非飽和土三軸儀試驗操作方法
摘要：與傳統(tǒng)三軸儀相比非飽和土三軸儀有著顯著的優(yōu)勢，對非飽和土三軸儀的組成部分、工作原理和試驗過程中的具體操作進行了詳細介紹，并應用非飽和土三軸儀研究了高心墻堆石壩非飽和土填料的強度特征，得到了該土樣的抗剪強度參數。
傳統(tǒng)三軸儀暴露出很大弊端，而非飽和土標準應力路徑試驗系統(tǒng)與常規(guī)三軸儀相比，有其突出的特點。首先，它可以進行非飽和土的試驗研究，不但能測定實驗過程中的吸力而且可以進行控制吸力的抗剪強度試驗和本構關系試驗；其次，在自動化程度方面，它采用霍爾效應傳感器對土體采取局部測量的方式，避免了由外部測量所造成的一系列誤差，因而能準確自動地控制圍壓、反壓和軸壓，同時對所有試驗數據采用全自動電腦采集并進行適當的處理；.后，在運行方面，它有很強的穩(wěn)定性，能長時間不間斷運行幾個星期。特別是在測量土體小應變時所表現出來的優(yōu)越性是很明顯的。
1、儀器組成及工作原理
非飽和土應力路徑三軸儀試驗系統(tǒng)由液壓控制器分別控制軸向壓力、圍壓和反壓；氣壓控制器控制孔隙氣壓、壓力室和數據采集系統(tǒng)（包括傳感器、數據采集板和計算機）組成?？刂破鲾祿杉搴蛪毫κ蚁噙B，通過水和氣來傳遞壓力。
軸向壓力控制器連到壓力室底座，通過底座的升降對試樣進行剪切；圍壓控制器連到壓力室中，用以量測、控制三軸壓力室中的水壓力；反壓控制器連到壓力室底座的陶土板，用來量測、控制試樣中的孔隙水壓力，以及試樣中的孔隙水體積變化；氣壓控制器與試樣帽相連，再由試樣帽上預留孔道將氣壓控制器中的空氣與試樣孔隙氣體連為一體，用以量測、控制土樣中的孔隙氣壓力和整個系統(tǒng)中空氣體積變化。當試樣兩端控制的孔氣（水）壓與土樣內部孔氣（水）壓平衡時，試樣中吸力就等于所控制的吸力。
2、試驗用料的基本特征和試樣制備方法
試樣用料取決于心墻堆石壩的填料，小石子和干土按1：1配成混合樣，混合樣的級配。工程要求擊實功為2740KJ/m3，干密度控制值2.12g/cm3。每一個試樣配制含水率為9.5%的混合樣415g，用直徑50mm的擊實儀制樣，分5層來擊實，按照擊實功，每層擊82次，擊實后土樣高91mm，密度為2.32g/cm3，干密度為2.12g/cm3。
3、試驗前的準備工作
3.1制備無氣水
為了提高試驗的精度，要求使用蒸餾水。而實驗室里制備好的蒸餾水，由于存放時間較長，水中溶解有空氣。若直接用這樣的水去飽和陶土板，會因為空氣的存在而影響孔隙水壓力和孔隙水體積變化的量測精度。故有必要對存放過的蒸餾水進行適當處理，以.大限度排除水中的溶解空氣。試驗中采用真空泵法來排除水中的溶解空氣。
3.2傳感器讀數清零
試驗結果是以數據形式反映出來的，如果傳感器讀數不準，采集的數據不能用，那么試驗是失敗的，所以在試驗之前要驗證一下。傳感器主要是孔壓傳感器（位移傳感器在開始時自動變?yōu)榱悖?，打開連接傳感器的閥門，使里面的水與大氣相通，此時傳感器的讀數應為零，如果不為零則調整為零，控制器也以同樣的方法調零。
3.3飽和陶土板
非飽和土三軸試驗中為了測出土樣的基質吸力，需要用到高進氣值陶土板。高進氣值陶土板具有以下特性：當陶土板完全飽和時，由于陶土板具有許多均勻的微細孔，在陶土板表面就形成收縮膜。收縮猶如一薄膜將陶土板表面眾多小孔連接起來，收縮膜產生表面張力，從而阻止空氣通過陶土板。而陶土板中的水將土中的孔隙水同量測系統(tǒng)中的水連接起來，這樣陶土板在非飽和土與孔隙水壓力量測系統(tǒng)之間起著分界面左用。陶土板的頂面承受的是孔隙氣壓力，底面承受孔隙水壓力，二者之差值即為土樣的基質吸力。陶土板能夠保持的.大基質吸力超過陶土板的進氣值，孔隙氣就會穿過陶土板進入孔隙水壓力量測系統(tǒng)，這樣就會導致孔隙水的量測產生錯誤。因此，試驗中務必要..土樣的基質吸力值不會超過陶土板的進氣值。非飽和土三軸儀系統(tǒng)中所用陶土板進氣值為1500KPa，可以滿足試驗要求。由陶土板特性可見，在試驗之前將陶土板飽和是一項很重要很關鍵的工作，它關系到試驗成敗與否。
參考弗雷德隆德的方法，在不裝樣的情況下，將壓力室的外罩裝好并在壓力室內充滿水、用圍壓控制器向壓力室內施加約600KPa的壓力，然后將連接陶土板的細塑料管出口端閥門關閉（出口端有兩個、閥門也是兩個，一個出口端與反壓控制器相連，另一個直接暴露在空氣中）。壓力室里的水因受壓而通過陶土板，待陶土板的水壓力（通過孔壓傳感器測得，在計算機上可以讀出）與壓力室內水壓力相等后，陶土板的上下表面以及板中水所承受的全等于施加的室壓力。在該壓力下持續(xù)約1h，在此期間，板中的滯留空氣溶解于水中，然后打開閥門，細塑料管中的水壓力瞬時減小至零，陶土板中的水壓力差作用下流入塑料管、先前溶解于水中的空氣又被釋放出來形成氣泡聚集于塑料管中。保持閥門開啟，直至氣泡被完全排出后再次關閉閥門，重復上述步驟約6次后，可使陶土板達到飽和。
做完一個試件后做下一個試件，如果還用上述的陶土板飽和方法就顯得有些繁瑣，這里介紹一種簡便的方法。做完實驗后取下試件，迅速把陶土板的細塑料管出口端兩個閥門，用吸滿水的洗球從一個閥門沖水從另一個閥門出水，把陶土板下面的氣泡沖出來。再用反壓控制器施加30KPa的壓力與陶土板底部（注意壓力不能超過50KPa，否則會把陶土板沖出底座）。
4、試驗方法與步驟
4.1裝試樣
將試樣套上乳膠膜并在兩端貼上濾紙，抹去陶土板上多余的水，將試樣置于陶土板上（注意此處不需要放透水石）與陶土板緊密貼合，通過陶土板將試樣中的孔隙水與孔隙水壓力量測系統(tǒng)及反壓控制器相連，從而測出孔隙水壓力。試樣另一端與試樣帽相連（中間放透水石，但透水石與試樣之間不加濾紙），進而與氣壓控制器相連，以量測或施加孔隙氣壓力。如果有小壓力室，就直接把小壓力室套在底座上用來測體變。沒有小壓力室時，試驗中就使用測徑向變形的中平面霍爾效應傳感器，在這里有必要介紹一下它的安裝方法。中平面霍爾效應傳感器外形是個圓環(huán)，環(huán)繞于試樣中部測量中部的局部徑向變形。在環(huán)內部鏈接有2塊薄金屬片，每片金屬片上部設有2個微小針孔，通過針孔將4根固定針插入試樣內部，并在金屬片與乳膠膜接觸的部位涂有專用強力膠。這樣，霍爾效應傳感器被強力膠和固定針定位試樣中部而不會滑移或脫落。
4.2量測試樣在無壓狀態(tài)下的基質吸力
試樣裝好，將壓力室內充滿無氣水，初步量測試樣的基質吸力。以大氣壓為零點，基質吸力在數值大小上等于非飽和土的孔隙水壓力（非飽和土的孔隙水壓力為負值），所以測出非飽和土孔隙水壓力就知道了基質吸力。
當土樣含水率較高時，施加5～10KPa圍壓，使試樣與陶土板緊密接觸，等24h后（此過程中連接陶土板的細塑料管出口端閥門一直關閉）通過孔壓傳感器就能讀出孔隙水壓力。當土樣的含水量較低時，負孔隙水壓力會超過70KPa，這時孔隙水壓力量測系統(tǒng)中水會發(fā)生汽化，影響孔隙水壓力的量測精度。為防止這種現象發(fā)生，試驗中采用了軸平移技術。軸平移技術就是認為提高孔隙氣壓力，與此同時孔隙水壓力隨之平移提高，而二者之間的差值（即為基質吸力）卻保持不變。由于孔隙水壓力被增加到正值，也就能夠在沒有氣蝕的情況下對它進行量測。為了模擬試樣的無壓狀態(tài)，必須同步施加孔隙氣壓力和圍壓力，但始終保持圍壓約高于5KPa，以防乳膠膜脹破?？紫稓鈮毫Φ氖┘邮峭ㄟ^氣壓控制器來實現的。由于氣壓控制器的容積限制，所能施加的氣壓力有限。因此，需要事先往氣壓控制器中抽入空氣，以提高孔隙氣壓力的控制范圍，保持空氣壓力24h不變，讀出穩(wěn)定的孔隙水壓力，用空氣壓力減去孔隙水壓力即得土樣基質吸力
4.3計算機軟件控制試驗
測完試樣的基質吸力，剩下的試驗步驟由計算機控制來完成并自動記錄數據?？刂戚S向應力、側向應力、孔隙水壓力、孔隙氣壓力等參數實現不同實驗步驟。..步，控制基質吸力和側向應力（圍壓），讓試樣在這個狀態(tài)下固結排水，固結過程中軸向應力等于固結應力；第二步，待試樣排水穩(wěn)定后，對試樣進行剪切，剪切過程中控制基質吸力和側向應力不變增大軸向應力直到試樣破壞。注：實驗應力加載路徑這試驗過程中，雖然陶土板是過水不過氣，但還是有少許氣體漏過去，聚焦在陶土板下面，.好間隔8h就用洗耳球沖一下水，沖出氣泡有利于排水。