非饱和黄土三轴试验技术

非饱和黄土三轴试验技术

非饱和性和结构是影响非饱和黄土力学和工程性质的土力学的原因。它也是土力学研究的热点和难点。在非饱和土中,吸力对其力学性质有很大的影响,因此,吸力量测成为非饱和土试验的难点的重点,此外,由于孔隙气的存在,在固结和剪切过程中非饱和土的体变不等于其孔隙水的排出量,因此,非饱和土体变量测也成为非饱和土三轴压缩试验的难点。以江苏溧阳市永昌工程试验仪器厂生产的FSY30型应力应变控制式非饱和土三轴仪为例,在对非饱和黄土进行大量试验的基础上,将非饱和土三轴仪的试验操作步骤和注意事项进行总结,并对试验的部分结果予以介绍。1三轴仪的结构和应用要点1.1试验步骤非饱和土三轴仪主要由应力应变控制式压力实验机、应力体变柜、非饱和三轴压力室和土工试验数据采集系统组成。(1)应力应变控制式试验机:由压力机、变速箱、机架等组成。压力机:由箱体、立柱、横梁等组成.两立柱间宽B=370mm,压力室座至横梁净空高H=850mm,箱体内有一对蜗轮付和高精度滚珠丝杆等变速箱为齿轮减速机构由永磁低速同步电机驱动,由拉轴调整轴升速度,共有15档速度0.002～4mm/min,或根据实验需要调整所需轴升速度,在机柜上有轴升速度表可供实验人员查询。(2)三轴压力室,压力室结构:压力室基本形式是装在横梁与压力室之间的荷重传感器测力,压力室为双层有机玻璃筒,分底座和上罩两部分,底座上装进口高进气值陶土板,传压力帽,排水管等,并有五个螺孔,标有标记,相对于压力体变柜中各管路的连接.上罩的顶盖上装有位移传感器和排气塞。上罩和底座之间是用T形螺栓连接,用“O”形橡胶圈来密封。(3)压力体变柜,压力体变柜内装有:围压σ3系统、Ua、σb系统,试样排水测量系统,试样外体积变化系统,储水桶,压力体变系统连接图,应力控制系统等。试样排水系统主要由差压传感器,有机玻璃管,管路组成,主要测量试样内的排水情况,通过计算机显示试样外的体积变化,是和σ3串联在一起的,主要由σ3压力传感器,差压传感器,体变管,管路等组成。主要是测量试样外的体积变化和显示σb的压力,由计算机显示,也可以人工测读。应力控制系统主要是由计算机软件控制。1.2主要功能该仪器可进行非饱和土的应变控制三轴压缩实验,又可做应力控制三轴实验。与常规三轴仪相比可测量土样吸力和测体变。2孔隙土体吸力的测试借助非饱和三轴仪,可以对非饱和土精心做多方面研究,可以测吸力(孔隙气压力和孔隙水压力)、体变等。该仪器原来只能通过试样顶部连接的孔隙其压力传感器(但传感器装在控制柜中,由很长的管路与试样顶部连接)施加反压来测试土样的吸力,即通常所说的轴平移技术。本文对仪器进行了适当改造,在试样顶部接孔隙气压力传感器,它可直接量测试样在不同条件下的孔隙气压力Ua,对不是太低饱和度的土样可直接测试其孔隙气压力,继而可得到吸力,是一种更为理想的途径。试样制备和装样按《土工试验规程》、《土工试验方法标准》或其它国家部门的土工试验标准方法制样。2.1陶土板试样的采集(1)饱和陶土板:(1)不装试样,关闭压力室各个阀门,给压力室充满无气水(如蒸馏水)。(2)打开压力室排水阀门和围压阀门,施加围压300～400kPa,直到排水阀有较多水排出。(3)冲洗陶土板下积聚的气泡,打开充水阀,让无气水流过陶土板下的螺旋槽,冲洗30s,关闭充水阀。(4)重复第3步,直到排水阀有连续水排出,卸除压力。(2)装样:(1)取下压力室上罩,用湿毛巾擦去陶土板顶面的水。(2)在陶土板顶面放一张浸过水的滤纸,把土样用橡胶软管套好,并用铁管护壁保护好,小心放置在陶土板上,然后在土样顶面同样放一张浸过水的滤纸,上面再加一块透水石,小心移去铁管护壁,在试样下端用两道橡皮筋绑扎好,扶好试样并在上端安放试样帽,用橡皮筋扎好上端。(3)安放压力室外罩,用螺栓紧固。2.2初始吸力的测试首先让陶土板饱和,再让传递水压管道充水排气。装样完成后压力室不进水不加压,打开三轴试验软件,测试土样的初始吸力。非饱和土样本身存在一个初始吸力,但对其的量测达到稳定需要一定时间,根据试验结果,饱和度越低,达到稳定所需时间越长,如图1。2.3体变和体变对固结过程的影响在初始吸力稳定后,对试样分级施加围压,采集不同围压下孔压(Ua,Uw)和体变的变化,固结过程中排气不排水分级加压时要等上一级围压过程中体变稳定后,即一个小时以上体变保持不变,再施加下一级围压。体应变与轴应变的关系如图2所示:2.4剪切试验数据分析(1)选好剪切速率,本文选取的应变速率为0.016mm/min,直到(σ1-σ3)-εa曲线出现峰值或轴应变εa达到15%为止。(2)选好剪切速率后,转动手动轮直至压力室上端的立杆与横梁上的杆充分接触(以数据采集系统中的“轴向荷载”数据为0.00为准),把“轴向变形”清零关闭排气阀门,点击“启动电机”,把手动轮扳出使其转动。设置记录时间可定为5min,使其自动记录数据,直至轴向变形达到试样高度的15%。(3)保存数据,点击“电机停止”,卸除围压,摇动手动轮使压力室下降,排出压力室中的水,然后拆除试样。(4)数据分析。该试验可得到剪切过程中轴向变形、体变、孔隙气压力、孔隙水压力、以及轴向荷载的值。某原状样剪切试验中不同围压σ3下的应力应变关系如图3所示;吸力与轴应变的关系如图4所示。3非饱和土试验结果的应用通过对非饱和三轴仪的改造,并对其认真调试,摸索其使用方法,可进行许多方面的研究工作。大量非饱和黄土的实验