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如何做好三軸試驗(二)?試驗儀器調試及參數的測試

2020-05-05 [1298]

如何做好三軸試驗(二)

二、試驗——從儀器調試到測試參數

.根據試驗對排水的要求,選擇組成測試系統的部件。

⑴根據試樣大小和測試要求配置壓力室。按試樣尺寸區分,有大(101×200)、中(61.8×125)、?。?9.1×80)三種規格;按周圍壓力區分,有高(6Mpa)、中(>2 Mpa)、低(< 2Mpa)之分。對壓力室的檢查要求各連接部件在額定壓力下不泄漏;活塞桿提升后能在自重下從活塞套里自由落下。

壓力控制系統是一種伺服穩壓控制裝置。試驗中無論試樣如何變化,始終要維持輸出壓力的恒定值。如果需要做反壓力飽和時,就要配置兩套穩壓控制裝置。以便經過排水管向試樣施加恒定的反壓力。整個系統須在試前用無氣水做徹底的排氣處理。

⑶軸向應變控制系統與試驗機一體。主要是控制軸向(大主應力)應變速率的機械裝置,調速范圍通常在0.0022-4.5mm/min。大軸向承受力須要與壓力室的額定壓力匹配,通常在10-60kN之間。

⑷測量系統隨著計算機應用的普及,計量技術快速發展。各種先進的電測手段,全面取代傳統的測量裝置。對試驗人員具有符合型技能的要求更為迫切。

.孔隙水壓力測量裝置

現在普遍用壓力傳感器取代零位指示器測試孔隙水壓力。從壓力室底座排水孔經孔壓閥門、再連接傳感器,組成管路通道。從試樣安裝到試驗結束,保持通道不含空氣。國標對通道水的剛性有明確規定,要求孔隙壓力量測系統的體積因數小于1.5×10-5cm3/kpa。

體積因數——孔隙壓力系統在單位壓力作用下的體積變化量

對這一標準的直觀解釋是:1.5mm3/100kpa (1.5×10-5cm3/kpa

.軸向力測量

采用電測后,力傳感器逐漸取代測力環加位移傳感器,作為軸向力的測量裝置;水下荷重傳感器是今后儀器改進的方向,因為它無須考慮活塞與軸套之間的摩擦影響因素。無論使用何種裝置須選擇量程相近、在校驗期內的量具,可以減少測試誤差。

.位移測量

現在大多采用位移傳感器取代百分表,以適應電測和數據采集的需要。在程序控制(全自動)型儀器中,由于采用了步進電機驅動軸向應變,因此也可以精密計算軸向位移量。

.體積變化測量

傳統的三軸儀使用雙層體變管,細長型玻璃量管測量試樣的體積變化量;在數據采集的電測中,使用差壓傳感器;先進的程序控制(全自動)型儀器,采用精密數字活塞和高壓電磁閥、高壓快速接頭組合的壓力控制器,可以計算到1%ml的體變量。

⑸對透水石、各管路及連接部位作排氣處理;選擇符合規格的濾紙、乳膠膜、經過排氣處理的蒸餾水備用。

2.設置合理的試驗參數

周圍壓力系列σ3須按工程實際荷載設置。其中,小級應略大于上覆土層自重壓力下的側壓力,大級應略大于實際承受的大壓力(上覆土自重壓力加附加壓力)下的側壓力。因此,需要計算上覆土體的自重壓力,估算地基上部的附加壓力,土的靜止側壓力系數可以取經驗值。

軸向應變速率。原則上粉土、砂土可稍快,粘土要慢些。在實際操作中還須將應變速率換算成軸向上升速率mm/min

UU試驗不測孔壓,應變速率可稍快,0.5-1%/min(如h=80mm為0.4-0.8mm/min); CU'試驗要測孔壓,為使試樣底部的測值與上部孔壓一致,要視土的粒度、密度選擇相宜的應變速率。對一般粘性土較UU試驗1/10,即0.04-0.08mm/min;CD試驗測的是土有效應力。要維持孔隙水壓力為零,須選擇很慢的應變速率,確保單位時間軸壓增量產生的孔壓得以消散。通常小于0.012mm/min。

試驗終點的預設,對于程序控制十分必要。如按應力峰值判定,當峰值出現后,繼續剪3-5%的軸向應變結束;若無峰值出現,就按大應變定,按規范選擇15-20%結束試驗。

其它試驗參數,要根據控制試驗軟件的設置而定。

3.由于數據采集技術已經普及,操作人員只要做好試前的安裝、調試,剩下的工作就交由程序控制完成。

⑴三軸試驗是在周圍壓力不變的條件下,施加軸壓。試樣的面積隨著軸向應變改變,因此試驗零點是否存在虛假接觸,不僅影響試樣的應變,還影響試樣的應力。在試樣安裝調試中力求克服虛假接觸現象,對于變化直觀的量表,按照目測調整零點;對于無法直觀的量表則采用動態調整,即按應力應變曲線的變化確定。

⑵關于一個試樣多級加載的三軸試驗

多級加載三軸試驗的原理是,首級圍壓下試驗終止時,試樣破壞面傾角形成、粘聚力C被克服,在后續各級圍壓(Δσ3)下的試驗只是擴大破壞面,并不改變傾角。這一試驗所須土樣少,測試周期短,沒有各試樣間不均勻的弊端,應力隨應變成線性增長規律好。因此受到許多試驗人員的熱衷選用。

但是,在試驗中土的應變過程,并不都有應力峰值出現,就須從應變的要求來決定破壞點。對于每級加載測試中,在缺乏完整應力應變記錄時決定試驗終點,就成為掌控的關鍵。恰到好處的做法是,將要破壞還沒破壞時終止軸壓。而做到這點絕非易事,對于缺乏經驗的操作者尤其如此;還有,分級加載是一種連續的試驗。為了避免次級圍壓加后土樣出現預應力狀態,所加圍壓要大于前級大主應力極值。如果首級圍壓稍大,終的圍壓會大大高于實際,甚至超出儀器的額定值,并難和“2. ⑴”的要求一致;此外,還有方法的適用性、一個試樣的代表性等問題,以及學術上的其它不同意見,規范標準只限于無法切取多個試樣的特殊情況下采用,并不建議取代常規方法。

多級加載三軸試驗的操作要點是:

.首級圍壓下會經過較大軸向應變(5~10%)破壞面傾角形成。后續各級圍壓下的試驗,只經歷不大的軸向應變(2~5%)就達到或接近穩定的軸向應力。因此朱思哲*認為,后續各級加載試驗,可以適當降低應變速率,以便操作者有充分時間判斷測試終點。

.前一級試驗終點的試樣高度和面積,就是后一級加載試驗時的初始高度和面積。

.施加次級圍壓試驗時有兩種方式:

其一,不卸除前級試驗終了時的軸向壓力,直接施加下一級圍壓。待施加次級軸向壓力之前,將稍有變化的軸向壓力值調整至前級軸壓終了時的讀數。此法適用于蠕變變形小的砂土、密實粘土。

其二,前級試驗終了時把軸向壓力卸至零(試樣與活塞脫離),再施加下一級圍壓??煞乐骨凹壿S向壓力對試樣產生的軸向蠕變。施加次級軸向壓力時仍從零開始直到本級穩定值。此法適用于CU、CD試驗,以及含水率大、密度低的軟土。

.第一級圍壓不宜過大(如50kpa),第二級和以后各級圍壓,應等于或大于前一級圍壓下破壞時的大主應力(σ1)。防止試樣出現預應力現象。

.每級試驗的終點,是多級加載三軸試驗中難以掌控的標準。以下幾種現象,可供終結本級軸壓而轉入下一級試驗時參考:

※ 試樣出現可見的滑動面;

※ 主應力差與應變關系曲線上,出現平緩或顯示峰值;

根據經驗,預先設定三級軸向應變的近似值:如10%、15%、18%,或16%、18%、20%;

※ 對于CU試驗,大有效主應力比(σ13)的出現可作為加荷標準;

※ 在CU試驗中也可在大孔隙水壓力出現作為加荷標準;

※ 在CD試驗中,體積變化(趨于穩定)量可作為加荷標準;

※ 根據應力路徑的測點趨于密集時,表明試樣已接近或處于臨界狀態。

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