三轴伸长试验压实黏土的三轴拉伸特性试验研究

裂缝是土石坝工程中常见的隐患和主要破坏类型。土石坝裂缝主要包括由不均匀沉降导致的坝体表面张拉裂缝和由楔劈水压力导致的心墙水力劈裂裂缝等。这些裂缝会导致土石坝防渗体破坏，因而认识压实黏土的拉伸特性和破坏机理对于土石坝工程的安全评价具有重要意义。

应用上述卧式三轴拉压仪，对糯扎渡高心墙堆石坝高塑性黏土料和双江口高心墙堆石坝心墙黏土料进行了不同室压下的三轴拉伸试验。三轴拉伸试验是指试样首先在一定室压下等向固结，然后保持室压不变，轴向应力逐渐减小直到破坏的试验过程。减载开始时，试样被轴向伸长，当σ3 < 0 时，试样中实际存在拉应力，最终可能发生拉伸破坏。

1 试验土料和试验方案

上述三轴拉伸试验中所用土料由中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院和成都勘测设计研究院提供。试验土料的基本物性指标及制样标准见表2。试验均为不饱和固结排气( 排水) 试验，加载速率为0. 02mm /min。为了加快试验排气( 排水) 的速度，专门在试样侧面放置了排气导管。

对糯扎渡高塑性黏土料进行了室压力σ_c =σ1 = 0、50、100、150、200、300、400、500kPa 的非饱和三轴拉伸试验。对双江口心墙黏土料进行了室压力σc = σ1 = 0、50、100、200、300、400kPa 的非饱和三轴拉伸试验。

2 试验步骤

(1) 配土。按照试验方案规定的含水量，称取一定量的土并均匀洒水，将土放于密封的塑料袋中，静置24 小时使水分分布均匀。复测土料的含水量，以确定其是否达到试验要求。

(2) 制样。分四层击实制样，控制每层高度25mm，层间打毛。制样完毕后拆掉模具，并用环氧结构胶将试样两端与传力板黏结，静置6 ～ 8 小时，使环氧胶达到最高强度。环氧胶的强度远高于压实黏土的抗拉强度。

(3) 装样。先将试样与前端试样帽连接，套上乳胶膜，之后连接另一端试样帽，最后将乳胶膜与试样帽两端绑扎好。将装好的试样水平放在压力室内的支架上，连接前后活塞杆，同时微调支架高度使试样可以顺畅地水平移动，将压力室后盖盖好。

(4) 固结及加载。压力室充满水后，进行加压固结10 ～ 12 小时。之后连接活塞杆与力传感器。架设位移传感器，同时打开数据采集系统，调整位移传感器和力传感器取一个合理的初始值。打开加载电机，按合适的加载速度进行匀速加载 。2100433B

根据岩土体的加卸载变形过程和应力状态, 卸载曲线分为弹性卸载段和卸载伸长段.采用三种不同粒径的玻璃珠和标准丰浦砂散粒材料进行了三轴伸长卸载试验, 对比分析了不同材料、初始偏应力和不同围压下散粒体的卸载特性.研究表明散粒体的单向伸长卸载强度主要取决于与卸载方向垂直的围压和颗粒的内摩擦, 且与围压成线性关系, 初始偏应力状态及各向异性对于散粒体的伸长强度无影响, 但影响其破坏发展形态.此外, 材料特性包括表面粗糙度和级配、孔隙率等对内摩擦及伸长卸载特性均有影响。

试验在日本国立山口大学地盘研究室的Tw in三轴仪上进行, 该仪器为水压应变式三轴仪.试样的高度和直径分别为10 cm 和5 cm , 三轴试验建议粒径一般不大于试样直径的1/20 , 对于本试验粒径不应大于2 .5 mm , 以保证试验结果的可靠性.材料选用0 .212 mm-0 .25 mm 、0 .3 mm-0 .355 mm 、1 mm-1 .18 mm 三种较均匀玻璃珠和标准丰浦砂.材料特性见表1 。

干燥玻璃珠和丰浦砂试样采用分层夯实制样法，试样分为5 层，每层给予相同的锤击数；饱和丰浦砂试样采用水中落下法制样，然后通水加反压使之达到饱和。同种方法和材料成样后的密实度相差不大, 干玻璃珠和干砂的孔隙率分别在0 .61 和0.74左右， 三种粒径玻璃珠平均混和后试样的孔隙率约为0 .453 ，饱和砂孔隙率在0 .68 左右.试验中保持围压不变, 加卸载应变速率为0 .1 %/min 。试样制作完后按照等向或异向固结1小时(压密曲线达到平稳)， 然后给予向上的恒定应变速度，模拟试样卸载。本试验中异向固结有两种，一种是k₀ 压密, 即在控制试样侧向应变近似为0 情况下, 根据材料的特性自动调整出k₀ 值，对于所述成样方法下的饱和丰浦砂的k₀ 值为0 .45 , 干砂和干玻璃珠的k₀ 值约为0 .7 和0 .79 ;另一种异向固结是人为设定围压和轴向压力的比值k ，剪切和固结同时进行, 剪切到目标值后再固结到稳定值, 试验主要目的在于对比初始状态对散粒体卸载的影响。试验均在排水排气条件下进行.试验中得到的数据按照下式计算:

式中Ac 为压密后的试验截面积，

.三轴伸长试验的对象多为粘性土, 用来评定粘性土在卸载时强度特性, 由于粘性土的微观结构比起砂等纯散粒体复杂的多, 颗粒间的摩擦作用受多因素影响,

真三轴试验是使岩石试件处于三个主应力不相等（即σ1>σ2>σ3）的应力组合状态下的三轴压缩试验。

学科：工程地质学

词目：真三轴试验

英文：true triaxial shear test

释文：真三轴试验是使岩石试件处于三个主应力不相等（即σ1>σ2>σ3）的应力组合状态下的三轴压缩试验。真三轴试验可以研究中间主应力（σ2）对岩石变形及强度特性的影响。 2100433B

根据岩石试件在不同侧向压力下取得的轴向抗压强度，在剪应力与正应力的坐标系中，绘制莫尔应力圆簇和莫尔强度包络线。按莫尔——库仑准则确定岩石的三轴抗剪强度参数。岩石三轴抗剪强度试验在一定的程度上消除了直剪试验时剪切面上的应力分布不均匀的缺点，成果的规律性较好，且反映了实际岩体的受力状况。但三轴抗剪强度试验和直剪试验的意义和结果不尽相同，这主要是由于直剪试验是预先确定剪切面，而三轴抗剪强度试验破坏有主要由应力控制 。

1 试验方法

三轴试验在GDS 全自动静动三轴仪上进行。试样尺寸为Ф39.1 mm ×80.0 mm。选取某水利施工现场粘土料分别进行了三轴UU、CU 及CD 试验，土样过2 mm 筛后按土料轻型击实最大干密度制备，土样混合均匀后按三层击实。试样先进行抽气饱和，然后在三轴仪上进行孔隙水压力系数检测，如果孔隙水压力系数B 小于0.98，则需进行反压饱和，直到B≥0.98 为止。饱和完成后分别在围压100 kPa、200 kPa、300 kPa 下进行三轴UU、CU 及CD 试验。

2 三轴强度指标成果

试验处理数据时取最大主应力差作为破坏取值标准，

三轴CU 试验得到的有效应力指标与CD试验得到的强度指标较为接近，CU 试验得到的有效应力内摩擦角比CD 试验低1.1º，采用测孔压的三轴CU 试验能获得较为可靠的有效应力强度指标。

3 试样破坏形式

图2 是试验后试样典型的剪切面样式，从左至右分别为围压300 kPa 下的UU、CU 试验及CD 试验。由图2 可知，试样的主要破坏形式为沿着一个剪切面发生破坏。

根据摩尔-库伦强度准则，在三轴试验中，当土样达到极限平衡时，土样单元中与大主应力作用面夹角为45º φ/2 的面上会发生破坏。理想状态下，如果土样均匀且应力分布均匀的话，剪切位移会散布在整个土样空间而不会集中在一个平面，土样发生鼓胀，而不会出现剪切面，且试样顶部及端部受到透水石的约束，表现为中部发生鼓胀。但一般条件下试验很难保证试样与应力分布绝对均匀，这样的话试样的某一个或几个与大主应力作用面为45º φ/2 的斜面会先发生破坏，试样就会沿着与大主应力作用面夹角为45º φ/2 的某一个或几个剪切面发生破坏，试样的变形主要集中在破坏面上 。

虽然摩尔-库伦破坏理论是早于有效应力原理且针对一般的固体材料提出的，一般固体材料没有孔隙水压力，强度由总应力控制。但土是碎散颗粒材料，与连续固体材料有很大的区别，其强度由有效应力确定，土样破坏是由于土体单元有效应力达到了极限平衡状态。如果土样的破坏面由总应力指标计算得到，那么在某些条件下的三轴试验会出现不合理的情况。在不同围压条件下进行不排水剪切，对于剪前密度相同的饱和粘土样，其偏应力破坏值也相同。如果对相同的试样分别做两组三轴试验，第一组试验先在100 kPa 压力下进行等压固结，然后关闭排水阀，分别将围压调为100 kPa、200 kPa及300 kPa 下进行不排水剪切。三个压力下土样的密度一致，因此不同压力下的偏应力破坏值也应该相同，得到的总应力包线为一条水平线，即φ1=0。

第二组试验试样分别在100 kPa、200 kPa 及300 kPa压力下进行等压固结，然后在不排水条件下进行剪切，可得到总应力内摩擦角φ2>0。如破坏角按总应力来计算，两个试验试样的破裂角计算值不同，分别为αf=45º 与αf=（45º φ2/2)>45 º，这样的话就出现了矛盾，两组试验中100 kPa 围压下剪切的试样试验条件完全相同，不可能出现两个不同的破裂角。可见，破裂角用总应力指标来计算是不对的，结合试验论证分析可知，三轴试验的破裂角只能通过有效应力强度指标来计算 。