现，需要允许在三个正交方向中应用不同应力水平的测试装置。在试验装置中应用不同的应力会导致样品中产生剪切应力;可以增加负载并监测变形，直到样品失效。在测试期间，周围的流体被加压，并且压板上的应力增加，直到气缸中的材料失效并且在其内部形成剪切带滑动区域。在三轴试验中剪切的几何形状通常导致样品变得更短，同时沿侧面隆起。然后减小压板上的压力，并且水压将侧面推回，使样品再次变高。该循环通常重复多次，同时收集关于样品的应力和应变数据。在测试期间，可以使用Bishop的孔隙压力装置来测量样品中的流体（例如水、油）或气体的孔隙压力。从三轴试验数据可以提取关于样品的基本材料参数，包括其抗剪切角度，表观内聚力和膨胀角。然后在计算机模型中使用这些参数来预测材料在较大规模工程应用中的性质，例如预测一个坡面上软土的稳定性，边坡是否会倒塌或者软土是否会支撑斜坡的剪切应力并保持原位。三轴测试与其他测试一起使用以进行这样的工程计算。

在剪切过程中，粒状材料通常具有净增益或体积损失。如果它最初处于密集状态，那么它通常会增加体积，这就是雷诺兹的稀释性。如果原本处于非常松散的状态，则剪切开始之前或与剪切结合可能会发生收缩。有时，在无约束压缩测试中，无粘性样品的测试不受限制的压力。这需要更简单和更便宜的装置和样品制备，尽管适用性限于当暴露时侧面不会破碎的样品，并且约束应力低于原位应力，导致可能过于保守的结果。对于混凝土强度试验进行的压缩试验基本上是相同的试验，对于较大样品设计的设备和典型的混凝土试验的较高载荷。

3软土性质分析

软土的天然含水量一般为50%～70%，最大甚至超过200%。液限一般为40%～60%，天然含水量随液限的增大成正比增加。天然孔隙比在1～2之间，最大达3～4。其饱和度一般大于95%，因而天然含水量与其天然孔隙比呈直线变化关系。软土的如此高含水量和高孔隙性特征是决定其压缩性和抗剪强度的重要因素。对于软土样品，试样被包含在圆柱形乳胶套筒中，平坦的圆形金属板或压板封闭顶端和底端。该气缸被放置在液压液体的浴中以沿气缸的侧面提供压力。然后，顶部压板可以沿着圆柱体的轴线被机械地驱动上下移动以挤压材料。随着周围水的压力被小心地控制，上压板行进的距离作为移动它所需的力的函数被测量。材料的净体积变化也可以通过多少水在周围的浴中进出的量来衡量，但通常是通过测量流入或流出的水的量来测量的。软土的渗透系数一般在1×10-4～1×10-8cm/s之间，而大部分滨海相和三角洲相软土地区，由于该土层中夹有数量不等的薄层或极薄层粉、细砂、粉土等，故在水平方向的渗透性较垂直方向要大得多。由于该类土渗透系数小、含水量大且饱和状态，这不但延缓其土体的固结过程，而且在初期，常易出现较高的孔隙水压力，对地基强度有显著影响。软土对于高强度的测试，套管需要用薄金属片而不是胶乳。强力岩石的三轴测试很少做，因为破碎岩石样品所需较大的压力和昂贵的测试设备。样品上的有效应力可以通过在一个压板上使用多孔表面并在测试过程中测量流体（通常为水）的压力来测量，然后从总应力和孔隙压力计算有效应力。均质和各向同性样品由于样品中的剪切应力而失效。具有不连续性的样品使得在测试期间将产生最大剪切应力的平面，样品将由于沿着不连续性的剪切位移而失效，因此，剪切强度可以计算土质的不连续性。

软土的抗剪强度小且与加载荷速度及排水固结条件密切相关，不排水三轴测试抗剪强度值很小，且与其侧压力大小无关。排水条件下的抗剪强度随固结程度的增加而增大。在较大的变形幅度下，经典施工的三轴试验采用在试样内施加的不均匀应力和应变场。剪切区域内的高度局部不连续性是由粗糙端板和样品高度的组合引起的。经典设备使用粗糙的端板，活塞头的整个表面由粗糙的多孔过滤器组成。在升级的设备中，坚固的端板被光滑抛光的玻璃替代，中心有一个小过滤器。这种构造允许样品在沿抛光玻璃滑动时水平滑动扩展。因此，样品和端板之间的接触区域不会产生剪切摩擦，并且维持样品内的线性应力场。此外，各向同性屈服使样品在轴向压缩时以均匀的方式径向膨胀。即使在大的应变振幅下，圆柱形样品的壁保持直立和垂直。称重传感器被浸没并与试样的上压头直接接触。变形传感器也直接连接到活塞头。设备的控制是高度自动化的，因此可以以高效率和高精度应用循环加载。高自动化，提高样品耐久性和大变形兼容性的结合扩大了三轴测试的范围。

4总结

通过三轴测试，我们可以有效地对于软土的性质进行分析，可以看出软土具有抗剪强度较小、渗透系数高、含水量高等特点，同时，这种测试方法可以对于高速公路等路基软土进行测试，保证通行的安全性与稳定性。

参考文献

[1]高新乐，刘祖伟，李婧.特殊性土场地岩土工程勘察浅析[J].西部探矿工程，2012，（03）.

[2]公路软土地基路堤设计与施工技术规范，JTJ017-96，1997年，ISBN-151140138.

[3]常士骠，张苏民工程地质手册（第四版），中国建筑工业出版社，2007.

作者简介

谢治堃（1989-11），男，汉族，籍贯：河南省焦作市，学历：硕士，研究方向：建筑与土木工程。