（岩土工程专业论文）粉煤灰稳态变形特性的试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 稳态变形是指任何颗粒物体在常体积、常法向有效应力、常剪切应力、常速度时的 一种连续变形状态。只有当所有颗粒都发生破坏、且都达到定向排列的完全稳定状态时 稳态变形才达到。稳态变形获得的稳态强度和稳态线是用来评价饱和无粘性土体稳定性 的一种重要指标。现阶段对饱和无粘性土的稳态变形特性还不能说是了解的很全面，很 多问题尚没有定论。 本文在对粉煤灰材料进行常规的颗粒分析、比重、相对密实度试验基础上着重进行 了大应变静力三轴剪切试验，分析了在不同试验条件下应力应变特性，提出了粉煤灰 材料和福建标准砂的稳态强度、稳态线。着重研究了周围压力、剪切排水条件、初始相 对密实度对粉煤灰稳态变形特性的影响；对比研究了不同粒径组粉煤灰材料的稳态性 状，考察了平均粒径对粉煤灰稳态变形特性的影响；在相同初始相对密实度情况下探讨 了粉煤灰与福建标准砂稳态性状的区别。 本文的三轴试验是利用应变控制式三轴仪完成的，试验中控制粉煤灰的初始装样密 实度为2 0 、3 0 、4 5 和6 0 ；控制配制灰的初始装样密实度为2 0 ；控制福建标准 砂的初始装样密实度为2 0 、3 0 。试验中控制的的初始固结围压包括4 0 、7 0 、1 0 0 、 1 5 0 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 k p a 等8 种，但各组试样的固结围压不尽相同，依试验需求 而定。采用于装法成样，利用通二氧化碳后再通水的方法饱和。试样的剪切速率控制为： c u 试验，0 4 m m m i mc d 试验为o 1 6 6 m m m i n 。试验一直进行到试样的轴向应变达到 3 5 5 0 为止。 研究发现排水条件不影响稳态线的形状和位置，而初始相对密实度则影响e 1 9 一平 面内稳态线的位置，初始相对密实度越高则稳态线的位置越低。均匀程度相近的粉煤灰， 其平均粒径对稳态线也有明显影响，平均粒径越小稳态线位置越低。本文还发现，对于 c u 试验来讲，如果试样轴向应变发展到某一水平后，孔隙水压力就不再发生变化，那 么同时有效围压将保持常量，于是无论是否能在试验中观察到稳态变形，都可以绘制出 p k 一平面内唯一的稳态线。对于粉煤灰试样c d 试验则通常都出现了较明显的稳态变 形状态。 关键词：粉煤灰；福建标准砂；稳态强度；稳态变形；稳态线：准稳态；剪切排水条件； 相对密实度；平均粒径 粉煤灰稳态变形特性的试验研究 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h es t e a d y s t a t eb e h a v i o ro f f l y a s h a b s t r a c t t h es t e a d ys t a t eo fd e f o r m a t i o nf o ra n ym a s so fp a r t i c l e si st h a ts t a t ei nw h i c ht h em a s s i sc o n t i n u o u s l yd e f o r m i n ga tc o n s t a n tv o l u m e ，c o n s t a n tu o l t n a le f f e c t i v es t r e s s c o n s t a n ts h e a r s t r e s s 、a n dc o n s t a n tv e l o c i t y t h es t e a d ys t a t eo fd e f o r m a t i o ni sa c h i e v e do n l ya f t e ra l lp a r t i c l e o r i e n t a t i o nh a sr e a c h e das t a t i s t i c a l l ys t e a d y - s t a t ec o n d i t i o na n da f t e ra l ip a r t i c l eb r e a k a g e n 坨s t e a d ys t a t es t r e n g t ha n dt h es t e a d ys t a t e 1 i n ew h i c ha r ea b t a i n e db vs t e a d ys t a t e d e f o r m a t i o na r et h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sf o re s f i m a t i n gt h es t a b i l i t vo fs a t u r a t e dc o h e s i o n l e s s s o i l s n o wt h eb e h a v i o ro fs t e a d ys t a t ed e f o r m a t i o nf o rs a t u r a t e dc o h e s i o n l e s ss o i l si sn o tw e l l k n o w nt ou sy e t m a n yq u s t i o n sh a v en oc o n c l u s i o n b a s e do i ls o m en o r m a lb e h a v i o rt e s t s ，s u c ha sg r a i nc o m p o s i t i o n ，s p e c i f i cg r a v i t ya n d r e l a t i v ed e n s i t y ，t h e1 a r g es t r a i ns t a t i ct r i a x i a ls h e a rt e s t sw e r em a d e t h er e l a t i o n sb w t w e e n t h es 订e a sa n ds t r a i n su n d e rt 1 1 ed i f f e r e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o nw e r ea n a l y s i s e d t h es t e a d y s t a t es t r e n g t ha n dt h es t e a d ys t a t el i n eo ff l y a s ha n df 哂j a ns t a n d a r ds a n d sw e r eg i v e n t b e i n f l u e n c eo fc o n f i n i n gp r e s s u r ea n dd r a i n a g es h e a rc o n d i t i o na n di n i t i a lr e l a t i v ed e n s i t yf o r f l y a s hi ns t e a d y s t a t ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i cw e r ed i s c u s s e d t h es t e a d ys t a t eo ff l y a s h w i t hd i f f e r e n tp a t i c l e sw a sc o m p a r e d 田1 ee f f e c to fa v e r a g eg r a i nd i a m e t e ro nt h eb e h a v i o ro f s t e a d ys t a t eo ff l y a s hw a ss t u d i e d n l ed i f e r e n c eo fs t e a d ys t a t eb e t w e e nf l y a s ha n df u j i a n s t a n d a r ds a n du n d e rs a m ei n i t i a lr e l a t i v ed e n s i t yw a sc o m p a r e d t h es t r a i n - c o n t r o l l e ds t a t i ct r i a x i a ls h e a ra p p a r a t u sw a su s e d t h ei n i f i a lr e l a t i v ed e n s i t y o ft h es a m p l e sf o rf l y a s hv a r i e d 盘o m2 0 ，3 0 ，4 5 t o6 0 ，a n dt h ec o n s o l i d a t i o n c o n f i n i n gp r e s s u r ev a r i e dw i t h4 0 ，7 0 ，1 0 0 ，1 5 0 ，2 0 0 ，3 0 0 ，4 0 0 ，5 0 0 k p aa l t e r n a t i v e l yf o r f l y a s h 刀砖i n i t i a lr e l a t i v ed e n s i t yo ft h es a m p l e sf o rf u j i a ns t a n d a r ds a n dw a s2 0 a n d3 0 a n df o rc o n f e c t e df l y a s hw a s2 0 t h ec o n s o l i d a t i o nc o n f i n i n gp r e s s u r ev a r i e dw i t h3 0 4 0 5 0 ，7 0 ；1 0 0 ，1 5 0 ，2 0 0 ，3 0 0 k p aa l t e r n a t i v e l yf o rf u j i a ns t a n d a r ds a n d ，a n d4 0 ，7 0 ，1 0 0 ，1 5 0 k p a f o rc o n f e c t e df l y a s h 。刀】es a m p l e sw e r ep r 印a x e db yd r ym e t h o d 乃es a t u r a t i o np r o c e d u r e w a st h a tt h ea i rw a sr e p l a c e db yc 0 2f i r s t l y ，t h e nw a sf u l f i l l e db yp u r ew a t e r t h er a t eo f s h e a rs t r a i nc o n t r o l l e dw a s0 4 m m m i ni nt h ec ut e s t sa n d0 16 6 m m m i ni nt 1 1 ec dt e s t s t h e l a g e s ta x i a ls t r a i no fs a m p l e sw a s3 5 5 0 i tw a sf o u n dt h a tt h es h a p ea n dt h ep l a c eo fs t e a d ys t a t e1 i n ew a sn o te f f e c t e db v 也e d r a i n k a g ec o n d i t i o n s ，b u tw a se f f e c t e dw i t ht h ei n i t i a lr e l a t i v ed e n s i t y t h e1 0 c a t i o no fs t e a d y s t a t el i n e i nt h e e l go - ；p l a n ew a sl o w e ri nl a r g e ri n i t i a lr e l a t i v ed e n s i t y w i t ht h es a m e d e g r e eo fh o m o g e n e i t yo ff l y a s h ，t h ea v e r a g eg r a i nd i a m e t e rh a dc l e a r l yi n f l u e n c eo ns t e a d y s t a t el i n e 1 1 1 el o w e rt h ep l a c eo fs t e a d ys t a t el i n ew a s 、t h es m a l l e rt h ea v e r a g eg r a i nd i a m e t e r 奎整墨三奎塑主塑堡壅 f o ru n d r a i n e dc o n d i t i o n ，a f t e rt h ea x i a ls t r a i nw a sd e v e l o p e dt os o m el e v e l ，i ft h ep o r ew a t e r p r e s s u r eo fas a m p l ew a s n oc h a n g e d ，t h ee f f e c t i v ec o n f i n e dp r e s s u r ew a sr e m a i n e dc o n s t a n t d u r i n gt h es h e a rp r o c e s s ，t h eo n l ys t e a d ys t a t el i n ei nt h ep 一培p l a n ew a sa b t a i n e de a s i l y f l om a t t e rw h a tt h ed e f o r m a t i o no fs t e a d ys t a t ec o u l db eo b s e r v e di nt h et e s t s t h es t e a d y d e f o r m a t i o ns t a t ef o rf l y a s hc o u l da p p e a rc l e a r l yi nt h ec dt e s t sn o r m a l l y k e yw o r d s ：f l y a s h ；s a t u r a t e ds a n d ；s t e a d ys t a t es t r e s s ；s t e a d ys t a t ed e f o r m a t i o n ； s t e a d ys t a t el i n e ；q u a s i - s t e a d ys t a t e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者魏翼椎 导师签名： 卸兹 。j 。1 。1 。一 型年l 月l 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 本文的研究意义 饱和无粘性土由于孑l 隙压力的升高而引起剪切强度的丧失和有效应力降低的状态 称为液化。1 9 6 5 年b i o t l l j 给出了固液两相介质中波传播的较完全的描述，为饱和砂土液 化的研究打下了基础。此后全世界的学者对这一问题展开了广泛的研究并且已经取得了 很多成果。s e e d l 2 指出，处理可能液化土体时主要面临两种问题：第一、确定触发液化 所需的应力条件：第二、依据潜在液化土体可能的滑动和位移变形来确定液化造成的结 果。已经证明，在一定的压力范围内如果孔隙水压力率( p o r e p r e s s u r er a t i o ) r u 0 9 3 时( 对应的相对密实度为1 2 1 ，其稳态强度将降至零， 他于是定义了一种新的状态指标( s t a t e i n d e x ) i s ，这里t = ( e 0 一e ) ( e o 一) ，其中e 为固 结后孔隙比，丘为准稳态时孔隙比。不同于状态参数y ，t 是用来判断试样是否会出现 参与强度为零的状态，还可以判断试样出现稳态或者是出现准稳态。当然这里孔隙比的 限值是否精确地等于o 9 3 仍有待于经过多种砂的试验进一步验证，但稳态强度等于零这 一现象是客观存在的。 2 、稳态线的唯一性 稳态线在判别砂土能否发生流动液化方面具有重要的作用。如果稳态线不具有唯一 性，势必给利用稳态线进行液化势的判别造成困难。关于稳态线的唯一性问题有下述几 种观点： ( a ) 唯一的稳态线是存在的，但它的试验技术和它的定义以及与其他临界状态的区 分需要小心对待，否则可能产生很大的误差或不唯一性。p o u l o s 等【5 】、b e e n 等【“1 、 i s h i h a r a ”j 持有这种观点。 粉煤灰稳态变形特性的试验研究 ( b ) 稳态条件的表达是一个具有上界线和下界线的带，并且它们依赖于初始密度和 应力水平。k o n r a d 【2 7 】持有这种观点。 ( c ) c a s a g r a n d e1 3 1 ( 1 9 7 5 年) 、a l a r c o n 等【2 8 1 ( 1 9 8 8 年) 指出，从排水三轴试验中可 以褥到最后的极限状态线，称为s 线，。从松砂的不排水三轴试验中可以得到最后的极限 状态，称为f 线。这隐含着最后的极限线f 线和s 线不是相同的或唯一的。 ( d ) 加荷和反向卸荷会产生不同的应力路径，并导致不同的稳态。v a i d 等【2 9 】、 n e g n s s e y 等口o j 持有这种观点。 ( e ) y 眦a m u m p l l ( 1 9 9 8 年) 指出，粉砂在具有不同的初始孔隙比的不排水试验中会 产生不同的稳态线，对于粉砂而言，稳态线的唯一性可能并不总是存在。密实的粉砂在 较低的围压下液化，而松的粉砂在较高的围压下却保持其稳定性能，这种现象可能是因 为粉砂具有“逆向”性引起的。他还指出，唯一的稳态线可能描述不了松粉砂的性能和 行为。产生上述不同的观点的原因之是对稳态概念各有自己的理解和定义。首先，在 三轴试验中砂样的最小不排水强度并不总是在稳态时出现。松砂样经常在所谓的准稳态 或相转换点时出现最小不排水强度，其次还有最大与最小强度都是暂时的或瞬间稳态， 而这些暂时的稳态都依赖于初始条件和应力路径。另外，确定何时真正的稳态出现有时 也比较困难，因为在实际的剪切作用下常应力、常体积的稳态条件并不总能保持很长时 间不变。 虽然很多试验已经表明稳态线的唯一性是存在的，但仍有很多不同的意见和观点， k o n r a d 2 7 1 ( 1 9 9 3 年) 认为稳态不是一条线而是具有一定宽度的带。但是，在k o n r a d1 9 9 7 年的文章p 2 j 中，却使用了u f l i n e ( 上界线) 作为稳态的参考条件，并用以说明静力触探 c p t 试验结果。 b e e n 【) 刭( 1 9 9 9 年) 针对上述第三种观点指出，产生s 线和f 线的原因是：所使用的 密实砂的排水或不排水的试验数据很少能达到稳态，因而产生了不同的极限状态线。 b e e n 等人【3 4 l 于1 9 9 2 年通过静力三轴压缩试验、静力三轴拉伸试验、循环三轴试验等给 出了2 9 种砂的试验数据，这些数据表明排水与不排水的稳态线是相同的。关于v a i d l 2 9 1 ( 1 9 9 5 年) 的观点，b e e n 【3 3 j 曾指出可能是由于v a i d 没能区分稳态与准稳态以及其相转换 点，因而得出了拉和压不同的稳态线。 y a m a m u r o 等p l j 描述的砂土逆向性，实质上是由砂土的不同级配引起的，前面已指 出，砂土的不同级配会产生不同的稳态强度或稳态线，从y a m a m u r o 的工作看出，应该 深入研究和探讨砂土的级配对稳态线的定量影响。另外，b e e n 在文献【3 5 】中对y a m a m u r o 文章中口l j 图9 所描述的不同稳态线的数据用半对数坐标表示并整理，得到了唯一的稳态 线的拟合结果。这表明，根据同样的试验数据，不同的研究者根据自己的观点对稳态线 大连理工大学硕士学位论文 的唯一性可以有不同的解释。也说明稳态和稳态线的概念并不容易解释和证明，其原因 是稳态的判别和确定较为困难。因为对稳态的描述还只是定性的，难于同其他的极限状 态和暂时的稳态互相区分。 3 、稳态线的形状 不同的研究者由于观点不同即使根据同样的试验数据也会得到不同的稳态线。关于 稳态线的形状，目前的注意力主要集中在用e l g p 坐标描述在高应力和低应力时稳态线 的表达形式。对稳态线的形状，没有争论，也没有明显的理由表明在口一l g p 坐标中稳态 线一定是线性的，这种表达只是一种习惯和数学上的方便。当有效应力很高时 ( p 1 m p a ) 时，b e e n l 3 4 1 ( 1 9 9 2 年) 曾用双线性线表示稳态线。对高应力下( p 1 m p a ) 稳态线的斜率发生急剧变化进行了讨论，想搞清这一急剧变化是由于砂土颗粒被压碎引 起的，还是由于8 - l g p 坐标的人为作用所致，但至今还没有定论。v e r d u g o i ”1 ( 1 9 9 2 年) 利 用e - p 坐标描述高应力下的稳态线是线性的，但在低应力下反而是曲线形状如图1 4 。 q 褂 图1 4 e - p 7 坐标系下的稳态线 3 5 】 f i 9 1 4s t e a d ys t a t el i n e so i la r i t h m e t i cs c a l ep r o p o s e db yv e r d u g o 3 5 】 1 3 论文的主要研究工作 本论文的目的是：通过静力三轴剪切试验研究粉煤灰材料的大应变变形特性，着重 研究其稳态强度以及围压、排水条件、初始密实度对稳态强度的影响，讨论不同粒径组 的稳定状态的异同，对比粉煤灰与砂土的稳态变形特性。以期得到一些有益的结论 论文的主要工作是：对粉煤灰材料进行常规的颗粒分析、比重、相对密实度以及静 力三轴剪切试验，确定其物理、力学性质，分析其应力一应变关系、稳态强度、稳态线、 粉煤灰稳态变形特性的试验研究 峰值状态以及影响土体稳态性状的各种因素；对比研究不同粒径组粉煤灰材料的稳态性 状、以及对比其与福建标准砂的稳态性状。 大连理工大学硕士学位论文 2 试验原理、试验设备、试验土料与试验方法 2 1 试验设备简介 2 1 1 概述 土体抗液化特性的测试包括室内测试技术和原位测试技术两部分。 1 ) 土体的室内试验是目前国内外广为采用的重要手段之一，主要有静力和动力三 轴试验、振动扭剪和振动单剪试验、共振柱试验、振动台试验和离心模型试验等五种类 型。 常规的动三轴、振动扭剪等仪器发展的个重要方面是计算机技术在试验中的应 用，利用计算机进行自动控制、数据采集和数据处理等，目前已取得很大的发展。共振 柱试验是根据共振原理在一个圆柱试样上进行振动，改变振动频率，使其产生共振，并 借以测定试样的动剪模量及阻尼比等参数的试验。共振拄是一种无损测试技术，其优越 性表现在试验的重复性和可塑性上，从而可以求出稳定且可靠的结果。关于振动三轴和 周期扭剪偶合的新型多功能三轴仪，国内中国水科院与西安理工大学曾研制成功，类似 且精度更高的设备例如大连理工大学岩土工程研究所从日本引进的土工静力动力液压 三轴扭转多功能剪切仪。该仪器的特点是能够模拟复杂应力条件下的土体动力特性， 特别是能够模拟地震作用下动主应力轴偏转的影响和各种复杂的初始固结状态。 振动台试验是7 0 年代发展起来的专用于土的液化性状研究的室内大型动力试验， 它可制备模拟现场k 状态饱和砂土的大型均匀试样，可以测量出液化时砂土中实际孔隙 水压力的分布和地震残余位移，而且在振动时能用肉眼观察试样。目前国内外常用的主 要是单向和双向振动的振动台，日本港湾所近年研制的大型水下三向振动台使振动台技 术发展达到了一个高峰。 离心模型试验是一种研究土体动力特性的重要方法，它是将原型土体的尺寸按一定 的几何比例缩小为模型后，对其按要求的相似条件选定材料，施加静动荷载，测定出应 力和应变，最后再反算到模型。其中的关键是如何合理地确定相似准则。模拟地震作用 的离心机要求能发生足够的力，能高速加卸有效荷载，通常用压电振动系统，可以精确 地控制其幅值和持续时间。目前美国、英国和日本等国家已能够在离心机上模拟单向地 震运动，并取得一系列科研成果。关于模拟双向振动的离心机最近已在香港科技大学研 制成功，并即将投入使用。 室内土工测试测定土体的动力特性，由于具有土样受力状态比较明确和试验条件易 于控制的优点，在科研和生产实践中得到广泛应用，但在取样、运输、开土、装样等过 粉煤灰稳态变形特性的试验研究 程中，尽管采取了各种措施，仍然难于保持土体的原始结构和天然的应力状态，从而导 致试验结果产生较大的误差，因此，近几十年来，确定土体动力特性的现场测试技术越 来越受到重视。在仪器、试验技术和资料分析等方面取得了长足的进步。 2 ) 原位测试技术 土体的原位测试技术包含两类：一类是用物探中的地震法原理，观察弹性波在土层 中传播的速度，计算土的动力变形特性参数，包括折射法、反射法、表面波速法和钻孔 波速法等；另一类是动力荷裁试验，如动力旁压试验等，用于测试较大应变时的变形特 性参数 折射法在地面试验，具有操作简便、速度快的优点，但其缺点亦很明显，如不能测 定低速夹层的波速，所测数据仅反映交界面附近土的波速，此外测线距离大，不宜在狭 小的场地内进行，反射法则对测试仪器的要求较高，资料分析比较复杂，在工程中应用 得不够广泛。表面波频谱分析法能够得出地层s 波波速与深度的近似关系曲线，尽管测 试深度受振源能量大小的限制，但对成层地基勘测仍是一种有效的方法。 用动力方法检测桩的承裁力，国外都是用大应变方法，用得多的是波动方程和静动 法。而国内则开发了一种新的小应变动测桩承载力的方法，目前己得到广泛的应用且已 有国家规程( j g d t 9 3 9 5 ) 。小应变动测法要比国外的大应变动测法成本低、效率高、 覆盖面大，不仅可以用于打入桩，而且适用于灌注桩。 用于地基承载力的动力测试方法主要有两种：一种是动荷载试验法，类似于动测桩 的共振法，它是在研究各类土的动、静模量比的基础上提出来的，然后根据规范规定的 容许沉降定出各类地基的容许承载力；另一种是类似于动测桩的动参数法，求出地基的 抗压刚度系数后，按照国家的动力基础规范反求地基承载力。 2 1 2 三轴试验仪 三轴试验仪是c a s a g r a n d e 于2 0 世纪3 0 年代发明的，目前土工三轴试验已成为测定 土体抗剪强度的一种主要手段 3 9 , 4 0 , 4 ”。三轴试验仪由三轴压力室、轴向加荷系统、旋加 周围压力系统、孔隙水压力量测系统等组成，如图2 ，1 所示。 三轴试验仪分为应变控制式和应力控制式两种，其中应变控制式三轴仪操作方便， 应用广泛。三轴试样的周围压力由周围压力系统提供并控制；通过轴向加荷系统令试样 沿着轴向压缩或伸长；三轴压力室底盘上的排水阀用来控制试样的排水条件，当排水阊 打开时，可以用与之连接的排水管测量试样固结和剪切时的排水量；试样的孔隙水压力 通过孔隙水压力量测系统测量。 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 三轴试验仪示意图 f i g 2 1 t r i a x i a la p p a r a t u s 量 管 本论文中试验所用设备是应变控制式静力三轴仪【4 2 1 ，主要包括以下几个组成部分； ( 1 ) 三轴压力室。它是由一个金属上盖、底座以及透明有机玻璃圆筒组成的密闭容 器，压力室底座通常有3 个小孔分别与围压旄加系统以及体积变形和孔隙水压力量测系 统相连。 ( 2 ) 轴向加荷系统。它是采用电动机带动多级变速的齿轮箱，并通过传动系统使压 力室自下而上的移动，从而使式样承受轴向压力，其加荷速率可依据三轴试验试验规程 确定。 ( 3 ) 轴向压力量测系统。施加于试样上的轴向压力由测力计量测，测力计由线形和 重复性好的金属弹性体组成，本试验机采用量力环，测力计的受压变形由位移传感器测 读，轴向压力也可由荷重传感器来测得，有些设备采用轴向荷载传感器。 ( 4 ) 周围压力稳压系统。采用调压阀控制，调压阀控制到某一固定压力后，它能够 对压力室的压力进行自动补偿，从而保持达到稳定的周围压力。 ( 5 ) 孔隙水压力量测系统。本试验机由安装在底座上孔隙水压力传感器量测，传感 器置于孔隙水压力阀之前的，因此无论排水剪切试验还是不排水剪切试验都能够量测试 样体的孔隙水压力。 ( 6 ) 轴向变形量测系统。轴向变形由置于压力室上方的位移传感器量测。 ( 7 ) 反压力及体变系统。由体变管和反压力稳压控制系统组成，以模拟土体的实际 应力状态或提高试件的饱和度以及测量试件的体积变化。本试验机暂时不能够施加反 粉煤灰稳态变形特性的试验研究 压，因而，体积变化由另外配置的一套直接与试样体顶部相联接的体变传感器或体变管 来量测，其前端设置了控制阀以控制试验的排水条件。 本试验在固结不排水、固结排水剪切过程中均采用土工试验微机数据采集处理系 统。该系统不仅可以实时监测可以适时监视试验过程，并记录储存试验过程中的轴向力、 应变和孔隙水压力，还能够自动计算获得轴向偏应力、轴向应变和体积应变，显示处理 后的所有试验曲线。为初步确定试验结果的可靠性提供了很大的方便条件。还能够将处 理后的轴向偏应力、轴向应变、孔隙水压力以及体积应变等基本试验数据转换出来，为 利用其他成熟的绘图软件提供基本试验数据。在试验前，要先对各荷重传感器、位移传 感器、孔压传感器进行参数和系数的检查标定。 2 2 静力三轴剪切试验的原理 常规静力三轴试验方法【3 6 j 7 , 3 8 1 的主要步骤如下：将士制成圆柱体套在橡皮膜内或者 直接在橡皮膜内装土成样，橡皮膜下端绑扎在底座上，上端绑扎在试样帽上，使试样与 压力室内的水完全隔开。试样体通过试样下端的透水石与孔隙水压力量测系统连通，或 者通过上端透水石与排水管连通。安装压力室，再往压力室内通水，向压力室内施加压 力，使试件各向受到周围压力毋，并使围压在整个试验过程中保持不变，这时试件内各 向的三个主应力都相等，不产生剪应力( 如图2 2 a ) 。然后再通过传力杆对试件施加竖 向压力，这样，竖向主应力就大于水平向主应力，当水平向主应力保持不变，而竖向主 应力逐渐增大时，试件受剪直至发生剪切破坏( 如图2 2 b ) 。 试样受到各向均等应力0 - ，时，应力圆为一点；随着主应力差( 吼一0 - ，) 的逐渐加大， 应力圆随之扩大( 如图2 2 d 中虚线圆) 。作出主应力差( 或称作偏应力) 和轴向应变 ( q 一吒) 一氏的关系线( 如图2 2 c ) ，选其峰值为破坏点( 无峰值时选竖向应变s 。= 1 5 时 为破坏点) ，彳导到剪破时主应力差h - 0 - 3 ) ，及大主应力0 - 1 ，= ( m 一吒) f + c r 3 ，。用0 i ，0 3 。 作应力圆即为极限应力圆。通常一组试验用3 - 4 个试样，每个试样的盯，值不同，这样， 一组试验可得到3 4 个极限应力圆。根据极限平衡条件可知，极限应力圆必与强度包线 相切。作各极限应力圆的公切线即为强度包线( 如图2 1 d ) ，从而得到强度指标c 、舻值。 这就是三轴压缩试验土体强度测试的基本原理。通过静力三轴试验还能够获得土体剪切 过程的变形特性。 大连理工大学硕士学位论文 a 周围压力作用b 破坏时的主应力 晶 c 主应力差和轴向应变 d 剪切强度包线 图2 2 三轴剪切试验原理 f i g 2 2p r i n c i p l eo f t f i a x i a lt e s t 2 3 试验土料 本文主要是研究饱和粉煤灰在三轴试验中的大应变稳态变形性状，灰料取自吉林某 电厂，试验中总共采用了5 种不同级配的灰料，分别称为粉煤灰、配制一号灰、配制二 小 秉 裹 圭 质 吾 曩 墓 图2 3 颗粒级配曲线 f i g 2 3c u r v eo f g r a i nc o m p o s i t i o n 号灰、配制三号灰、 配制四号灰。其中 粉煤灰是采用原始 级配灰的粒径在 5 m m 以下的部分， 这是三轴试验的需 要，而且粒径大于 5 r a m 的颗粒只占到 总质量的2 ；配制 号灰是取了原始 级配中粒径在 0 1 - 0 5 r m n 之间的 颗粒，控制两组颗 粉煤灰稳态变形特性的试验研究 粒( o 1 0 2 5 r a m 、0 2 5 0 5 n u n ) 的质量比例为其在原始粉煤灰中的含量之比；配制二 号灰、配制三号灰、配制四号灰则按试验设计分别取粒径在o 1 0 0 7 4 m m 、0 2 5 0 1 n u n 、 0 5 0 2 5 r a m 之间的颗粒。另外在做对比试验研究的时候用到了曾经用过的福建标准砂， 经过与原福建砂的比对我们发现其级配基本没有发生变化。以上六种试验材料的颗粒级 配曲线如图2 3 所示。颗粒级配表及相对密实度指标如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1 试验用土样的颗粒级配表 t a b l e2 1t h eg r a i nc o m p o s i t i o no f s o i l sf o rt e s t s 土粒组成 土 土 砂粒 土 粒 粉粒不均 曲率平均 样比 砾粒及粘匀系 系数粒径 样 粗中细极细 粒 数 重 编 粒径大 小( m m ) 定 0 5 -0 2 5 0 1 号g b 5 22 n 5 0 0 7 4 c u c c 如o名 o 2 50 10 0 7 4 粉煤灰 21 6 01 76 91 78 3 5 2 2 5 31 3 14 5 1 31 1 8 0 0 1 3 5细砂 配制一 2 2 0 6oo3 3 56 6 soo2 0 0 00 8 5 10 2 0 0细砂 号灰 砂2 6 4 3 01 2 5 8 2 35 2 0 10 1 5 2 7 0 9 1 90 3 6 中砂 配制二 2 1 7 600001 0 001 1 5 80 9 5 70 0 8 6 细砂 号灰 配制三 2 2 2 2o0 o 1 0 00 0 1 5 7 30 9 1 60 1 5 8细砂 号灰 配制四 号灰 2 2 1 8 001 0 0ooo1 4 1 4o 9 3 403 5 5 中砂 表2 - 2 试验土料的相对密实度试验结果 土样编号 卢a m h e m a x ( 船) e m l n ( g ，c m ) 粉煤灰 0 7 7 51 7 8 71 1 10 9 4 6 配制一号灰 0 6 6 22 3 3 30 8 7 41 5 2 4 砂 1 4 30 8 4 81 _ 7 40 5 1 9 配s r j ：号灰 0 7 22 0 0 31 0 11 1 6 3 配制三号灰 o 6 9 2 2 0 3 0 8 81 5 1 5 配制四号灰 0 6 2 2 5 9 0 0 8 41 5 9 2 2 4 试验方法 2 4 1 土样的制备 试样制各的好坏是试验成功与否的关键，此外试样成型方式不同对试验结果会产生 大连理工大学硕士学位论文 明显的影响【4 3 ，4 4 ，4 5 1 。为减少或消除由于试样成型方式的不同对试验结果所造成的影响， 试验中均采用分层干法装填，由于经验和个人所采取的手段的差异，也可能使试验结果 稍有偏差。 选取一定质量的代表性土样，经烘干、过筛。根据装样干密度，称取所需土样的质 量( 本文试验采用的试样都是直径为3 9 1 c m ，高度为8 c m 的实心圆柱体试样) ，均分成 3 份，所有试样都分成3 层振密或夯实，各层土料的质量相等，同时注意控制土料的密 度和均匀性。每层击实至要求的高度后，将表面刨毛，然后再填第二层土料。如此进行， 直至击完最后一层。如果要求干密度较大，可在填砂过程中轻轻敲打对开模，使所称出 的砂样刚好填满规定的体积。 2 4 2 试验步骤 本文试验采用常规静三轴固结不排水剪切和固结排水剪切两种试验方法。 1 仪器性能检查 ( 1 ) 周围压力和反压力控制系统的压力源；( 2 ) 调压阀的灵敏度及稳定性；( 3 ) 周 围压力的稳压系统是否存在漏气现象；( 4 ) 管路系统的周围压力、孔隙水压力、反压力 和体积变化装置以及试样上下端通道接头是否存在漏气漏水或阻塞现象；( 5 ) 土样两端 放置的透水石是否畅通和浸水饱和；( 6 ) 橡皮膜的漏气漏水检查。 2 试样安装 ( 1 ) 开孔压阀及量管阀，提高量管水头，使试样底座充水排气。依次放上透水石和 滤纸，关孔压阀及量管阀，将橡皮膜的一端套在底座上并扎紧。把对开模套在底座上， 并将橡皮膜的上端翻出模外，然后向对开模抽气，使橡皮膜紧贴对开模的内壁。再按照 前述的试样制备方法装样，整平试样顶部，放上滤纸、透水石和试样帽，翻起上端的橡 皮膜，并将其扎紧在试样帽上，以减小因藏水区的存在而产生的误差【4 6 】。 ( 2 ) 成样之后对试样施加2 0 k p a 的负压，我们这里采取降低量水管水位的办法或者 用真空泵从排水阀门对试样体进行抽气，当观察到的负压值达到2 0 k p a 时立即关上排水 阀门，使其自立，再拆除对开模，然后量取试样高中低三个部位的周长和试样的高度平 均值，求得装样后的干密度，同组各试样之间的干密度差值不应大于0 0 3g c m 3 ，否则 要重新装样。 ( 3 ) 小心装上压力室罩，安装时，先将活塞放在最高位置，以免和试样碰撞，然后 调整活塞底部对准试样帽中心并与之接触，均匀地拧紧压力室外的三个密封螺母，抬高 压力室，再将量力环对准活塞顶端，并使传压活塞与土样帽接触。开排气孔，向压力室 内部充水，当水从进水口溢出时，停止充水，并拧紧进水口的螺帽。 粉煤灰稳态变形特性的试验研究 3 试样饱和 本文试验中试样都采用通二氧化碳后再通无气水的方法进行饱和。这种方法适用于 无粘性的砂土和粉质土，完全符合本试验要求，而且操作方便。具体操作步骤如下： ( 1 ) 开围压阀门对试样施加2 0 k p a 的周围压力； ( 2 ) 先打开与试样顶部相连的排水阀门，将排水管出口放入水中，再打开供气阀使 二氧化碳气体由试样底部输入试样内部，置换砂样中的空气。保持一定的压力通2 0 一3 0 分钟左右二氧化碳，关闭供气阀。 ( 3 ) 打开无气水的供水阀，从试样底部通无气水，要求通水体积大约是试样体积的 3 倍，以充分将试样内的二氧化碳赶出，持续3 0 4 5 分钟后，关闭无气水供水阀。这时 候可以通过量测孔隙水压力系数b 值来确定试样的饱和度，b = ( ”，吧! 1 0 0 ，其中 “为孔隙水压力增量，而以为围压增量，如果应：9 5 ，则认为饱和度己达到要求， 可以继续试验；如果b 9 5 ，则应重新打开无气水供水阀，继续饱和过程，一段时间后 再量测饱和度，往复循环，直至饱和度达到9 5 ，便可以继续之后的试验过程。在饱和 过程中，通二氧化碳和无气水时要控制适当的过气量和水头差，防止试样经受不住过高 压力而破坏。 4 设定计算机采集系统的试验参数 开启计算机后起动数据采集程序t g s y ，并进入三轴试验菜单， 依顺序填写试验参数如下： 仪器号：所选择的仪器号； 试验编号：输入试验编号或工程编号； 土样号：输入土样编号； 这里试验编号和土号最多可以输入1 2 个字符，可以是所有英文字母和数字，有些 符号不能使用，如”? ”，”矿，”，”，”，”，”，试验数据存盘是以试验编号 为文件名，所以最好使用字母或数字，不要使用特殊字符；允许有相同的试验编号或土 样号。土样号要按软件的约定来设定，设为“符号或数字”一1 ( 同组试样依次为- 2 、一3 、 一4 等) ，这里注意“一”是不可或缺的也是不可代替的。 试验数据存盘时三轴试验以s z d 为扩展名，同一组试验，是具有相同试验编号的 所有单个试验，存入同一个文件。 为了数据处理软件统一管理的方便，建议使用者按一定规律和格式输入编号和土 号，如试验编号：9 3 0 1 0 5 ，土号：0 0 1 试验方法：用于选择试验方法，c u 或c d 或其他； 2 0 大连理工大学硕士学位论文 选择按何种试验方法来进行试验，缺省时为第一种试验方法；试验方法即决定试验 过程，也决定数据处理所采用的方式。 输入试验设定的周围压力。 加荷级数设为：单级加载设为1 ；多级按实际情况设置 稳定值：稳定值是指在多级加载时试验两次采样间隔的偏应力差，如果这个值小于 所设定的稳定值，试验将自动停止数据采集，反之则不然。但在单级加载时，当稳定值 设置为一个不为零的数时，试样将按照试验者所设定的轴向应变采样，即采样将一直进 行到试样的轴向应变发展到设定的轴向应变时才停止；而如果稳定值设为零，那么采样 系统就会按照默认的约定来采样，即通常是当偏应力峰值出现后，试样的轴向应变再发 展3 就自动停止采样，如果偏应力不出现峰值，采样在轴向应变为2 0 时停止。 采样步长：平均采样步长，缺省值0 2m m ； 试