GDS三轴实验技术与方法第二部分

图 7 饱和土与非饱和土的简单说明
当评估不饱和土壤时,Fredlund 和 Rahardjo(1993)建议不 仅仅考虑现场的有效应力，而采用两个应力变量：常规应力 （σ − ������������）和基质吸力（������������ − ������������）, σ为总法相应力，������������为孔隙 水压力，������������为孔隙气压力，并且������������ > ������������。由于孔隙气压力的存 在，在研究非饱和土时需要额外的硬件，在测试试样体变时也需 要更加复杂的方法。
1. 使用空气气压/体积控制器。 2. 采用内压力室和小量程的差压传感器。 3. 采用双层压力室。 4. 采用局部轴向和径向应变传感器。
每一种测量体变的方法都采用了不同的技术，同时它们也有各自 的优点和缺点。对于各种方法的总结如下：
如图 8 所示，气压力通过试样帽施加，反压（孔隙水压力） 通过基座施加。采用最适合高压空气的圆盘作为底座，或者 HAEPD。HAEPD 需要将孔隙气和孔隙水分开，使试样维持一个基 质吸力
局部应变测量
常规三轴系统测量变形的传感器通常在三轴压力室的外部。 在这种情况下，位移传感器安装在加压杆（第一部分图 2：三轴 试验介绍）上面，轴向应变通过反压控制器的体积变化或者位移 传感器来测量。
局部径向位 移传感器（霍 尔效应）
插入弯曲供足够的精度应变测 量，但不能测量刚度或者强度的峰值或者最有代表原位土壤响应 剪切区发生的小应变。这主要是由于位移传感器测量的数值包括 系统运动和变形等一些无关试样体积变化的量。基座损坏、顶帽 被压入试样顶部，也造成无法精确测量小应变。试样顶部和底部 与顶盖和底座接触产生摩擦使得试样高度范围内产生不均匀的 变形，这意味着只有中间三分之一的试样被认为是不受限制的, 构成主剪切区域，这最代表原状土的响应。
孔隙气压力施加
孔隙气压力有两种施加方法：通过压缩空气供应，或者采用 空气压力/体积控制器。采用压缩空气施加气压力比压力/体积控 制器更加快速（这主要是由于空气的高压缩性造成的），但是采 用压缩空气供应时不能测量进入试样的气体体积。
测量试样体变
当进行非饱和三轴试验时，试样最初处于饱和状态，然后增 加基质吸力使其变成非饱和状态（通过土水特征曲线中基质吸力 与饱和度来确定）。改变土体的非饱和状态时不能够单独采用反 压体积，体变测量更加复杂，这主要是由于试样中的空气的高压 缩性造成的，所以需要采用其它方法来测量试样的体变。测量体 变需要的硬件如下：
图 5 弯曲元测试示意图、发射波和接收波
两种类型的波的主要区别在于离子相对于波的运动方向。P 波为纵波，表示离子的移动方向与波的传播一致。S 波为横向波， 这表示离子移动的方向与波的传动方向垂直。
图 6 GDS 弯曲元系统
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非饱和试验
传统三轴系统和一系列的改进都是要求试样完全饱和，这个 要求也就相当于在现场中土壤位于地下水位以下，如图 7 所示， 然而在现实中有很多情况下土体在地下水位以上，事实上地球上 60%的人口处于干旱地区，地下水位很深，也就是说在这些区域 岩土工程主要为非饱和土。
图 2 采用总应变测量和局部应变测量两种测得的普通试验 剪切过程中的响应情况
图 4 中平面孔压传感器安装示意图（从 Meilani 等人更改， 2002）
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就像它的名称一样，这些传感器安装在试验中部或者接近中部。 在橡皮膜上开一个小孔并将传感器与试样接触，在试样和橡皮膜 之间安放一个法兰环。在这个位置透水石与试样直接接触，通过 通过隔膜的运动来测量孔压。需要保证隔膜与透水石之间完全被 水填充以保证测试的准确性。
本系列文章共分为以下主题： 1． 三轴试验介绍 2． 高级三轴试验 3． 动三轴试验
简介 本文介绍了一套先进的三轴测试系统，可用来确定常规三轴
系统不能得到的土体参数，或者让土体的反应尽量接近现场状态。 本文包括以下部分：
l 局部应变测量 l 局部孔压测量 l 弯曲元试验 l 非饱和土试验 l 高级软件控制
为了说明采用局部应变传感器的好处，图 2 展示了采用总 应变测量和局部应变测量两种测得的结果。通过小应变传感器能 够捕捉到小的应变，
并消除了底座损坏和系统的制约，使得两种方法的结果有着显著 地不同（比如 0.5%），同时试样初始刚度比采用总应变测得的 更大。
采用局部应变测得的刚度更高也更符合现场状态，图 3 展 示了剪切模量的退化曲线。通过采用小的剪切模量和不太保守的 设计，能够降低工程成本。注意：在进行数值计算时采用小应变 来准确估计土的剪切模量也是非常重要的。
局部轴向应变传感器
试样的局部应变可以通过将两个相隔 180°的位移传感器 垂直安装在试样中部的 1/3 区域来测量。图 1 显示的是霍尔效应 位移传感器，也可以应用其它传感器，如迷你线性位移传感器 （LVDT）。每个传感器通过两个安装块固定在试样上，它们相对 运动来测量试样变形。这种传感器通过计算两个安装块之间距离 的变化（称为计量长度）来计算试样的轴向应变，而不是采用试 样的初始高度。
图 5 展示了三轴试样中一个典型垂直弯曲元的原理详图。注意这 个图中发射或者接受的波均为 S 波。
l Vp>Vs’
实际上，弯曲元就是来测试 Vp 和 Vs’ 。通过测量波从一个元 件发送到另一个元件所需要的时间，然后用两个元件之间的距离 除以该时间。值得注意的是由于不能准确获得波传播到接受元件 的时间，所以传播时间不直接获取，主要根据岩土力学中推荐的 方法由用户来确定。
中平面孔压传感器
局部轴向位移传感器（霍尔效应）
这些误差都可以通过放置的轴向和径向的应变传感器直接 测量来减小。
图 1 三轴测试系统、局部轴向和径向霍尔效应传感器、 中
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平面孔压传感器和弯曲元
局部轴向应变传感器
三轴试样的径向应变可以通过安装在试样中心的一个位移 传感器来测量。通过两个相隔 180 度的垫块固定在试样上，垫块 的两个部分采用铰链连接。当试样膨胀时两个垫块距离增大，当 收缩时距离减小。该传感器安装成钳口开放的形式，致使所测得 的位移是实际变形的两倍。图 1 显示的是安装径向霍尔效应传感 器，如果需要也可以采用 LVDT。
图 8 典型的非饱和装置
（������������ − ������������）。采用天然陶瓷材料，当饱和后在其上方施加一个 比孔隙水压力大的孔隙气压。这个材料能够阻止空气流出试样， 气 体 压 力 的 最 大 值 就 是 进 气 值 。 HAEPD 的 进 气 值 一 般 在 300~1500kPa 之间。
Overview: This three part series has been written to introduce one of the most versatile tests in the geotechnical laboratory – the triaxial test. The papers provide a detailed introduction to the subject of triaxial testing, including the many variations available for assessing soil response across a range of engineering applications.
估算 P 波和 S 波的速率后，要估算 K 和 G 值只需要知道试样 的体积密度，体积密度乘以波速的平方，波速需要尽可能准确的 确定。注意：有时候 P 波可以用来表示试样的饱和度，当试样达 到饱和时 P 波的速率应该接近 1450m/s（P 波在水中的速率）。
图 6 展示了弯曲元系统，包括控制箱用于采集和记录波形。如果 在三轴系统中不止一套弯曲元（例如同时使用垂直和横向元件）， 可以增加一个从属箱。
三轴试验技术与方法 1
Sean Rees 博 士 2
（1．本文为系列第 2 部分，2. GDS 岩土试验研究专家）
综 述 ： 这三部系列主要用于介绍岩土工程试验中最为通用的方法之——三轴试验。该报告对三轴试验这个课题提供的详尽的介绍，包 括许多衍生可以用于评估土体响应范围内的工程应用。
弯曲元测试
试样中非常小的应变响应可以通过弯曲元获得。如图 3 所示， 弯曲元还可以测量最大剪切模量（Gmax），这个参数在岩土设计 和数值计算中非常有用。
更多关于波在土壤中的传递可以查看文献，关于弯曲元方面的重 要结论如下：
l P 波的速率被土体的体积和剪切模量控制，分别为 K 和 G。
l P 波通过水来传播，所以 P 波的速率与土体的饱和度有关
采用何种方式固定传感器到土样上需要根据所测的土体。通 常采用粘合剂，例如乐泰胶水或者采用硅胶和不锈钢针联合使用 在试样上安装轴向或者径向垫块。由于不刺穿橡皮膜，所以接触 粘合剂应用较多。
但在某些情况下可能要用针将垫片固定在某些地方，这需要 使用硅密封胶来防止电池液泄漏到试样上，注意只有当试样足够 软允许将针插入试样内部。
先进的软件控制
forUnsaturated Soils, New York, John Wiley.
Jardine, R. J., Symes, M. J. & Burland, J. B. 1984. The measurementof soil stiffness in the triaxial apparatus. Géotechnique, Vol. 34, No. 3, p 323-340.
l 采用孔隙气压和反压体积两个控制器联合使用来计算试样的 体变。
l 采用两个或者三个装置来测量由于试样体积变化引起的内压 力室水位或者体积的变化。
l 直接采用局部应变传感器测量轴向和径向应变来计算试样 体变。
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要确定那个选型最适合进行三轴试验，每种方法都要进行详细的 评估，也要考虑试验类型。
l S 波的速率由土的剪切模量 G 控制