水利工程甲级资质所需要掌握的技能之三轴压缩试验

三轴压缩试验

19.1.1土样粒径应小于20mm。
19.1.2根据排水条件的不同,本试验可分为不固结不排水剪、固结不排水剪(C和固结排水剪3种试验类型。

19.1.3对于无法取得多个试样、灵敏度较低的原状土,可采用个试样多级加荷试验。

19.2.1本试验所用的仪器设备应符合下列规定:
1应变控制式三轴仪(图19.2.1-1):由反压力控制系统、周围压力控制系统、压力室、孔隙水压力量测系统组成。其技术条件应符合现行国家标准《岩土工程仪器基本参数及通用技术条件》GB/T15406及《土工试验仪器三轴仪第1部分:应变控制式三轴仪》GB/T24107.1的规定

2附属设备应符合下列规定:
1)击实器(图19.2.1-2);

2)饱和器(图19.2.1-3);

3)切土盘(图19.2.1-4);

4)切土器和切土架(图19.2.1-5);

5)原状土分样器(图19.2.1-6);

6)承膜筒(图19.2.1-7);

7)制备砂样圆模(图19.2.1-8),用于冲填土或砂性土。

3天平:称量200g,分度值0.01g;称量1000g,分度值0.1g;称量5000g,分度值1g;
4负荷传感器:轴向力的最大允许误差为±1%;
5位移传感器(或量表):量程30mm,分度值0.01mm
6橡皮膜:对直径为39.1mm和61.8mm的试样,橡皮膜厚度宜为0.1mm~0.2mm;对直径为101mm的试样,橡皮膜厚度宜为0.2mm~0.3mm;
7透水板:直径与试样直径相等,其渗透系数宜大于试样的渗透系数,使用前在水中煮沸并泡于水中。
19.2.2试验时的仪器应符合下列规定:
1根据试样的强度大小,选择不同量程的测力计。
2孔隙压力量测系统的气泡应排除。其方法是:孔隙压力量测系统中充以无气水并施加压力,小心地打开孔隙压力阀,让管路中的气泡从压力室底座排出。应反复几次直到气泡完全冲出为止。孔隙压力量测系统的体积因数应小于1.5×10-5cm3/kPa。
3排水管路应通畅。活塞在轴套内应能自由滑动,各连接处应无漏水漏气现象。仪器检查完毕,关周围压力阀、孔隙压力阀和排水阀以备使用。
4橡皮膜在使用前应仔细检查。其方法是扎紧两端,在膜内充气,然后沉入水下检查,应无气泡溢出。

19.3.1试样制备应按下列步骤进行:
1试样高度h与直径D之比(h/D)应为2.0~2.5,直径D分别为39.1mm、61.8mm及101.0mm。对于有裂隙、软弱面或构造面的试样,直径D宜采用101.0mm。
2原状土试样制备应按下列规定进行
1)对于较软的土样,先用钢丝锯或削土刀切取一稍大于规定尺寸的土柱,放在切土盘(图19.2.1-4)的上、下圆盘之间。再用钢丝据或削土刀紧靠侧板,由上往下细心切削边切削边转动圆盘,直至土样的直径被削成规定的直径为止。然后按试样高度的要求,削平上下两端。对于直径为10cm的软黏土土样,可先用原状土分样器(图1.2.1-6)分成3个土柱,再按上述的方法切削成直径为39.1mm的试样;
2)对于较硬的土样,先用削土刀或钢丝锯切取一稍大于规定尺寸的土柱,上、下两端削平,按试样要求的层次方向放在切土架上,用切土器(图19.2.1-5)切削。先在切土器刀口内壁涂上一薄层油,将切土器的刀口对准土样顶面,边削土边压切土器,直至切削到比要求的试样高度高约2cm为止,然后拆开切土器,将试样取出,按要求的高度将两端削平。试样的两端面应平整,互相平行,侧面垂直,上下均匀。在切样过程中,当试样表面因遇砾石而成孔洞时,允许用切削下的余土填补;
3)将切削好的试样称量,直径为101.0mm的试样应准确至1g;直径为61.8mm和39.1mm的试样应准确至0.1g。取切下的余土,平行测定含水率,取其平均值作为试样的含水率。试样高度和直径用卡尺量测,试样的平均直径应按下式计算

4)对于特别坚硬的和很不均匀的土样,当不易切成平整、均匀的圆柱体时,允许切成与规定直径接近的柱体,按所需试样高度将上下两端削平,称取质量,然后包上橡皮膜,用浮称法称试样的质量,并换算出试样的体积和平均直径
3扰动土试样制备的击实法应按下列步骤进行:
1)选取一定数量的代表性土样。直径为39.1mm的试样约取2kg,直径为61.8mm和101.0mm试样分别取10kg和20kg。经风干、碾碎、过筛,筛的孔径应符合本标准表19.3.1的规定,测定风干含水率,按要求的含水率算出所需加水量

2)将需加的水量喷洒到土料上拌匀,稍静置后装入塑料袋,然后置于密闭容器内至少20h,使含水率均匀。取出土料复测其含水率。含水率的最大允许差值应为±1%当不符合要求时,应调整含水率至符合要求为止;
3)击样筒的内径应与试样直径相同。击锤的直径宜小于试样直径,也可采用与试样直径相等的击锤。击样筒壁在使用前应洗擦干净,涂一薄层凡士林;
4)根据要求的干密度,称取所需土质量。按试样高度分层击实,粉土分3层~5层,黏土分5层~8层击实。各层土料质量相等。每层击实至要求高度后,将表面刨毛,再加第2层土料。如此继续进行,直至击实最后一层。将击样筒中的试样两端整平,取出称其质量。
4砂土试样制备应按下列步骤进行
1)根据试验要求的试样干密度和试样体积称取所需风干砂样质量,分三等份,在水中煮沸,冷却后待用;
2)开孔隙压力阀及量管阀,使压力室底座充水。将煮沸过的透水板滑入压力室底座上,并用橡皮带把透水板包扎在底座上,以防砂土漏入底座中。关孔隙压力阀及量管阀,将橡皮膜的一端套在压力室底座上并扎紧,将对开模套在底座上,将橡皮膜的上端翻出,然后抽气,使橡皮膜贴紧对开模内壁(图19.2.1-8);
3)在橡皮膜内注脱气水约达试样高的1/3。用长柄小勺将煮沸冷却的一份砂样装入膜中,填至该层要求高度。对含有细粒土和要求高密度的试样,可采用干砂制备,用水头饱和或反压力饱和
4)第1层砂样填完后,继续注水至试样高度的2/3,再装第2层砂样。如此继续装样,直至模内装满为止。如果要求干密度较大,则可在填砂过程中轻轻敲打对开模,使所称出的砂样填满规定的体积。然后放上透水板、试样帽,翻起橡皮膜,并扎紧在试样帽上
5)开量管阀降低量管,使管内水面低于试样中心高程以下约0.2m,当试样直径为101mm时,应低于试样中心高程以下约0.5m。在试样内产生一定负压,使试样能站立。拆除对开模,测量试样高度与直径应符合本标准第19.3.1条第2款第3项的规定,复核试样干密度。各试样之间的干密度最大允许差值应为0.03g/cm3。
19.3.2试样饱和宜选用下列方法:
1抽气饱和法:应将装有试样的饱和器置于无水的抽气缸内,进行抽气,当真空度接近当地1个大气压后,应继续抽气,继续抽气时间宜符合表19.3.2的规定。

当抽气时间达到表19.3.2的规定后,徐徐注入清水,并保持真空度稳定。待饱和器完全被水淹没即停止抽气,并释放抽气缸的真空。试样在水下静置时间应大于10h,然后取出试样并称其质量。
2水头饱和法适用于粉土或粉土质砂。应按本标准第19.3.1条第4款第1项~第5项规定的步骤安装试样,试样顶用透水帽,然后施加20kPa的周围压力,并同时提高试样底部量管的水面和降低连接试样顶部固结排水管的水面,使两管水面差在1m左右。打开量管阀、孔隙压力阀和排水阀,让水自下而上通过试样,直至同一时间间隔内量管流出的水量与固结排水管内的水量相等为止。当需要提高试样的饱和度时,宜在水头饱和前,从底部将二氧化碳气体通入试样,置换孔隙中的空气。二氧化碳的压力宜为5kPa~10kPa,再进行水头饱和。
3反压力饱和法:试样要求完全饱和时,可对试样施加反压力。
1)试样装好后装上压力室罩,关孔隙压力阀和反压力阀,测记体变管读数。先对试样施加20kPa的周围压力预压,并开孔隙压力阀待孔隙压力稳定后记下读数,然后关孔隙压力阀;
2)反压力应分级施加,并同时分级施加周围压力,以减少对试样的扰动,在施加反压力过程中,始终保持周围压力比反压力大20kPa,反压力和周围压力的每级增量对软黏土取30kPa;对坚实的土或初始饱和度较低的土,取 50kPa--70kPa
3)操作时,先调周围压力至50kPa,并将反压力系统调至30kPa,同时打开周围压力阀和反压力阀,再缓缓打开孔隙压力阀,待孔隙压力稳定后,测记孔隙压力计和体变管读数,再施加下一级的周围压力和反压力;
4)计算每级周围压力下的孔隙压力增量△u,并与周围压力增量△o3比较,当孔隙水压力增量与周围压力增量之比△u/△3>0.98时,认为试样饱和;否则应按本标准第9.3.2条第3款的规定重复,直至试样饱和为止

19.4.1试样的安装应按下列步骤进行:
1对压力室底座充水,在底座上放置不透水板,并依次放置试样、不透水板及试样帽。对于砂性土的试样安装,应按本标准第1.3.1条第4款的规定进行。
2将橡皮膜套在承膜筒内,两端翻出筒外(图19.2.1-7),从吸气孔吸气,使膜贴紧承膜筒内壁,套在试样外,放气,翻起橡皮膜的两端,取出承膜筒。用橡皮圈将橡皮膜分别扎紧在压力室底座和试样帽上。
3装上压力室罩。安装时应先将活塞提升,以防碰撞试样压力室罩安放后,将活塞对准试样帽中心,并均匀地旋紧螺丝。4开排气孔,向压力室充水,当压力室内快注满水时,降低进水速度,水从排气孔溢出时,关闭排气孔
5关体变传感器或体变管阀及孔隙压力阀,开周围压力阀,施加所需的周围压力。周围压力大小应与工程的实际小主应力3相适应,并尽可能使最大周围压力与土体的最大实际小主应力a3大致相等。也可按100kPa、200kPa、300kPa、00kPa施加。
6上升升降台,当轴向测力计有微读数时表示活塞已与试样帽接触。然后将轴向负荷传感器或测力计、轴向位移传感器或位移计的读数调整到零位。
19.4.2剪切试样应按下列步骤进行:
1剪切应变速率宜为0.5%/min~1.0%/min。
2开动试验机,进行剪切。开始阶段,试样每产生轴向应变0.3%~0.4%时,测记轴向力和轴向位移读数各1次。当轴向应变达3%以后,读数间隔可延长为每产生轴向应变0.7%~0.8%时各测记1次。当接近峰值时应加密读数。当试样为特别硬脆或软弱土时,可加密或减少测读的次数。
3当出现峰值后,再继续剪3%~5%轴向应变;轴向力读数无明显减少时,则剪切至轴向应变达15%~20%。
4试验结束后,关闭电动机,下降升降台,开排气孔,排去压力室内的水,拆除压力室罩,揩干试样周围的余水,脱去试样外的橡皮膜,描述破坏后形状,称试样质量,测定试验后含水率。对于直径为39.1mm的试样,宜取整个试样烘干;直径为61.8mm和101mm的试样,可切取剪切面附近有代表性的部分土样烘干。

19.5.1试样的安装应按下列步骤进行:
1开孔隙压力阀及量管阀,使压力室底座充水排气,并关阀然后放上试样,试样上端放一湿滤纸及透水板。在其周围贴上7条~9条浸湿的滤纸条,滤纸条宽度为试样直径的1/5~1/6。滤纸条两端与透水石连接,当要施加反压力饱和试样时,所贴的滤纸条必须中间断开约试样高度的1/4,或自底部向上贴至试样高度3/4处。
2应按本标准第19.4.1条第2款的规定将橡皮膜套在试样外。橡皮膜下端扎紧在压力室底座上。
3用软刷子或双手自下向上轻轻按抚试样,以排除试样与橡皮膜之间的气泡。对于饱和软黏土,可开孔隙压力阀及量管阀,使水徐徐流入试样与橡皮膜之间,以排除夹气,然后关闭。
4开排水管阀,使水从试样帽徐徐流出以排除管路中气泡,并将试样帽置于试样顶端。排除顶端气泡,将橡皮膜扎紧在试样帽上。
5降低排水管,使其水面至试样中心高程以下20cm~40cm,吸出试样与橡皮膜之间多余水分,然后关排水管阀。
6应按本标准第19.4.1条第3款、第4款的规定,装上压力室罩并注满水。然后放低排水管使其水面与试样中心高度齐平,测记其水面读数,并关排水管阀。
19.5.2试样排水固结应按下列步骤进行:
1使量管水面位于试样中心高度处,开量管阀,测读传感器,记下孔隙压力起始读数,然后关量管阀。
2施加周围压力应符合本标准第19.4.1条第5款的规定并调整负荷传感器或测力计、轴向位移传感器或位移计的读数。
3打开孔隙压力阀,测记稳定后的孔隙压力读数,减去孔隙压力计起始读数,即为周围压力与试样的初始孔隙压力。
4开排水管阀,按0min、0.25min、1min、4min、9min…时间测记排水读数及孔隙压力计读数。固结度至少应达到95%,固结过程中可随时绘制排水量△V与时间平方根或时间对数曲线及孔隙压力消散度与时间对数曲线。若试样的主固结时间已经掌握,也可不读排水管和孔隙压力的过程读数。
5当要求对试样施加反压力时,则应符合本标准第19.3.2条第3款的规定。关体变管阀,增大周围压力,使周围压力与反压力之差等于原来选定的周围压力,记录稳定的孔隙压力读数和体变管水面读数作为固结前的起始读数
6开体变管阀,让试样通过体变管排水,并应按本标准第19.5.2条第2款~第4款的规定进行排水固结。
7固结完成后,关排水管阀或体变管阀,记下体变管或排水管和孔隙压力的读数。开动试验机,到轴向力读数开始微动时,表示活塞已与试样接触,记下轴向位移读数,即为固结下沉量△h。依此算出固结后试样高度h。然后将轴向力和轴向位移读数都调至零。8其余几个试样按同样方法安装试样,并在不同周围压力下排水固结。
19.5.3剪切试样应按下列步骤进行:
1剪切应变速率宜为0.05%/min~0.10%/min,粉土剪切应变速率宜为0.1%/min~0.5%/min;
2开始剪切试样。测力计、轴向变形、孔隙水压力的测记应符合本标准第19.5.2条第3款、第4款规定;
3试验结束后,关闭电动机,下降升降台,开排气孔,排去压力室内的水,拆除压力室罩,揩干试样周围的余水,脱去试样外的橡皮膜,描述破坏后形状,称试样质量,测定试验后含水率

19.6.1试样的安装、固结应按本标准第19.5.1条、第19.5.2条的规定进行
19.6.2试样的剪切应按本标准第19.5.3条的规定进行,但在剪切过程中应打开排水阀。剪切速率宜为0.003%/min~0.012%min。

19.7.1不固结不排水剪试验应按下列步骤进行:
1试样的安装应符合本标准第19.4.1条的规定。
2施加第一级周围压力,试样剪切应符合本标准第19.4.2条第1款的规定。当测力计读数达到稳定或出现倒退时,测记轴向位移和测力计读数,关闭电机停止剪切,将轴向压力退至零。
3施加第二级周围压力。此时测力计因施加周围压力而增加,应重新调至原来读数值,然后升高升降台。当测力计读数微动时,表示试样帽与测力系统重新接触,再按原剪切速率剪切,直至测力计读数稳定或接近稳定为止。按此进行其余各级周围压力的试验。最后一级周围压力下的剪切累积应变不应超过20%。
4试验结束后,关周围压力阀,拆除压力室罩,取下试样称量,并测定剪切后的含水率。
19.7.2固结不排水剪试验应按下列步骤进行:
1试样的安装应符合本标准第19.5.1条的规定。
2试样的固结应符合本标准第19.5.2条的规定。
3试样的剪切应符合本标准第19.5.3条的规定。施加第一级周围压力,试样剪切应变速率应符合本标准第19.5.3条第1款的规定。第一级剪切完成后,退除轴向压力,待孔隙水压力稳定后施加第二级周围压力,进行排水固结。
4固结完成后进行第二级周围压力下的剪切,并按本标准第19.7.2条第1款~第3款的步骤进行第三级周围压力下的剪切累计剪切累积应变不应超过20%。
5试验结束后,关周围压力阀,尽快拆除压力室罩,取下试样称量,并测定剪切后的含水率。

19.8.1计算应符合下列规定
1试样的高度、面积、体积及剪切时的面积应按表19.8.1中的公式计算。

本文主要引述自GB/T50123-2019规范