K0固结排水试验

固结排水实验

固结排水实验是指试样在施加周围压力时允许排水固结，待固结稳定后，再在排水条件下施加竖向压力至试件剪切破坏。在剪切 过程中试样内孔隙水压力始终为零。可测定土的排水剪切强度参数，等于有效应力强度参数。可根据测定的应力、应变及试样体积变化关系，计算切线模量和切线泊桑比等。对应于直接剪切试验的快剪、固结快剪、慢剪试验，三轴压缩试验按剪切前受到的周围压力的固结状态和剪切时的排水条件，分为3种类型：不固结不排水试验、固结不排水试验和固结排水试验。

孔隙水压力

孔隙水压力是指土壤或岩石中地下水的压力，该压力作用于微粒或孔隙之间。其分为静孔隙水压力和超静孔隙水压力。对于无水流条件下的高渗透性土，孔隙水压力约等于没有水流作用下的静水压力。对于有水流条件下的高渗透性土，其孔隙水压力计算比较复杂。

超空隙水压力

超空隙水压力：土力学指出，在加荷过程中，饱水体系所承受的附加压力P是由于水和颗粒骨架两相分别承担。其中由水承受的压力称为中性压力Pwe，由于颗粒骨架承受的那部分称为有效压力PS，这种由于附加应力引起的中性压力，不同于土体中静水压力造成的孔隙水压力Pw0，称为剩余孔隙水压力或超孔隙水压力。

初始应力

初始应力，即原岩应力、天然应力，在地质学中通常被称为“地应力”，是岩体处于天然产状条件下所具有的内应力。包括自重应力，构造应力，岩石遇水后引起的膨胀应力，温度变化引起的温度应力，结晶作用、变质作用、沉积作用、固结作用、脱水作用所引起的应力，岩石不连续引起的自重应力波动等。其中主要是自重应力和构造应力。初始应力主要影响地下硐室围岩的应力重分布、围岩的变形和稳定性、山岩压力的大小、岩坡和岩基的稳定性，是工程设计中必不可少的原始资料，一般应通过现场测量的方法（如应力解除法）来测定。工程中近似计算时，往往用自重应力代替。在空间的分布状态称“原岩应力场”或“初始应力场”。

土体蠕变特性的试验研究多数基于常规的等向固结三轴试验进行， 而没有考虑土体K0固结情况对其蠕变特性的影响。随着对天然状态 K0固结土的研究不断深入，人们逐渐认识到各向异性对土体的蠕变性。蠕变是指在应力不增加的情况下，随着时间的增长变形继续缓慢增加的现象。自然界许多地质现象说明，即使温度和围压不高，应力差也不大，但由于应力作用时间十分长，也出现随时间增长而不断变形的现象。岩石在地质条件下的蠕变可以产生相当大的变形而所需要的应力却不一定很大。蠕变随时间的延续大致分3个阶段：①初始蠕变或过渡蠕变，应变随时间延续而增加，但增加的速度逐渐减慢；②稳态蠕变或定常蠕变，应变随时间延续而匀速增加，这个阶段较长；③加速蠕变，应变随时间延续而加速增加，直达破裂点。应力越大，蠕变的总时间越短；应力越小，蠕变的总时间越长。但是每种材料都有一个最小应力值，应力低于该值时不论经历多长时间也不破裂，或者说蠕变时间无限长，这个应力值称为该材料的长期强度。岩石的长期强度约为其极限强度的2/3。2100433B

天然土层中的初始应力状态一般处于各向不等的应力状态，即静止土压力系数K0不等于1，初始应力的各向异性，促使土体在破坏时所需的剪应力增量也不同。而其强度和变形也就有差异。 而一般的常规三轴试验是在各向等压条件下固结后再进行剪切的，此显然与天然土层 K0 固结的实际初始应力状态不相符合。K0固结排水试验是指在固结排水试验中，土样在剪切之前的固结阶段使其处于K0固结状态，以得到土样正确的强度和变形参数。主要分2个阶段：第1阶段为试样在无侧向变形的条件下进行 K0 固结；第 2阶段则对试样进行剪切，直至破坏 。通过K0 固结试验可以直接获得土样在上覆压力作用下充分固结后的静止侧压力系数K0值。在剪切过程中， 对于相同固结围压，三向等压固结土样产生的超孔隙水压力明显大于K0固结土样产生的超孔隙水压力， 则K0固结土样中的实际有效应力较大。土样破坏标准的确定关系到强度参数c和φ的取值。考虑到土样呈现加工硬化特性，强度曲线无峰值点，故强度标准的确定需同时考虑超孔隙水压力和有效应力比的变化规律。

固结是在荷载或其他因素作用下，土体孔隙中水分逐渐排出、体积压缩、密度增大的现象。广义的固结指土的压缩过程，但大多数情况下，固结仅指饱和土的排水压密过程，分主固结与次固结。各向不等压固结排水试验是指土试样在轴压力和周围压力条件进行排水固结，然后增加轴向压力进行排水剪切试验，测定土应力应变关系和强度。各向不等压固结排水试验是固结排水试验的一种，主要研究土体在受力不均衡条件下排水固结情况。

1 　试验仪器简介

试验是在GDS 三轴试验系统中进行的。由围压控制器(Cell Pressure Controller)对压力室中的水加压, 再通过水将围压力施加到试样上。反压控制器(Back Pressure Controller)量测、控制试样中的孔隙水压力, 以及试样中孔隙水体积变化。气压控制器(Air Pressure Controller)量测、控制土样中的孔隙气压力和孔隙气体积变化。轴向加压系统负责对试样施加轴向压力, 从而在试样中产生偏应力。压力的量测控制精度为1 kPa , 体积的量测控制精度为1mm3 。通过计算机控制与分析系统,GDS 可以实现2Hz 周期荷载试验、应力路径试验、k0 固结试验、压缩或拉伸剪切试验。

2 　试验用土的基本性质

本次试验所用黄土取自甘肃定西土家湾隧道西侧, 属于典型的陇西Q3 黄土。取土深度1 .3 ～ 1 .8m , 土呈褐黄色, 硬塑状态, 天然含水量为6 .2 %～9 .7 %, 天然密度为(1 .35 ～ 1 .41)×10kN/m3 , 天然孔隙比为1 .05 ～ 1 .20 。

通过室内试验测得该土的基本物性指标如下:

塑限ωp =19 .0 , 液限ωL =28 .3 , 塑性指数LP =9 .3 ,不均匀系数Ku =11 , 曲率系数Kc =2 .27 。

3 　试样的制备方法

按照试验规程[ 2] 用专用的削土器将土样削制成高度为80mm, 直径为39 .1mm 的圆柱形试样, 控制同一组试样含水量差值不大于2 %, 干密度差值不超过0 .3kN/m3 。本次试验试样干密度变化范围为(1 .28 ～ 1 .30)×10kN/m3 。根据设定的含水量推算出该含水量下的试样重, 同时求出达到所需含水量时的配水量(或减水量), 用风干法和水膜转移法控制含水量。

4 　试验方法

试验中排除干密度的变化所造成的影响, 从而控制试验的影响因素是应力水平和土样含水量, 试验共做了四个应力水平(σrc =100kPa , 200kPa ,300kPa , 400kPa)和两组含水量(W =18 %, 13 %)。试验时, 在试样中间高度处安装霍尔效应传感器(Hall Effect Transducer)量测中断面处的径向变形,并将变形值反馈到计算机控制系统, 以此来调整加载系统, 实现k0 固结条件。如前所述, 本次试验采用的是恒荷重速率法, 施加速率为10kPa/h , 待侧压达到指定压力时,保持侧压稳定不变, 让试样在此压力下继续固结,固结结束标准是试样轴向变形稳定, 判断标准为每小时变形量不超过0 .01mm 。

结果见表1，2。通过对比发现：黏聚力单剪比直剪低20.3%，内摩擦角相差5°左右。

对于该差异分析如下：

(1)试样中难免存在一些人为误差及仪器的误差。

(2)试验尺寸效应。试样单剪试样直径和高度远大于直剪试验，但是M.Vucetic和S.Lacasse 通过对不同尺寸的单剪试样的对比发现，确实存在尺寸效应，但是影响不是很大。

(3)正如前文所述，单剪试验中，测量核心处应力的结果较吻合理想单剪状态，而测得整个试样面的平均应力和理想单剪相差比较大，与直剪相差25%，比三轴试验低28%。

(4)由于是模拟填方体土样，由于单剪和直剪的剪力盒所限，试样制备方法不一样，单剪试样采用标准击锤击实，直剪试样采用静压。不同制备方法压实土的结构性不一样，结构性差异导致强度发展和最终强度特性也是不同的。

(5)试验压实土在剪切时会剪胀，而在直剪试验中，由于剪切盒内壁的限制，剪胀会影响结果，根据Taylor的剪胀原理会提供过大的剪切强度参数。而本文单剪试验允许试样发生侧向膨胀，减小部分剪胀的影响，测得的结果比直剪低，比较接近真实土体破坏。 2100433B