1 概述

靜止側(cè)壓力系數(shù)和泊松比是兩個(gè)重要的巖土參數(shù)，土的靜止側(cè)壓力系數(shù)(K₀)是土體在無側(cè)向變形條件下，側(cè)向有效應(yīng)力與軸向有效應(yīng)力之比；側(cè)膨脹系數(shù)(μ)又稱泊松比，是指在側(cè)向自由膨脹條件下受壓時(shí)，側(cè)向膨脹的應(yīng)變與豎向壓縮的應(yīng)變之比值。理論上K₀與μ存在下列關(guān)系，即：Ko=μ/(1-μ)，通過測(cè)定土的靜止側(cè)壓力系數(shù)可間接求得土的泊松比。

測(cè)定靜止側(cè)壓力系數(shù)的方法有三軸儀法和K0固結(jié)儀法兩種，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，采用K0儀法，橡膠膜厚度對(duì)試驗(yàn)的影響難以，測(cè)試結(jié)果不太理想。但經(jīng)典的三軸儀法需在壓力室中對(duì)樣品的側(cè)壓變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，技術(shù)難度較大，不利于普通實(shí)驗(yàn)室推廣使用。鑒于此，我們采用南京智龍科技有限公司研制的全自動(dòng)三軸儀，在圍壓恒定條件下調(diào)節(jié)軸向變形，模擬側(cè)向不變形條件，測(cè)定各級(jí)側(cè)壓力下對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力，求得靜止側(cè)壓力系數(shù)。實(shí)踐證明，作為對(duì)靜止側(cè)壓力系數(shù)經(jīng)典試驗(yàn)方法的改進(jìn)，采用全自動(dòng)三軸儀法，通過試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)進(jìn)程的自動(dòng)化，方法簡(jiǎn)便易行，結(jié)果較為可靠。

2 方法原理

樣品在側(cè)壓力作用下產(chǎn)生固結(jié)排水，勢(shì)必導(dǎo)致軸向和側(cè)向的同時(shí)變形，通過調(diào)節(jié)軸向壓力，使樣品軸向的體積變形等于樣品排水量，可近似地認(rèn)為樣品的截面積保持不變，從而模擬側(cè)向不變形條件，即：ΔV=Δh×A0，通過測(cè)量不同側(cè)向壓力下的軸向壓力和孔隙壓力，繪制σ ₁’～σ₃’關(guān)系曲線,根據(jù)曲線斜率求出靜止側(cè)壓力系數(shù)。

3 作業(yè)流程

樣品制備à樣品飽和à安裝樣品à開始試驗(yàn)，轉(zhuǎn)入自動(dòng)控制à數(shù)據(jù)整理。

3.1 樣品制備：待測(cè)樣品切制成直徑 3.91cm、高8.00cm的柱形試件。

3.2 試件飽和：(略)

3.3 樣品安裝：用反壓調(diào)壓筒注水驅(qū)除試件底座和壓帽內(nèi)的氣泡，將試件兩端貼上潤(rùn)濕的濾紙圓片后墊上透水板，并在試件側(cè)邊加貼8-10根窄長(zhǎng)的濾紙條，借助承膜筒及對(duì)開模具，將試件安裝到壓力室中，底座和壓帽均用橡皮筋扎緊。壓力室內(nèi)注滿清水，調(diào)節(jié)軸向活塞桿與試樣帽輕微接觸，施加5～10kPa圍壓，將膜土間多余水分排向反壓調(diào)壓筒內(nèi)(此時(shí)應(yīng)按下控制面板的反壓筒“穩(wěn)壓”按鈕，打開排水閥門)。

    注意：經(jīng)驗(yàn)表明，用小級(jí)別圍壓驅(qū)趕膜土間隙的多余水分后再開始試驗(yàn)是非常必要的步驟，否則這部分多余水分將視作試樣的固結(jié)排水，而影響試驗(yàn)結(jié)果。

3.4 試驗(yàn)(自動(dòng)控制)

    進(jìn)入數(shù)據(jù)采集界面，登記樣品信息，檢查無誤后，點(diǎn)擊“開始試驗(yàn)”后，程序?qū)凑赵囼?yàn)參數(shù)設(shè)置的初始?jí)毫虞d圍壓，根據(jù)排水量即時(shí)調(diào)節(jié)軸向變形，并按設(shè)置的采樣步長(zhǎng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)(側(cè)壓、軸壓、孔隙壓力、變形數(shù)據(jù)等)。每級(jí)側(cè)壓力保持恒壓穩(wěn)定一定時(shí)間(圍壓控制的時(shí)間間隔)后，加載下級(jí)圍壓，直至試驗(yàn)結(jié)束，整個(gè)過程均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制完成。

試驗(yàn)過程中，反壓筒的“穩(wěn)壓”按鈕應(yīng)保持打開狀態(tài)，使樣品固結(jié)排水。雖然該試驗(yàn)理論上并不要求樣品固結(jié)穩(wěn)定，而通過試樣帽單向排水測(cè)孔隙壓力，取得有效側(cè)壓(σ₃’)和有效軸壓(σ₁’)，整個(gè)試驗(yàn)可在較短時(shí)間內(nèi)完成，但經(jīng)驗(yàn)表明，若采用單向排水且加荷歷時(shí)過短，容易導(dǎo)致樣品產(chǎn)生上細(xì)下粗的梨形變形，因此建議在試樣側(cè)向加貼濾紙條并采用兩端排水，延長(zhǎng)每級(jí)壓力下的固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間，使孔隙水壓力充分消散(免測(cè)孔壓)，具體的固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間可通過觀測(cè)單向排水時(shí)孔壓消散的情況大致確定，也可直接按經(jīng)驗(yàn)確定，一般性的粉質(zhì)粘土采用雙向排水且圍壓增量不大(50kPa左右)時(shí)，固結(jié)兩小時(shí)孔隙水壓力基本消散為零，粘土的固結(jié)時(shí)間可適當(dāng)延長(zhǎng)(比如4h～8h)，粉土可縮短到1h左右。

4 數(shù)據(jù)整理

a.)    軸壓計(jì)算：

觀察荷重～時(shí)間曲線可以發(fā)現(xiàn)，在同一壓力下多個(gè)采樣點(diǎn)采集的軸壓值實(shí)際上處在一個(gè)振蕩區(qū)域，尤其當(dāng)大壓力段的變化幅度較大，建議按取中間值取值(N)，并按下式計(jì)算軸向壓力(σ ₁^’)：

b.) 繪制σ₁’～σ₃’關(guān)系曲線：

以σ₁’為橫座標(biāo)，σ₃’為縱座標(biāo)，繪制σ₁’～σ₃’關(guān)系曲線(見次頁圖示)

c.) 靜止側(cè)壓力系數(shù)和泊松比：

上圖中曲線斜率即為靜止側(cè)壓力系數(shù)K₀，計(jì)算式可寫成：

 作為比較，我們?cè)賮砜纯从肒0儀測(cè)定靜止側(cè)壓力系數(shù)的試驗(yàn)軸壓-側(cè)壓曲線。