三轴不排水试验中橡皮膜嵌入引起孔压变化的校正方法与流程

本发明涉及岩土工程测试领域，具体涉及一种三轴固结不排水试验中橡皮膜嵌入引起的孔压变化校正方法。

背景技术：

粗粒(砂)土的强度参数试验包括排水与不排水强度，其力学参数通常采取常规三轴排水试验与不排水试验获取。在三轴试验中，通过在试样周围套入橡皮膜，试样形成不透水的界面，有助于在测试过程中施加边界应力并控制排水条件。在试验中，由于试样周边的粗粒土不平整，在侧向压力作用下，橡皮膜嵌入到颗粒间的孔隙中，导致测量结果高估试样的体变(图1a)；而在固结不排水试验中，由于排水阀门关闭，试样在轴向应力加载作用下孔压增加，会使得橡皮膜被推出周围孔隙而消耗一部分孔压(孔隙水压力)，使的孔隙水压力减小，土体实际有效应力增加，形成了类似于排水试验而产生额外体积变化的情况(图1b)，这与不排水试验中不产生体变的假定相违背，而这些因素将影响孔隙水压力值和强度参数的准确性。

粗粒土的常规三轴试验中因橡皮膜的嵌入量会使得测量的结果失真，其中包括两种情况：

(1)固结排水试验中，实际的排水体积包括

δvt(σ3)＝δvs(σ3)+δvm(σ3)

其中σ3为围压，δvt(σ3)为特定围压下的总排水量，δvs(σ3)为特定围压下试样的体变量，δvm(σ3)为特定围压下橡皮膜的嵌入量。

(2)固结不排水试验中，因为体变控制阀门关闭，室内试验会假定试样不产生体积变化，试样在施加围压的作用下，会产生孔隙水压力，根据太沙基有效应力原理，则实际土体受到的总应力包括两个部分σ(总应力)＝σ′(有效应力)+up(孔隙水压力)，室内不排水试验在进行计算时，会取有效应力的值σ′来确定土体的变形参数。但在固结不排水试验中，因为孔隙水压力的作用，橡皮膜被推出孔隙，而这部分孔隙水压力up1的变化往往被室内试验人员忽略，则实际有效应力σ′＝σ-(up-up1)，忽略这部分孔隙水压力的影响,则产生的孔隙水压力小于真正不排水试验时的孔隙水压力。因此，橡皮膜被推出的这部分嵌入量-δvm(σ3)而消耗的孔压对土的不排水强度影响需要进行校正，以获得真正的不排水强度。通过对试样内部注水与抽水的方法可有效解决这一部分孔压消耗的影响，而现有的设备中没有考虑这部分因素，无法进行该步骤的校正。

现有技术中，张丙印等，水利水电技术，第34卷，2003年第2期，公开了一种粗粒料大型三轴试验中橡皮膜嵌入量对体变的影响及校正；但该论文是假定试样各向同性计算，即等向固结试验中土骨架的体积变化为

δvs＝3ε1v0(1)

橡皮膜的嵌入体积

δvm＝δv-3ε1v0(2)

公式(1)左侧进行转变εvv0＝3ε1v0

即试样的体应变εv＝3ε1，ε1为轴向应变，δvs为试样的体变，v0为试样初始体积；δv为试样总体变，δvm为橡皮膜嵌入量。

而粗粒土具有显著的各向异性，土体的体应变遵守εv≠3ε1，则公式(1)不成立，进而公式(2)则就不成立。且该方法是针对橡皮膜嵌入量(向试样内部孔隙嵌入)的，与本发明所要的解决的技术问题不同，无法适用于本发明。

王洪瑾，岩土工程学报，1985.7.4，公开了一种三轴试验中橡皮膜顺变性对体积变化和孔隙水压力的影响。该文以类似于综述的形式介绍了橡皮膜嵌入量(包括嵌入和剪切引起孔压的变化)，但并没有介绍不排水试验孔压变化引起橡皮膜的外推现象与及产生的原因，该文也介绍了固结排水试验中试样不是各向同性的，进而证明上述张丙印文中测量嵌入量方法的不合理性，此外，文中引用国外文章介绍了孔压变化引起土体强度的变化的现象，但并未给出橡皮膜被外推出时是孔压变化的消耗所产生的机理，也没有给出实际孔压变化的校正方法。

李慧芝，山西建筑，第38卷第35期，2012年12月，公开了一种影响固结不排水剪三轴试验结果的因素分析。该论文介绍仅仅介绍影响不排水试验中非饱和土强度变化的影响因素，与粗粒土是两种不同类型的范畴，对于非饱和土的强度指标，其有效应力σ′＝σ-u(孔隙水压力)+χus(基质吸力)，表述非饱和土公式时不够准确，非饱和土在吸水后基质吸力下降，总应力不变，有效应力减小。另外，该文中介绍橡皮膜包裹试样使得其内部充气过程中排出了水，对于粗粒土而言，其内部在饱和后将不存在空气，只有水和试样，试样在不排水剪切过程中超孔隙水压力增加，使得橡皮膜被外推，原有的试样与橡皮膜之间产生了排水效应。该文中表述的与粗粒土在不排水试验中因剪切引起的橡皮膜外推现象不符。(注：饱和土与不饱和土的差异性极大，饱和后与加载过程中产生的现象不同。)

中国专利cn108414343a公开了一种测量粗粒土大型三轴试验中试样橡皮膜嵌入量的方法，本测量方法是，在常规等压固结试验中增设小幅围压循环加载过程，测出不同围压时小幅围压增量条件下可恢复的试样体积变化量，继而基于橡皮膜嵌入是可恢复的特点，实现橡皮膜嵌入量及其随围压变化规律的测量。但该专利是假定试样各向同性计算，即等向固结试验中土骨架的体积变化与初始试样的体积成如下关系

δvs＝3ε1v0(1)

δvm＝δv-3ε1v0(2)

公式(1)左侧进行转变εvv0＝3ε1v0

即试样的体应变εv＝3ε1，ε1为轴向应变，δvs为试样的体变，v0为试样初始体积，δv为试样总体变，δvm为橡皮膜嵌入量。

而粗粒土具有显著的各向异性，土体的体应变严格遵守εv≠3ε1，则公式(1)不成立，进而公式(2)则就不成立，对于专利cn108414343a中的计算是在假定的理想状态，与实际情况不符，其校正的结果精确度较小。另外，该专利相对于本发明的测量内容存在较大的不同，本发明主要针对三轴固结不排水试验中，加载引起孔压变化引起的橡皮膜的外推(嵌入的橡皮膜因加载产生的孔压被推出试样孔隙)，而橡皮膜的外推会引起孔压消耗，孔压的消耗导致粗粒土强度指标增大，得到的试验结果偏于危险。该专利不能够针对不排水试验中橡皮膜被外推引起的孔隙水压力变化的校正。

技术实现要素：

本发明的目的是为消除橡皮膜嵌入量(橡皮膜被外推)引起的不利影响，提供一种三轴不排水试验中橡皮膜嵌入引起孔压变化的校正方法，该方法操作简单，使用方便，能够较好的实现校正目的，消除橡皮膜嵌入(橡皮膜被外推)引起孔压变化的不利影响。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种三轴不排水试验中橡皮膜嵌入引起孔压变化的校正方法，包括：

1)按照《gb/t50123-2019土工试验方法标准》的要求，将橡皮膜套入底盘，采用分层方法，将试样料装入橡皮膜中，配置试样达到要求的高度；

2)将试样帽套入橡皮膜上部，并覆盖在试样料之上，将排水管与底部的排水管连接螺栓进行连接，最后并入到体变控制系统；

3)将多个可伸缩位移计装置固定好，其伸缩杆由上至下分别均匀固定在橡皮膜上,并将其连入到位移变化量测系统；

4)套入压力室,关闭体变控制系统的阀门，打开转接头、关闭围压控制系统阀门，打开压力室上阀门，同时打开压力室注水装置和压力注水系统分别进行试样周围的注水以及内部试样料的饱和；待上排水管连接的转接头有水持续缓慢流出且无气泡流出时，试样饱和完成，重新将转接头与体变测量系统连接；待压力室上阀门有水流出时，则压力室水已经注满；

5)开启围压加载系统，加载到所要设定的围压；

6)上部轴向加载杆加载到要求的轴向应变；试样周边橡皮膜被推出试样孔隙，可伸缩位移计记录橡皮膜外推的位移数据，取多个位移测量值的平均值；

7)将步骤6)中多个位移数据的平均值记录到位移变化测量系统，并导入计算机计算，采用如下公式(3)计算

vm为嵌入量体积的变化，d为试样的直径，d50是试样平均粒径，在制样前可根据粒径组分计算出；e是孔隙比，根据制样前的密度进行换算得出；σ3为压力注水系统所需要的围压即u2，通过位移变化量测系统进行换算；α＝0.15(σ3a/emtm)^0.34，a＝0.732d50(1+e)^1/3，m＝324.7α⁴+237.3α²-3.5α+20.2，em为橡皮膜弹性模量，可通过拉伸试验进行测量，tm为橡皮膜的厚度。

8)根据步骤7)计算出需要注入的水量vm与注入的水的压力σ3，二者参数确保在注水时孔压不会产生突变；以解决橡皮膜加载过程中因橡皮膜被推出孔隙时产生的孔压消耗；对于孔压的突变，此时，计算机可实时对橡皮膜位移变化进行计算，根据橡皮膜的变形反推出产生位移量所需的推力和注水量(橡皮膜被外推消耗的孔压)，并实时对试样内部进行注水与抽水，因嵌入量突变时孔压的消耗进行校正；打开压力注水系统，阀门通过计算机控制注水量，此时压力注水系统注水时，体变测量系统与转接头连接的阀门关闭；

9)根据注水后的孔压，得出真正不排水情况下的剪切力σ1′-σ3＝σ1-σ3＝σ1-u1-σ3，其中，σ1′为有效大主应力，σ3为围压，σ1为加载的大主应力，u1为注水校正后的孔压。

通过本发明可以时刻有效控制因橡皮膜被推出时产生的孔压变化，使得最终结果更接近真实情况。无注水时有效应力σ0′＝σ-u0，σ总应力，u0为注水前孔压，经过注水校正后的真正不排水状态下有效应力σ1′＝σ-u1，二者的差值为σ1′-σ0′＝(σ-u1)-(σ-u0)＝u0-u1，这部分孔压引起不排水强度的变化值对于实际的结果影响时不能够忽视的。准确测量固结不排水试验中的孔压变化，对于粗粒土后期强度与变形计算具有重要意义。

附图说明

图1a是剪切前三轴等向固结试验示意图；

图1b是剪切后三轴固结不排水试验示意图；

图2是本发明使用的三轴固结不排水试验系统；

图3是注水前后轴向应变及空隙水压变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图2所示，三轴固结不排水试验系统，包括压力室，压力室内底部设置底盘上，橡皮膜套入底盘，采用分层方法，将试样料装入橡皮膜中，试样帽套入橡皮膜上部，并覆盖在试样料之上，将排水管与底部的排水管连接螺栓进行连接，最后并入到体变控制系统；将可伸缩位移计a、b、c装置固定好，其伸缩杆分别固定在橡皮膜的上、中、下三个部位,并将其连入到位移变化量测系统；套入压力室,关闭体变控制系统的阀门，打开转接头、关闭围压控制系统阀门，打开压力室上阀门，同时打开压力室注水装置和压力注水系统分别进行试样周围的注水以及内部试样料的饱和；待上排水管连接的转接头有水持续缓慢流出且无气泡流出时，试样饱和完成，重新将转接头与体变测量系统连接；待压力室上阀门有水流出时，则压力室水已经注满。

三轴固结不排水试验中橡皮膜嵌入引起孔压变化的校正方法，包括：

1)按照《gb/t50123-2019土工试验方法标准》的要求，将橡皮膜套入底盘，采用分层方法，将试样料装入橡皮膜中，配置试样达到要求的高度；

2)将试样帽套入橡皮膜上部，并覆盖在试样料之上，将排水管与底部的排水管连接螺栓进行连接，最后并入到体变控制系统；

3)将可伸缩位移计a、b、c装置固定好，其伸缩杆分别固定在橡皮膜的上、中、下三个部位,并将其连入到位移变化量测系统；

4)套入压力室,关闭体变控制系统的阀门，打开转接头、关闭围压控制系统阀门，打开压力室上阀门，同时打开压力室注水装置和压力注水系统分别进行试样周围的注水以及内部试样料的饱和；待上排水管连接的转接头有水持续缓慢流出且无气泡流出时，试样饱和完成，重新将转接头与体变测量系统连接；待压力室上阀门有水流出时，则压力室水已经注满；

5)开启围压加载系统，加载到所要设定的围压；

6)根据上部轴向加载杆进行加载到试样要求的轴向应变；则此时孔压上升，周边橡皮膜被推出试样孔隙，橡皮膜想外推出过程中，相应的可伸缩位移计会记录三个部分的位移d1，d2，d3，取其平均值d0；

7)将步骤6)中三个位移数据的平均值记录到位移变化测量系统，并导入计算机计算，采用如下公式(3)计算

vm为嵌入量体积的变化，d为试样的直径，d50是试样平均粒径，在制样前可根据粒径组分计算出；e是孔隙比，根据制样前的密度进行换算得出；σ3为压力注水系统所需要的围压即u2，通过位移变化量测系统进行换算；α＝0.15(σ3a/emtm)^0.34，a＝0.732d50(1+e)^1/3，m＝324.7α⁴+237.3α²-3.5α+20.2，em为橡皮膜弹性模量，可通过拉伸试验进行测量，tm为橡皮膜的厚度。

8)根据步骤7)计算出需要注入的水量vm，与注入的水的压力，二者参数确保在注水时孔压不会产生突变；以解决橡皮膜加载过程中因橡皮膜被推出孔隙时产生的孔压消耗；对于孔压的突变，此时，计算机可实时对橡皮膜位移变化进行计算，根据橡皮膜的变形反推出产生位移量所需的推力和注水量(橡皮膜被外推消耗的孔压)，并实时对试样内部进行注水与抽水，因嵌入量突变时孔压的消耗进行校正；打开压力注水系统，阀门通过计算机控制注水量，此时压力注水系统注水时，体变测量系统与转接头连接的阀门关闭；

9)根据注水后的孔压，得出真正不排水情况下的剪切力σ1′-σ3＝σ1-σ3＝σ1-u1-σ3，其中，σ1′为有效大主应力，σ3为围压，σ1为加载的大主应力，u1为注水校正后的孔压。

如图3所示，无注水时有效应力σ0′＝σ-u0，σ总应力，u0为注水前孔压，经过注水校正后的真正不排水状态下有效应力σ1′＝σ-u1，二者的差值为σ1′-σ0′＝(σ-u1)-(σ-u0)＝u0-u1，这部分孔压引起不排水强度的变化值对于实际的结果影响时不能够忽视的。

利用图2所示系统，还可对于粗粒土固结排水试验中橡皮膜嵌入量进行粗略修正。

其操作步骤是：

1)按照《gb/t50123-2019土工试验方法标准》的要求，将橡皮膜套入底盘，采用分层方法，将试样料装入橡皮膜中，配置试样达到要求的高度。

2)将试样帽套入橡皮膜上部，并覆盖在试样料之上，将排水管与底部的排水管连接螺栓进行连接，最后并入到体变控制系统。

3)将可伸缩位移计a、b、c装置固定好，其伸缩杆分别固定在橡皮膜的上、中、下三个部位,并将其连如到橡皮膜深度量测系统。

4)打开围压加载系统，进行等向固结排水试验，打开体变控制系统。

5)橡皮膜的嵌入深度可通过位移计a、b、c进行测量去平均值。

6)通过上述公式(3)计算出vm，试样的实际体变量为计算体变控制系统测得的总体变量减去vm。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。