GDS-控制吸力的三軸

1、GDS-控制吸力的三軸相關(guān)文獻(xiàn)：基于 GDSGDS 的非飽和紅土強(qiáng)度三軸試驗(yàn)研究基于 GDSGDS 的原狀黃土性狀試驗(yàn)研究齊明山吳宏偉.陳銳.非飽和土試驗(yàn)中的先進(jìn)吸力控制技術(shù)殷建華.新雙室三軸儀用于非飽和土體積變化的連續(xù)測量和三軸壓縮試驗(yàn)李曉云.趙寶平.基于 GDSGDS 的非飽和土強(qiáng)度三軸試驗(yàn)研究李孝平.王世梅.李曉云等.GDSGDS 三軸儀的非飽和土試驗(yàn)操作方法基于 GDSGDS 的原狀黃土性狀試驗(yàn)研究齊明山儀器基本組件反壓控制器（BackPressureControllerBackPressureController）通過細(xì)合成塑料管與試樣底座相連，底座上預(yù)留有小孔，從而將反壓控制器中的

2、水與上樣孔隙中的水連為一體，因此反壓控制器量測、控制試樣中的孔隙水壓力，以及試樣中孔隙水體積變化。對于飽和土，試樣中的孔隙水體積變化即為試樣體變；對于非 f f&和土，還需要量測孔隙氣體積變化，這就涉及到氣壓控制器。反壓控制器的精度與圍控制器相同。試樣的制備方法針對非飽和土在三軸試驗(yàn)中固結(jié)和剪切階段的排水情況不同非飽和土三軸試驗(yàn)可分為以下幾類：固結(jié)報 CDCD）試驗(yàn),試樣先彳 T T 固結(jié)，然后在允許孔隙氣和孔隙水外排的條件下進(jìn)行剪切；常含水量（CWCW）試 3 3,試樣先彳 T T 固結(jié)，再剪切，剪切過程中只允許孔隙氣外排，不允許孔隙水外排；固結(jié)不排水（CUCU）試驗(yàn),試樣先彳 T

3、T 固結(jié)，再剪切，剪切過程中孔隙氣和孔隙水均不允許外排；UU|UU|E E試 3 3效，試樣不經(jīng)過固 Z Z直接剪切，剪切過程中孔隙氣和孔隙水均不允許外排，在施加圍壓和主應(yīng)力差兩個階段都是這樣；無側(cè)限壓縮(UC)(UC)試 3 3經(jīng)，這是不排水試驗(yàn)的一種特殊情況，剪切試驗(yàn)過程中不施加圍壓力于試樣上。普通三軸試樣在制備時一般控制含水量差值不宜大于 2%,2%,干密度差值不宜超過0.3KN/m30.3KN/m3。由于原狀黃土的干密度的差異，使得試樣在同一含水量下的飽和度往往存在較大差異，而對非飽和土來說飽和度是影響基質(zhì)吸力的主要因素。為減小干密度差異帶來的影響，控制試樣干密度差值不大于 0.2KN

4、/m30.2KN/m3。同一組試樣控制含水量相同，從而控制飽和度基本相同。試驗(yàn)土樣含水量和干密度如表 3 32 2 所示。試驗(yàn)時根據(jù)設(shè)定的含水量推算出該含水量下的試樣重，同時求出達(dá)到所需含水量時的配水量(或減水量)。用兩種方法控制含水量：風(fēng)干法。對于從高含水量配至低含水量的試樣采用自然風(fēng)干的方法,并不時稱量直至預(yù)定的樣重，然后將其放入養(yǎng)護(hù)缸中養(yǎng)護(hù)數(shù)天(一般 2424 小時)，待試樣內(nèi)部水分均勻后即可用于試驗(yàn)。水膜轉(zhuǎn)移法。對于從低含水量配至高含水量的試樣采用水膜轉(zhuǎn)移法。將試樣置于精度為 0.0190.019 的電子天平上，用滴管在試樣表面均勻的緩慢滴入預(yù)定的水量。然后把試樣放置在一封閉的養(yǎng)護(hù)缸內(nèi)

5、養(yǎng)護(hù)數(shù)天，使水分在水膜壓力作用下逐漸轉(zhuǎn)移，最后均勻分布于試樣內(nèi)部，即達(dá)到所控制的飽和度。此法不抽氣，不增溫，有利于保持黃土的原狀結(jié)構(gòu)。操作時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：滴水；匏跑原快狀土發(fā)生輕微膨脹；盡量控制齦面各處滴水均勻，以利試樣內(nèi)部水分轉(zhuǎn)移均布；當(dāng)?shù)嗡枯^大時，最好采用分級滴水，每一級含水量增量約為 5%5%。非飽和土三軸試驗(yàn)1 1 . .試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作(1)(1)制備無氣水制備好的蒸儲水，由于存放時間較長，水中溶解有空氣。若直接用這樣的水去飽和陶土板，恐會因?yàn)榭諝獾拇嬖诙绊懣紫端畨毫涂紫端w積變化的量測精度。故有必要對存放過的蒸儲水進(jìn)行處理，以最大限度排除水中的溶解空氣。試驗(yàn)中利用真空泵法排

6、除水中的溶解空氣。(2)(2)飽和陶土板非飽和土三軸試驗(yàn)中為了測出土樣的基質(zhì)吸力，需要用到高進(jìn)氣值陶土板。高進(jìn)氣值陶土板具有以下特性：當(dāng)陶土板完全飽和時，由于陶土板具有許多均勻的微細(xì)孔，在陶土板表面就形成收縮膜。收縮膜猶如一薄膜將陶土板表面眾多小孔聯(lián)結(jié)起來，收縮膜產(chǎn)生表面張力，從而阻止空氣通過陶土板。而陶土板中的水將土中的孔隙水同量測系統(tǒng)中的水連接起來，這樣陶土板在非飽和土與孔隙水壓力量測系統(tǒng)之間起著分界面作用。陶土板的頂面承受的是孔隙氣壓力，底面承受孔隙水壓力，二者之差值即為土樣的基質(zhì)吸力。陶土板能夠保持的最大基質(zhì)吸力即為它的進(jìn)氣值。一旦土中的基質(zhì)吸力超過陶土板的進(jìn)氣值，孔隙氣就會穿過陶土板

7、進(jìn)入孔隙水壓力量測系統(tǒng)，這樣就會導(dǎo)致孔隙水壓力的量測產(chǎn)生錯誤。因此，試驗(yàn)中務(wù)必要保證土樣的基質(zhì)吸力值不會超過陶土板的進(jìn)氣值。GDSGDS 系統(tǒng)中所用陶土板進(jìn)氣值為 1500kPa,1500kPa,可以滿足試驗(yàn)要求。方法一，按儀器說明書上所介紹的方法對陶土板進(jìn)行飽和。第一步，將連接陶土板底部的細(xì)塑料管充滿水，以充分減少連接管路中的空氣；第二步，連接到陶土板底部有兩根細(xì)塑料管，其中一根與反壓控制器相連，另一根與孔隙水壓力傳感器相連。將與孔壓傳感器相連的管路出口浸沒入裝有無氣水的器皿中，利用反壓控制器施加 3030kPakPa 的壓力于陶土板底部(注意壓力不能超過 40kPa,40kPa,否則會因彎

8、矩過大而折斷陶土板) )。保持 30kPa30kPa 的壓力直至陶土板上表面出現(xiàn)一薄層水膜，同時觀察裝有無氣水的器皿中長時間沒有氣泡溢出，這個過程約需 2424 小時。（對進(jìn)氣值為 15001500 沙 a a 的陶土板）或 4 4 小時（對進(jìn)氣值為 SO0kPaSO0kPa 的陶土板）。第三步，將底座（鑲嵌有上述陶土板）放進(jìn)壓力室安裝好。把第二步中與反壓控制器相連的細(xì)塑料管斷開，并將其出口也浸入盛有無氣水的器皿中。對壓力室充無氣水排除壓力室內(nèi)空氣待完全充滿水后，利用圍壓控制器施加 500kPa500kPa 左右的壓力。由于陶土板頂面暴露在壓力室水中，這相當(dāng)于在陶土板頂面施加了 500kPa5

9、00kPa的水壓力。無氣水在壓力作用下流經(jīng)陶土板和連接管路，持續(xù)較長時間（約 4848 小時），觀察浸沒細(xì)塑料管的器皿中長時間無氣泡溢出，則表明陶土板已飽和。筆者嘗試了幾次，但效果并不理想，具體原因據(jù)初步分析可能是由儀器的構(gòu)造引起的。儀器底座（鑲嵌有 B B土板）的構(gòu)造如圖 3 31 1。由于連接管路的內(nèi)徑不是足夠小，陶土板非常致密，管路中水的流速也非常緩慢，這樣水有可能繞過微小的滯留氣泡而不能將其擠出管道。因此，試驗(yàn)中將上述方法進(jìn)行了改進(jìn)。方法二前兩步操作同方法一，第三步稍作修改。不是將底座正確的固定于固定螺桿上，而是將其倒置于壓力室內(nèi)，讓其頂面（與試樣接觸的一面）朝下，但注意要保護(hù)好陶土板

10、，防止碰撞磨損陶土板表面。同樣于壓力室內(nèi)施加約 500500kPakPa 的壓力，使無氣水流過陶土板及連接管路。由于空氣泡總是向著高處移動，這樣管路中的滯留氣泡就可以被水流帶走了。待浸沒細(xì)塑料管的器皿中長時間不再出現(xiàn)氣泡時，可認(rèn)為管道中氣泡已被完全排除。之后再將底座放正，正確安置于螺桿上。經(jīng)過這樣的處理后，筆者原以為可以用于試驗(yàn)了，但試驗(yàn)結(jié)果（孔隙水壓力不能穩(wěn)定）表明仍有殘留氣泡。管路中氣泡已確信完全排除，那么殘留氣泡只能存于陶土板自身中了。為此，參考弗雷德隆德的方法，在壓力室內(nèi)施加約600600kPkPa a的壓力,令水通過陶土板約1 1小時,然后將連接陶土板的細(xì)塑料管出口端閥門關(guān)閉。待陶土

11、板下表面水壓力與上表面水壓力相等后（這一過程約需 0.50.5 小時），陶土板的上下表面以及板中水所承受的全等于施加的室壓力。在該壓力下持續(xù)約 1 1 小時，在此期間，板中的滯留空氣溶解于水中，然后打開閥門，細(xì)塑料管中的水壓力瞬時減小至零，陶土板中的水在壓力差作用下流人塑料管，先前溶解于水中的空氣又被釋放出來形成氣泡聚集于塑料管中。保持閥門開啟，直至氣泡被完全排出后再次關(guān)閉閥門，重復(fù)上述步驟約 6 6 次后，可使陶土板達(dá)到飽和。當(dāng)然耍完全徹底排除陶土板中的 y yt t 留空氣是很難做到的，但經(jīng)過上述步驟后，用這樣的陶土板測出土樣基質(zhì)吸力已不是問題了。2 2 . .試驗(yàn)方法與步驟（1 1） 固

12、結(jié)排水（CDCD）試驗(yàn)方法步驟1 1）裝試樣。抹去陶土板上多余的水，將試樣不帶透水石的一端置于陶土板上，與陶土板緊密貼合，通過陶土板將試樣中的孔隙水與孔隙水壓力量測系統(tǒng)（即反壓控制器）相連，從而測出孔隙水壓力。試樣另一端（帶有透水石，但透水石與試樣之間不加濾紙）與試樣帽相連，進(jìn)而與氣壓控制器相連，以量測或施加孔隙氣壓力。試驗(yàn)中使用了測徑向變形的中平面霍爾效應(yīng)傳感器，在這里有必要介紹一下它的安裝方法。中平面霍爾效應(yīng)傳感器外形是個圓環(huán)，環(huán)繞于試樣中部測量中部的局部徑向變形。在環(huán)內(nèi)部連接有兩塊薄金屬片，每塊金屬片上都預(yù)設(shè)有兩個微小針孔，通過針孔將四根固定針插入試樣內(nèi)部，并在金屬片與橡皮膜接觸的部位涂

13、有專用強(qiáng)力膠。這樣，霍爾效應(yīng)傳感器被強(qiáng)力膠和固定針定位于試樣中部而不會滑移或脫落。2 2）量測試樣在無壓狀態(tài)下的初始孔隙水壓力。非飽和土的孔隙水壓力為負(fù)值，當(dāng)土樣的含水量較低時，負(fù)孔隙水壓力會超過 70kPa,70kPa,這時孔隙水壓力量測系統(tǒng)中的水會發(fā)生汽化，影響孔隙水壓力的量測精度。為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，試驗(yàn)中采用了軸平移技術(shù)。軸平移技術(shù)就是人為提高孔隙氣壓力，與此同時孔隙水壓力隨之平移提高，而二者之間的差值（即為基質(zhì)吸力）卻保持不變。由于孔隙水壓力被增加到正值，也就能夠在沒有氣蝕的情況下對它進(jìn)行量測。為了模擬試樣的無壓狀態(tài)必須同步施加孔隙氣壓力和圍壓力，但始終保持圍壓約高于氣壓 5kPa,

14、5kPa,以防橡皮膜脹破?？紫稓鈮毫Φ氖┘邮峭ㄟ^氣壓控制器來實(shí)現(xiàn)的。由于氣壓控制器的容積限制，所能施加的氣壓力有限（不超過200200 甘 a a）。因此，需要事先往氣壓控制器中壓縮空氣，以提高孔隙氣壓力的控制范圍。出口1出口2與氣壓控面器相連U斤預(yù)熟和圖圖 3 33 3 試樣帽構(gòu)造圖試樣帽構(gòu)造圖試樣帽的構(gòu)造如圖 3 33 3。出口 1 1 通過細(xì)塑料管與氣壓控制器相連，出口是個預(yù)留孔，通常是封閉的，現(xiàn)用一細(xì)塑料管與其相接，并將細(xì)塑料管引出壓力室外，這就可以利用氣筒通過出口 2 2 對試樣施加氣壓力。施加的氣壓力又通過出口 1 1 傳遞至氣壓控制器，測出其大小。具體操彳時，圍壓的施加速度放緩（

15、大約增加 I00kPaI00kPa 花費(fèi) 0.50.5 小時），在施加圍壓的同時，用氣筒同步施加氣壓力，邊加壓邊注意氣壓控制器的壓力讀數(shù)，以確?？紫稓鈮毫εc圍壓接近但略小于圍壓約 5kPa5kPa。待氣壓達(dá)到要求后，關(guān)閉出口 2 2 的控制閥門，利用氣壓控制器保持住所要求的氣壓力。恒定孔隙氣壓力，利用孔隙水壓力傳感器量測孔隙水壓力，觀察孔隙水壓力的變化，直至其也幾乎穩(wěn)定不變?yōu)橹?。這一過程約需 1616 小時左右。這樣氣壓力與穩(wěn)定的水壓力差值即為該試樣的基質(zhì)吸力。注意在此過程中，孔隙水排泄閥門始終關(guān)閉，也就是說反壓控制器與試樣處于斷開狀態(tài)，而不起任何作用。3)3)固結(jié)。打開孔隙水排泄閥門，使反壓

16、控制器與試樣連接，并立即設(shè)定反壓控制器的壓力值與上步中穩(wěn)定的孔隙水壓力相等。這是為了保證固結(jié)過程中不產(chǎn)生超孔隙水壓力。同樣維持孔隙氣壓力不變以不產(chǎn)生超孔隙氣壓力。增加圍壓至要求的固結(jié)壓力值，令試樣在該壓力下固結(jié)。當(dāng)反壓控制器的體積讀數(shù)長時間不變或變化微小時，即可認(rèn)為試樣固結(jié)完成。因?yàn)榉磯嚎刂破鞯捏w積讀數(shù)變化反映的是試樣中孔隙水體積變化，二者達(dá)到穩(wěn)定即標(biāo)志試樣固結(jié)結(jié)束。這一過程約需持續(xù) 5050 小時。4)4)剪切。保持孔隙氣壓力、孔隙水壓力、圍壓力不變，增加軸向壓力使試樣剪切破壞。試驗(yàn)中利用應(yīng)變控制方式，剪切速率先采用0.0107mhamin,0.0107mhamin,但發(fā)現(xiàn)剪切過程中孔隙水壓

17、力來不及消散，后改用0.0055mm/min0.0055mm/min 的速率，能夠滿足要求。（2 2） 常含水量(CW)(CW)試驗(yàn)方法步驟與 CDCD 試驗(yàn)基本相同，只是剪切過程有所差別。試樣剪切時，保持孔隙氣壓力和圍壓力不變，關(guān)閉孔隙水排泄閥門，反壓控制器與試樣斷開而不起作用,利用孔隙水壓力傳感器量測孔隙水壓力。因此,CW,CW 試驗(yàn)與 CDCD 試驗(yàn)的區(qū)別在于，前者剪切時不允許孔隙水外排，孔隙水壓力會發(fā)生變化；后者剪切時允許孔隙水外排，孔隙水壓力保持不變。樣初始基質(zhì)吸力通常認(rèn)為，土中吸力反映土中水的自由能狀態(tài)，即總吸力相當(dāng)于土中水的自由能。土中吸力（總吸力）有兩個組成部分，即基質(zhì)吸力和滲

18、透吸力。滲透吸力為土中水自由能的溶質(zhì)部分，它隨含水量的變化不大，可以將其看做是一個相對恒定的數(shù)值。滲透吸力與孔隙水中的含鹽量有關(guān)，無論是飽和土或非飽和土，滲透吸力都同樣起作用。涉及非飽和土的大多數(shù)工程問題通常都是由于環(huán)境變化所造成，如水分積聚、連續(xù)暴雨等,這些因素主要影響的是土體中的含水量滲透吸力幾乎沒有變化。因此，在涉及非飽和土的大多數(shù)巖土工程問題中，可以不需考慮滲透吸力的影響。基質(zhì)吸力為土中水自由能的毛細(xì)部分，它是由固體顆粒基質(zhì)（不同的礦物成分）與水之間相互作用引起的。實(shí)質(zhì)上它不僅僅是由毛細(xì)管的作用產(chǎn)生的，而且還與土粒表面和水之間的一系列物理化學(xué)作用有關(guān)。基質(zhì)吸力也就等于孔隙氣壓力減去負(fù)的

19、孔隙水壓力，它與含水量之間有一定的對應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系稱為水分特征曲線。影響基質(zhì)吸力的首要因素是土的質(zhì)地，一般粘粒含量愈高，在相同飽和度下的吸力愈大其原因是粘質(zhì)土中細(xì)孔隙較多，表面能比較大。含水量對基質(zhì)吸力的影響明顯，同一土樣含水量越高，基質(zhì)吸力越小，含水量越低，基質(zhì)吸力越大。飽和土基質(zhì)吸力等于零當(dāng)土的含水量趨近于O%O%時,基質(zhì)吸力可達(dá) 620620980MPa980MPa 限值（Freidund,1964Freidund,1964）。對同一種土，其結(jié)構(gòu)類型也有影響，同樣含水量時，原狀土的基質(zhì)吸力較高，擾動土的基質(zhì)吸力較低，這種影響在吸力較低時尤為明顯。溫度升高時，水的粘滯度和表面張力下降，吸

20、力將會降低。溫度對基質(zhì)吸力的影響在飽和度低時尤為明顯，在細(xì)質(zhì)地土壤中也較粗質(zhì)地土壤明顯。土的膨脹收縮影響孔隙的分布，因而也會使基質(zhì)吸力發(fā)生改變。另外，基質(zhì)吸力還與土的水分變化過程有關(guān)，出現(xiàn)所謂滯后效應(yīng)，即在降低含水量（脫水曲線）及增加含水量（吸水曲線）情況下測出的水分特征曲線是不一樣的脫水曲線在吸水曲線的上面，說明在同樣基質(zhì)吸力條件下，脫水時要比吸水時具有較高的含水量。土樣初始基質(zhì)吸力量測過程如圖 3 35 5（1 1）一（1515）所示。這些圖有一個共同點(diǎn)，就是在試驗(yàn)后較短時間內(nèi)曲線達(dá)到峰值，而后隨著時間增長，曲線逐漸下降，趨于平穩(wěn),雖然個別會出現(xiàn)小幅度波動，但經(jīng)過大約 1212 小時后，最

21、終都會穩(wěn)定下來。之所以出現(xiàn)峰值是因?yàn)橐坏┰嚇颖环胖糜诘鬃?，孔隙水壓力量測系統(tǒng)即開始量測試樣中的孔隙水壓力，而這時孔隙氣壓力還沒來得及被人為提高，即孔隙氣壓力保持為零（相對于大氣壓，這樣量測出來的孔隙水壓力為負(fù)值并且負(fù)值會越來越高，直至采用軸平移技術(shù)增加孔隙氣壓力。隙氣壓力施加初始階段，增加的孔隙氣壓力并不能阻止孔隙水壓力的減?。簇?fù)值越來越大，二者的差值（基質(zhì)吸力）越來越大達(dá)到峰值，一定時間后，孔隙氣壓力增加速度大于孔隙水壓力減小速度，迫使孔隙水壓力逐漸增加,根據(jù)試驗(yàn)觀察，孔隙水壓力增加速度很快，超過孔隙氣壓力增加速度，迅速變?yōu)檎?，基質(zhì)吸力由峰值開始減小，逐漸趨于穩(wěn)定。個別曲線中間出現(xiàn)小幅

22、度波動，筆者認(rèn)為是外界環(huán)境（溫度、大氣壓等）影響所致。6161”樣曲線始終波動較大而不能很好穩(wěn)定，可能是由于試驗(yàn)用陶土板沒有完全飽和的緣故。筆者發(fā)現(xiàn)據(jù)此計算出的試樣體變誤差太大（甚至可以說是錯誤）,不能用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。由于時間限制，三軸剪切試驗(yàn)中只做了兩組含水量和三個圍壓下的試驗(yàn)果不能充分顯示黃土的特殊結(jié)構(gòu)性，今后應(yīng)作更廣、更深的研究。真正從非飽和土力學(xué)的角度去研究原狀黃土的強(qiáng)度和變形性狀。非飽和土試驗(yàn)中的先進(jìn)吸力控制技術(shù)摘要：介紹和評價了海外常用的 3 3 種吸力控制技術(shù)：軸平移、滲透和濕度控制。論述了每種技術(shù)的工作原理、發(fā)展過程、應(yīng)用情況和優(yōu)缺點(diǎn)。對文獻(xiàn)中采用軸平移和滲透技術(shù)得到的試驗(yàn)結(jié)

23、果進(jìn)行了比較和討論。另外，在直剪試驗(yàn)的剪切階段前施加不同的吸力平衡歷時，用以展示吸力平衡歷時對隨后的剪切過程中的各種剪切性狀（抗剪強(qiáng)度和體變）的影響。土的總吸力由基質(zhì)部分和滲透部分組成，總吸力的變化通常是由土中相對濕度的變化引起的。土中的氣水界面（收縮膜1 1）由于毛細(xì)作用通常會形成彎液面，導(dǎo)致土中相對濕度的下降。彎液面的曲率半徑與氣水界面處的孔隙氣壓 uaua和孔隙水壓 uwuw 之間的差值成反比，這個差值（ua-uwua-uw）被稱為基質(zhì)吸力。當(dāng)土中的孔隙水含有溶解的鹽分時，也會導(dǎo)致相對濕度的降低，這個降低量通常被稱為滲透吸力。在室內(nèi)試驗(yàn)中通?？捎脻穸瓤刂萍夹g(shù)2 2控制總吸力，用軸平移技術(shù)

24、3 3和滲透技術(shù)4 4控制基質(zhì)吸力，采用不同溶液作為土的孔隙液體或改變孔隙溶液的濃度來控制滲透吸力。軸平移技術(shù)HilfHilf 在 19561956 年提出軸平移技術(shù)3 3, ,通過提升孔隙氣壓 uaua 來使孔隙水壓 uwuw 達(dá)到正值，以避免排水系統(tǒng)中發(fā)生氣化，同時增大總應(yīng)力 b 以保持凈應(yīng)力（b-ua-ua）不變。此項技術(shù)可在遠(yuǎn)高于 1 1 個大氣壓的范圍內(nèi)對基質(zhì)吸力進(jìn)行控制，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于，試驗(yàn)結(jié)使用高進(jìn)氣值的多孔板來隔離土中的氣相和水相。只要施加的基質(zhì)吸力不超過進(jìn)氣值，多孔材料飽和后只允許水通過而不允許自由空氣通過。對于燒結(jié)的陶瓷板，進(jìn)氣值可達(dá) 15001500kPakPa。此項技

25、術(shù)已被眾多學(xué)者用來研究非飽和土的土水特性5,5,6 6、體變特性和剪切特性7 71010等方面性狀。圖2 2基于軸平移原理的非飽和土三軸試驗(yàn)系統(tǒng)圖3 3新型雙室非飽和土總體變量測系統(tǒng)但圖 2 2 所示為 HKUSTHKUST 的采用軸平移技術(shù)的非飽和土三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)包含了 1 1 個三軸室、4 4 個壓力控制器、6 6 個傳感器、1 1 個數(shù)字傳感器接口、1 1 臺計算機(jī)、1 1 套新型雙室總體變量測系統(tǒng)1212和 1 1 個擴(kuò)散空氣體積指示器。4 4 個控制器包括 2 2 個氣壓控制器和 2 2 個水壓/體積控制器，可單獨(dú)控制室壓、軸向應(yīng)力、孔隙氣壓和孔隙水壓。所有部件組成閉合的反饋控制

26、系統(tǒng)，可以在三軸應(yīng)力空間進(jìn)行應(yīng)變控制和應(yīng)力路徑試驗(yàn)。一塊高進(jìn)氣值陶瓷板用環(huán)氧樹脂密封到三軸室底座上。在底座上刻有螺旋型的凹槽，作為充水分隔室和用來沖洗可能由于孔隙空氣通過陶瓷板擴(kuò)散而聚集的氣泡。擴(kuò)散空氣體積指示器可用來量測這部分氣泡的體積。根據(jù)軸平移原理，可以通過一個水壓控制器和一個氣壓控制器來實(shí)現(xiàn)對基質(zhì)吸力的控制。 水壓控制器通過陶瓷板和充水分隔室在試樣底部進(jìn)行孔隙水壓的量測和控制，氣壓控制器通過試樣頂部的多孔過濾板進(jìn)行孔隙氣壓的控制。圖 3 3 為三軸試驗(yàn)系統(tǒng)(圖 2)2)的總體變量測系統(tǒng)。該雙室總體變量測系統(tǒng)通過量測內(nèi)室和參照管之間的水壓力差來量測試樣的總體積變化。開頂瓶狀的內(nèi)室被封固到

27、三軸儀外室的底座上， 一個高精度的差壓傳感器被連接到內(nèi)室和參照管。 當(dāng)試樣體積發(fā)生變化，內(nèi)室水位會發(fā)生顯著的變化，而位于外室的參照水位保持不變。由差壓傳感器量測內(nèi)室和參照水位的壓力差，就可準(zhǔn)確連續(xù)地得到試樣的總體變。新雙室三軸儀用于非飽和土體積變化的連續(xù)測量和三軸壓縮試驗(yàn)基于 GDSGDS 的非飽和土強(qiáng)度三軸試驗(yàn)研究進(jìn)行非飽和土試驗(yàn)時，當(dāng)量測系統(tǒng)中的水壓力接近-1-1 大氣壓時，水將開始出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，并使量測系統(tǒng)中充滿氣體，為避免量測低于零絕對壓力的孔隙水壓力，通常采用軸移技術(shù)(axistranslationtechnique)1(axistranslationtechnique)1。其次,孔

28、隙氣壓力和負(fù)孔隙水壓力的同時出現(xiàn)使土的有效應(yīng)力不再等于粒間壓力，從而使飽和土的有效應(yīng)力原理在非飽和土力學(xué)中的適用性需要重新評價。因此，非飽和土的強(qiáng)度公式不能簡單地從飽和土推廣得到，而必須建立其特有的強(qiáng)度公式?；炫c飽和有關(guān)白經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，稱為非飽和土有效應(yīng)力參數(shù)，其數(shù)值取決于土的類別飽和度、干濕循環(huán)以及加載和吸力的路徑。/=0/=01 1.0.0，飽和土的/=1/=1.0.0, ,干土的/=0,/=0,BishopBishop 公式的合理性曾為許多學(xué)者所接受，但由于公式中參數(shù) x x 取值的影響因數(shù)眾多，且吸力的值也較難測定，因而限制了其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。雙變量的抗剪強(qiáng)度公式就是將 Mohr-Co

29、ulombMohr-Coulomb 準(zhǔn)則推廣到以 C C（r-uar-ua）和（ua-uwua-uw）為坐標(biāo)軸的三維空間上。法向有效應(yīng)力（。-Q Q國I I非他和土的摩爾庫侖破壞包絡(luò)面用三維摩爾庫侖包絡(luò)面（見圖 1 1）表明：隨著吸力的增大，土的有效粘聚力 cc也在變大而其在單位吸力上的增幅就是 tantan（j j）b b。許多研究者完成的試驗(yàn)結(jié)果顯示:tan:tan（j j）b b 在低吸力的范圍內(nèi)呈線性增長，如果能在三軸實(shí)驗(yàn)中控制土的吸力值，就可以確定非飽和土的強(qiáng)度參數(shù) 4 4b b。試驗(yàn)開始時施加一定的孔隙水壓力，使壓力室底座的高進(jìn)氣值陶瓷板完全飽和，同時水流自下而上地飽和壓力室內(nèi)試樣

30、；飽和過程結(jié)束后，打開壓力室的上下排水閥門，在維持試樣中孔隙水壓力為零的條件下，施加圍壓向排水固結(jié)試樣；再保持孔隙水壓（uw=0uw=0）不變，施加并維持孔隙氣壓 uaua（uao3uao3）, ,即施加吸力 ua-uw=us;ua-uw=us;在施加的吸力達(dá)到平衡后，施加軸向壓力 d d 并開始剪切，剪切速率為 0.005mm/min0.005mm/min。圖 3 3 為吸力為 200kPa,200kPa,凈圍壓為 50kPa50kPa 的固結(jié)時間曲線，吸力是分兩次加載的，第 1 1 次加吸力為 100kPa,100kPa,凈圍壓為50kPa,50kPa,當(dāng)排水量趨于穩(wěn)定的時候，即曲線的下段

31、趨于水平時再加載第 2 2步,吸力為 200kPa,200kPa,凈圍壓為 50kPa,50kPa,當(dāng)排水量再趨于穩(wěn)定的時候，即曲線的下段趨于水平時即認(rèn)為固結(jié)完成。這兩步都是每 60s60s 記錄一次。三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)(1)此心墻堆石壩填料非飽和土在不同吸力下得到的有效內(nèi)摩擦角。比較接近從而說明有效內(nèi)摩擦角 r r 與吸力無關(guān)。(2)(2)試驗(yàn)表明雙變量強(qiáng)度理論適用于此類非飽和土，且與吸力有關(guān)的摩擦角(f)b=10.1(f)b=10.1。(3)(3)相同凈圍壓下，吸力越小達(dá)到破壞峰值時應(yīng)力比越大。(4)(4)低基質(zhì)吸力下試樣的剪脹性更加明顯GDSGDS 三軸儀的非飽和土試驗(yàn)操作方法

32、試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作1 1 . .制備無氣水2 2 . .傳感器讀數(shù)清零試驗(yàn)結(jié)果是以數(shù)據(jù)形式反映出來的，如果傳感器讀數(shù)不準(zhǔn)，采集的數(shù)據(jù)不能用，那么試驗(yàn)就是失敗的，所以在試驗(yàn)之前要進(jìn)行驗(yàn)證.傳感器主要是孔壓傳感器(位移傳感器在試驗(yàn)開始時自動變?yōu)榱?,),打開連接該傳感器的閥門，使里面的水與大氣相通， 此時傳感器讀數(shù)應(yīng)該為零， 如果不為零則調(diào)整為零.四臺控制器也以同樣的方法調(diào)零。3 3 . .飽和陶土板參考弗雷德隆德1111的方法，在不裝試樣的情況下，將壓力室的外罩裝好并在壓力室內(nèi)充滿水，用圍壓控制器向壓力室內(nèi)施加約 600kPa600kPa 的壓力然后將連接陶土板的細(xì)塑料管出口端閥門關(guān)閉（出口端有兩

33、個，閥門也是兩個，一個出口端與反壓控制器相連， 另一個直接暴露在空氣中） .壓力室里的水因受壓而通過陶土板彳寺陶土板下的水壓力（通過孔壓傳感器測得，在電腦上可以讀出）與壓力室內(nèi)水壓力相等后，陶土板的上下表面以及板中水所承受的全等于施加的室壓力在該壓力下持續(xù)約 1h,1h,在此期間，板中的滯留空氣溶解于水中，然后打開閥門，細(xì)塑料管中的水壓力瞬時減小至零，陶土板中的水在壓力差作用下流入塑料管，先前溶解于水中的空氣又被釋放出來形成氣泡聚集于塑料管中.保持閥門開啟直至氣泡被完全排出后再次關(guān)閉閥門，重復(fù)上述步驟約 6 6 次后，可使陶土板達(dá)到飽和。做完一個試樣后做下一個試樣，如果還用上述的陶土板飽和方法

34、就顯得有些煩瑣，這里介紹一種簡便的方法.做完試驗(yàn)后取下試樣，迅速把陶土板擦干凈，在陶土板上面包一層保鮮膜并用橡皮纏緊，防止水份蒸發(fā).然后打開連接陶土板的細(xì)塑料管出口端兩個閥門，用吸滿水的吸球從一個閥門沖水從另個閥門出水把陶土板下面的氣泡沖出來.再用反壓控制器施加 30kPa30kPa 的壓力于陶土板底部（注意壓力不能超過 50kPa,50kPa,否則會把陶土板沖出底座）.保持 30kPa30kPa 的壓力直至陶土板上表面和保鮮膜中充滿水.當(dāng)然，要完全飽和陶土板，徹底排除陶土板中的滯留空氣是很難做到的， 但經(jīng)過上述步驟后， 用這樣的陶土板測出土樣基質(zhì)吸力已不是問題了。試驗(yàn)方法與步驟裝試樣將試樣套上橡皮膜并在兩端貼上濾紙，抹去陶土板上多余的水，將試樣置于陶土板上（注意此處不需要放透水石，與陶土板緊密貼合，通過陶土