三軸試驗孔隙水壓力影響因素分析

王靜

（上海申元巖土工程有限公司，上海 200125）

1 孔隙水壓力產(chǎn)生的原因及試驗原理

1.1 孔隙水壓力產(chǎn)生的原因

土是由固體顆粒、水和空氣三部分組成的。組成土的這三部分之間的不同比例，反映土的各種不同狀態(tài)，它對評價土的物理、力學性質(zhì)有著重要意義[1]。當受外界條件影響，作用在土體單元上的總應力發(fā)生變化，導致土體三相之間發(fā)生變化，此時土骨架的體積和有效應力都存在著一個從起始狀態(tài)到新狀態(tài)過渡的過程。而當土的滲透系數(shù)較小時，若將水排出，使土的骨架過渡到新的孔隙比，在短期內(nèi)無法實現(xiàn)。這樣，就可能出現(xiàn)一個隨時間消散的附加的孔隙水壓力場。這種孔隙水壓力，恰是導致許多工程失事的直接原因。

1.2 試驗原理

通過三軸固結不排水剪切試驗，可測得軸對稱應力條件下荷載應力增量引起的孔隙水壓力。圖1所示：為三軸固結不排水剪切試驗試樣土單元體受到軸對稱應力作用時，孔隙水壓力和有效應力的變化過程。圖 1（a）、（b）、（c）和（d）中的三個方塊，按順序分別表示土試樣受到的軸對稱應力增量的作用力△σ、在試樣中產(chǎn)生的孔隙水壓力增量△u和作用于土骨架的有效應力△σ′。

圖1 軸對稱三軸試驗應力狀態(tài)圖

按試驗的步驟，首先對試樣施加等向圍壓力σc，待完全固結，使試樣中的孔隙水壓力完全消散至△u=0，圍壓力σc全部作用于土骨架成為有效應力，見圖 1（a），其意圖是使試樣恢復至原位應力狀態(tài)，然后，在不排水條件下，施加荷載應力增量，圍壓力為△σ3，軸向應力為△σ1，進行試驗。按彈性理論應力疊加原理，把荷載應力增量分解為圍壓增量△σ3和軸壓增量（△σ1-△σ3）兩部分，分別見圖1中（b）、（c）兩種情況。在試驗時分別施加圍壓增量和軸壓增量，先施加正應力部分，即施加等向圍壓力△σ3，見圖1（b）。此時，由正應力引起的孔隙水壓力為△u3。相應地，由有效應力原理得到作用于試樣土骨架的有效應力為△σ′，即

土試樣單元體受到軸對稱應力增量△σ1和△σ3作用剪切時，引起的孔隙水壓力增量△u也可按照應力疊加的原理計算，即為圍壓增量△σ3和軸壓增量（△σ1-△σ3），兩者引起的孔隙水壓△u3和△u1的疊加，故

分別對兩孔隙水壓力增量△u1和△u3進行分析，最后可求得軸對稱應力增量△σ1和△σ3引起的孔隙水壓力△u。

孔隙水壓力增量△u1和△u3與軸對稱應力△σ1和△σ3的關系，可通過土骨架和水的應力應變關系來分析求解，也可利用三軸試驗結果分析求解。相對而言，后者比較直接而實用。

三軸試驗的結果表明：凡對土試樣施加軸對稱應力增量（△σ1和△σ3）必然引起試樣中孔隙水壓力的增大（△u）?？紫端畨毫υ隽俊鱱與有效應力增量△σ1和△σ3兩者之間的關系不是直接等同的，而是受土試樣的變形性質(zhì)、固結狀態(tài)和排水條件等因素的影響而變化。

2 影響孔隙水壓力的因素

2.1 測量設備的影響

量測設備反應的孔隙水壓力是流入或流出孔隙水壓力計的水量。計算時間延滯的公式為：

式中：t為延滯時間；V為體積因數(shù)（單位壓力作用下，進入量測系統(tǒng)中的水體積）；k為土的滲透系數(shù)；A為進水面積；△V0為土體實際孔隙水壓力和某一時間測量所得的孔隙水壓力之差；△Vt為某一最大可能的誤差。

從公式（5）中可以看出，如果土的滲透系數(shù)一定，進水面積已知，那么某一允許誤差的延滯時間就取決于測量系統(tǒng)體積因數(shù)，體積因數(shù)越大，延滯時間越長。測量系統(tǒng)的體積因數(shù)包括零位指示器、管道及其中的水體。若管道中困陷有氣泡，就大大增加了體積因數(shù)，產(chǎn)生嚴重的時間延滯。因此在《土工試驗方法標準》[2]中要求完全排出困陷于管道中的氣泡，并提出了判斷的標準，也提出了體積因數(shù)應小于1.5×10-5cm3/kPa的參考數(shù)據(jù)。必須指出，該數(shù)據(jù)只適用于一般情況，例如適用于壓縮系數(shù)小于10-3kPa-1的正常固結和超固結的飽和土，對于壓縮系數(shù)大于10-3kPa-1的超固結飽和粘土，體積因數(shù)應減小到1.5×10-6cm3/kPa，才可將量測誤差降低到1%。還應指出，量測系統(tǒng)中的體積變化，不但會引起時間延滯，而且還會改變試樣中的孔隙水壓力值。這是因為試樣中的孔隙水流向量測系統(tǒng)后，試樣的體積減小了，有效應力增加了，在外力不變的情況下，孔隙水壓力也相應地減小了。由此可見，只有減小量測系統(tǒng)的體積因數(shù)，才能縮短延滯時間，提高孔隙水壓力的測試精度。

2.2 土的飽和度的影響

如果孔隙中包含有氣體，由于氣體的可壓縮性，將會影響孔隙水壓力的增長和測量。當完全飽和試樣在不排水條件下受到恒定的圍壓時，則試樣內(nèi)的孔隙壓力是均等的，此時所產(chǎn)生的孔隙水壓力通過透水板就會很快傳遞到壓力傳感器，促使其感應薄膜產(chǎn)生微小的位移，即表明試樣中已有少量的孔隙水流向孔隙水壓力測量系統(tǒng)。如果測量系統(tǒng)的體積不變化，則所測的孔隙水壓力就比較接近于真實；如果試樣不飽和，測量系統(tǒng)本身的體積就會發(fā)生變化，從試樣中流出的孔隙水也會發(fā)生變化，水的流動是在一定的水力梯度下產(chǎn)生的，因此，試樣內(nèi)部的孔隙水壓力就大于試樣與測量系統(tǒng)接觸處的孔隙水壓力。試樣內(nèi)部的孔隙水壓力必須經(jīng)過一段時間后，才能傳遞到測量系統(tǒng)中，這就是孔隙水壓力測量系統(tǒng)的體積變化引起的時間滯后。測量系統(tǒng)體積變化除引起時間滯后外，同時還會改變試樣中的孔隙水壓力值。

當土樣從原地采取出來后，由于原有的應力被解除掉，土中溶解的空氣可能會游離出來，造成土樣不飽和；而且在三軸儀上安裝試樣時，往往有氣泡困陷在試樣與橡皮膜之間以及量測系統(tǒng)中，這些都會直接影響孔隙水壓力的量測精度[3]。

2.3 土剪脹（剪縮）的影響

土在剪切過程中，如果體積會脹大（例如密砂），則稱為剪脹，剪脹使孔隙水壓力減少（圖1）。如果剪切時體積會減小（例如松砂），則稱為剪縮，剪縮使孔隙水壓力增加（圖2）。剪脹時孔隙水壓力系數(shù)為負，剪縮時孔隙水壓力系數(shù)為正。事實上，從土在不排水剪中孔隙水壓力值的變化趨勢可以推演它在排水剪中體積變化的規(guī)律，反之亦然。兩者是互相對應的。如正常固結粘土，它在排水剪切中有剪縮趨勢，所以在進行不排水剪時，因孔隙水排不出，這剪縮趨勢就轉化為試樣中孔隙水壓力的不斷變化。反之，超固結土在排水剪中不但不排水，反而有剪脹吸水的趨勢。但它在不排水剪時卻無法吸水，于是就產(chǎn)生負孔隙水壓力[4]。對于不同密度的砂土，也存在著與上述相似的規(guī)律。密砂的剪脹性比超固結粘土更是突出。

圖2 孔隙壓力與軸向應變關系曲線（剪脹時）

圖3 孔隙壓力與軸向應變關系曲線（剪縮時）

2.4 橡皮膜的影響

橡皮膜的滲透包括針眼漏水、橡皮膜和試樣帽或底座之間結合縫處的漏水及橡皮膜本身的滲透。如在試驗中從試樣中持續(xù)地排出大量水，那就很容易判定橡皮膜有針眼或被刺破。試樣帽和試樣底座必須十分光滑，而且不允許有土?；蚺K物，否則壓力水就會沿著不平之處或臟物兩側進入試樣中，從而影響試驗結果。至于橡皮膜本身的滲透主要是由于膜內(nèi)外水力坡降、溶液濃度坡降及空氣坡降而引起的，這種滲透對高壓縮非飽和土的影響最大。

2.5 測量位置的影響

在通常的三軸試驗中，孔隙水壓力的量測是通過試樣底座的透水石進行的。對于粘性土來說，剪切時可能由于土質(zhì)不均勻、應力分布不均勻等因素。在試樣中產(chǎn)生相當大的孔隙水壓力梯度，這種梯度可能保持幾小時甚至幾天。有研究表明[3]，在不排水剪切試驗中，用通常的加荷速率，采用底部測量可能會歪曲土的性質(zhì)，而采用試樣中部測量能夠比較真實地反映試樣中的孔隙水壓力。試樣中部測量一般采用探針插入試樣內(nèi)的方法，但該方法不但操作復雜，而且影響試樣的強度和變形，故該方法目前沒有在實際生產(chǎn)中推薦使用。

3 改進方法

3.1 施加反壓力

施加反壓力的方法可以較為有效地使試樣完全飽和，也可減小土剪脹對孔隙水壓力的影響。所謂反壓力就是人為地在試樣內(nèi)增加孔隙水壓力，使殘留在試樣內(nèi)或試樣與橡皮膜之間的氣泡溶解于水。為了保證試樣內(nèi)有效應力不變，在逐級增大孔隙水壓力的同時，等量地增加周圍壓力，每級的增加量視土的透水性和壓縮性而定。當反壓力增加到接近預估值時，只增加周圍壓力，觀測孔隙水壓力增量，如果二者增量相等，則證明試樣已經(jīng)飽和。對于超固結土，判定是否飽和的方法是連續(xù)施加幾級等量的周圍壓力，如相應各級的孔隙水壓力也相同，則試樣已經(jīng)飽和。

為了提高施加的反壓力精度，并避免反壓力大于周圍壓力造成試樣膨脹破壞而改變試樣結構，采用壓力表來代替周圍壓力和反壓力的指示表。

施加反壓力的大小與試樣的起始飽和度以及要求達到完全飽和的時間有關。如果在施加反壓力過程中，試樣體積保持不變，則所需的反壓力可按下式計算：

式中：uas為反壓力；us0為起始孔隙水壓力（一般接近大氣壓值）；Sr為起始飽和度；u為空氣溶解系數(shù)（在20℃ 時約為0.02）。

按式（6）算得不同起始飽和度下所需的反壓力，如表1所示。

表1 不同起始飽和度下所需的反壓值

從表1中可看出，按式（6）估算的反壓力值是較大的，這不但給儀器帶來很大的負擔，而且需要的時間很長，因而，在試驗中應先抽氣飽和，使起始飽和度提高，然后再施加反壓力使試樣完全飽和。

3.2 設備及操作方法的改進

為了減小測量系統(tǒng)的體積因數(shù)，縮短延滯時間，提高孔隙水壓力的測試精度，在試驗中建議采用剛度較好的壓力傳感器（但必須保持一定的感度）直接裝在三軸壓力室底座上，以便減少管路的長度和系統(tǒng)中的水體積。

在試驗前必須進行檢查，橡皮膜是否有針眼或者被刺破，試樣帽和試樣底座是否十分光滑。為盡量避免橡皮膜滲透的影響，可采用兩層橡皮膜、中間涂以硅脂或采用較厚的橡皮膜。對于歷時較長的非飽和土樣可采用水銀做壓力液體。

對于粘性土來講，盡量采用較慢的剪切速率。為了加速固結和使孔隙水壓力均勻變化，通常采用在試樣周圍貼濾紙條的方法。

4 結論

在三軸試驗中孔隙水壓力值的影響因素有多種，主要的因素有測量設備的影響、土的飽和度的影響、土剪脹（剪縮）的影響、橡皮膜的影響及測量位置的影響。由于土體的內(nèi)部結構是無法改變的，因此為了進一步提高測試精度，只能從測試技術和試驗方法上加以改進，主要的改進方法有施加反壓力，采用較慢的剪切速率、減少管路長度、采用雙層橡皮膜及貼濾紙條等，這些方法在試驗中都已被采用，實踐證明是正確可行的。

[1]劉曉立.土力學與地基基礎[M].北京：科學出版社，2010.（12）.

[2]GB/T50123-1999.土工試驗方法標準[S].北京：中國計劃出版社，1999.

[3]柏麗萍.三軸試驗中孔隙水壓力的影響因素及改進方法[J].土工基礎.2007.21（6）：83-85.

[4]印文東.三軸剪切試驗中孔隙水壓力的特征探討[J].城市道橋與防洪.2005.5（3）：96-98.