三軸剪切試驗 (1)

1、實驗十 三軸剪切試驗一、概述三軸剪切試驗是測定土的抗剪強度的主要方法之一。它通常用34個圓柱形試樣分別在不同的圍壓下施加軸向壓力對試樣進行剪切，直至破壞，然后根據(jù)摩爾庫倫理論，求得土的抗剪強度指標f和c。根據(jù)排水條件的不同，三軸剪切試驗可分為不固結不排水剪(UU)、固結不排水剪(CU)和固結排水剪(CD)三種試驗方法。不固結不排水剪試驗，在施加周圍壓力s3和軸向偏應力（s1-s3），直至試樣剪壞的整個過程中，均不允許試樣排水固結，即不讓孔隙水壓力消散。固結不排水剪試驗，在施加周圍壓力時，允許試樣充分排水固結；在施加偏應力時，不允許排水至試樣剪壞。固結排水剪試驗，在施加周圍壓力和軸向偏應力，直至

2、試樣剪壞的整個過程中，使試樣充分排水固結。這里只介紹飽和試樣的固結不排水剪試驗。二、試驗原理三軸試驗采用圓柱形試樣，對試樣在空間三個坐標方向上施加壓力。試驗時先通過壓力室有壓液體，使試樣在三個軸向受到相同的周圍壓力s3，并維持整個試驗過程不變。然后通過活塞桿向試樣施加垂直軸向壓力，直到試樣剪壞。fstc附圖10.1 抗剪強度包線若由活塞桿所加的試樣破壞時的壓力強度為qs1-s3，小主應力是周圍壓力s3。由一個試樣所得的s1和s3，可以繪制一個極限應力圓。若干個試樣，可得在不同周圍壓力作用下，試樣剪壞時的最大主應力，從而可繪制若干個極限應力圓，作這些應力圓的公切線，便是土的抗剪強度包線，由此包線

3、可求得強度指標c和f，附圖10.1所示。三、儀器設備1、常用的三軸剪切儀，按施加軸向壓力方式的不同，分為應變控制式和應力控制式兩種。2、應變控制式三軸儀見附圖10.9所示。包括壓力室、軸向加壓設備、施加周圍壓力系統(tǒng)、體積變化和孔隙壓力量測系統(tǒng)等。3、附屬設備：擊實筒、飽和器、切土盤、切土器和切土架、分樣器、承膜筒、天平、量表、橡皮膜等。123456附圖10.3 對開圓膜1.壓力室底座；2.透水石；3.制樣圓模；4.圓箍；5.橡皮膜；6.橡皮圈1231附圖10.2 原狀土分樣器1.鋼絲架；2一滑桿；3一底座12345附圖10.5 擊實器1.環(huán)；2.位螺絲；3.桿；4.擊錘；5.底板1276543

4、附圖10.4 承膜筒1.壓力室底座；2.透水石；3.試樣；4.承膜筒；5.橡皮膜；6.上帽附圖10.6 飽和器1.土樣筒；2.緊箍；3.夾板；4一拉桿；5.透水石12345123附圖10.7 切土盤1.軸 2.上盤 3.下盤123附圖10.8 切土器1.土樣 2.切土器 3.支架附圖10.9 應變控制式三軸剪切儀l.調壓筒；2.周圍壓力表；3.周圍壓力閥；4.排水閥；5.體變管；6.排水管；7.變形量表；8.量力環(huán)；9.排氣孔；10.軸向加壓設備；1l.壓力室；12.量管閥；13.零位指示器；14.孔隙壓力表；15.量管；16.孔隙壓力閥；17.離合器；18.手輪四、試驗步驟1、使用前三軸剪切

5、儀應進行檢查(1)周圍壓力的精度要求達到最大壓力的土1，測讀分值一般應為5kPa，根據(jù)試樣強度的大小，選擇不同量程的量力環(huán)，使最大軸向壓力的精度不小于1。(2)排除孔隙壓力量測系統(tǒng)的氣泡。其方法是將零位指示器中水銀移人貯槽內，關閉量管閥，用調壓筒或三軸壓力室(三軸壓力室內充滿無氣水)對孔隙壓力量測系統(tǒng)中的無氣水(煮沸冷卻后的蒸餾水)施加壓力，小心打開量管閥，讓管路中氣泡從量管排出?？煞磸蛶状?，直到氣泡完全沖出為止。必須注意，不要使貯槽內水銀沖出指示器。排氣完畢后，從貯槽中移回水銀，關閉孔隙壓力閥和量管閥，用調壓筒施加壓力，檢查孔隙壓力量測系統(tǒng)的體積因數(shù)，要求該體積因數(shù)小于1.510-5cm3/

6、kPa?？紫秹毫σ部捎脗鞲衅髁繙y。(3)檢查排水管路是否通暢；活塞在軸套內滑動是否正常；連接處有無漏水現(xiàn)象。儀器檢查完畢，關周圍壓力閥、孔隙壓力閥和排水閥，以備使用。(4)橡皮膜在使用前應作仔細檢查。其方法是在膜內充氣，扎緊兩端，然后在水下檢查有無漏氣。2、試樣制備原狀試樣，可從鉆孔原狀土柱或試坑原狀土塊中切取。試樣尺寸應符合下列要求：直徑3.91cm的試樣，允許最大粒徑為2.0mm；直徑6.18cm的試樣，允許最大粒徑為5.0mm；直徑10.1cm的試樣，允許最大粒徑為10.0mm，但也允許個別超徑顆粒存在。超徑顆粒的粒徑不應超過試樣直徑的1/5。對于較軟的土樣，先用鋼絲鋸或削土刀切取一稍大

7、于規(guī)定尺寸的土柱，放在切土盤上、下圓盤之間，再用鋼絲鋸或削土刀緊靠側板，由上往下細心切削，邊切削邊轉動圓盤，直到土樣被削成規(guī)定直徑為止。然后按試驗要求的試樣高度，截取試樣，并削平上下兩端，見附圖10.7。對于較硬的土樣，先用削土刀或鋼絲鋸切取一稍大于規(guī)定尺寸的土樣，上下兩端削平，按試樣的要求層次方向，放在切土架上，用切土器切削。先在切土器環(huán)刀口內壁涂上一層薄的油或凡士林，將切土器的刀口對準土樣，邊削土邊壓切土器，一直切削到比要求的試樣高度約高2cm為止，然后拆開切土器，將試樣取出，按要求的高度將兩端削平，見附圖10.8。將切削好的試樣稱重，準確到0.1g。試樣高度和直徑用卡尺量測，并按下式計算

8、試樣的平均直徑：附10.1式中：D1、D2、D3分別為試樣上、中、下部位的直徑。取切下的余土，平行測定含水量，取其平均值作為試樣的含水量(同一組原狀試樣，含水量差值不宜大于2)。3、試樣飽和根據(jù)試樣的性質有抽氣飽和、水頭飽和和反壓力飽和等幾種飽和方法。抽氣飽和：將試樣裝人飽和器內(附圖6.6)置于抽氣缸內，蓋緊后進行抽氣，當真空度接近一個大氣壓后，對于粉質土(壤土)再繼續(xù)抽半小時以上，粘質土抽1小時以上，密實的粘質土抽2小時以上，然后徐徐注入清水，并使真空度保持穩(wěn)定。待飽和器完全淹沒在水中后，停止抽氣。解除抽氣缸內的真空，讓試樣在抽氣缸內靜置10小時以上然后取出試樣稱重。水頭飽和：將試樣安裝于

9、壓力室內。試樣周圍不貼濾紙條，施加20kPa周圍壓力。提高試樣底部量管水位，降低試樣頂部量管的水位，使兩管水位差在1m左右，打開孔隙水壓力閥、量管閥和排水管閥，使純水從底部進入試樣，從試樣頂部溢出，直至流入水量和溢出水量相等為止。當需要提高試樣的飽和度時，宜在水頭飽和前，從底部將二氧化碳氣體通入試樣，置換孔隙中的空氣。二氧化碳的壓力以510kPa為宜，再進行水頭飽和。反壓力飽和：試樣要求完全飽和時，應對試樣施加反壓力。反壓力系統(tǒng)和周圍壓力系統(tǒng)相同(對不固結不排水剪試驗可用同一套設備施加)，但應用雙層體變管代替排水量管。試樣裝好后，調節(jié)孔隙水壓力等于大氣壓力，關閉孔隙水壓力閥、反壓力閥、體變管閥

10、、測記體變管讀數(shù)。開周圍壓力閥，先對試樣施加1050kPa的周圍壓力，開孔隙水壓力閥，待孔隙水壓力變化穩(wěn)定，測記讀數(shù)，關孔隙水壓力閥。反壓力應分級施加，同時分級施加周圍壓力，以盡量減少對試樣的擾動。周圍壓力和反壓力的每級增量宜為30kPa，開體變管閥和反壓力閥，同時施加周圍壓力和反壓力，緩慢打開孔隙水壓力閥，檢查孔隙水壓力增量，待孔隙水壓力穩(wěn)定后，測孔隙水壓力和體變管讀數(shù)，再施加下一級周圍壓力和反壓力。計算每級周圍壓力引起的孔隙水壓力增量，當與之比Du/Ds30.98時，認為試樣飽和。4、試樣安裝開孔隙壓力閥及量管閥，使儀器底座充水排氣，并關閥。將煮沸過的透水石放在儀器底座上，然后放上濕濾紙，

11、放置試樣，試樣上端也放一濕濾紙及透水石，為了加速排水固結，可在試樣周圍貼上79條寬度為6 mm左右的浸濕濾紙條，濾紙條兩端與透水石連接。把已檢查過的橡皮膜套在承膜筒上，兩端翻出筒外，從吸嘴吸氣，使膜貼緊承膜筒內壁，然后把橡皮膜筒套在試樣外，放氣，翻起橡皮膜，橡皮膜貼在試樣上，取出承膜筒，用橡皮圈將橡皮膜下端扎緊在儀器底座上。用軟刷子或雙手自下而上輕輕按撫試樣，以排除試樣與橡皮膜之間的氣泡。對于飽和軟粘土，可打開孔隙壓力閥及量管閥，使水徐徐流人試樣與橡皮膜間，以排除夾氣，然后關閥。打開排水閥，使水從試樣帽徐徐流出以排除管路中氣泡，并將試樣帽放置于試樣頂端，排除頂端氣泡，將橡皮膜扎；緊在試樣帽上。

12、降低排水管，使其水面降至試樣中心高程以下2040cm，吸出試樣與橡皮膜之間多余水分，然后關閉排水閥。 裝上壓力室外罩，將活塞桿提高到最高位置，以免和試樣碰撞，然后將活塞桿對準試樣帽中心，并均勻地旋緊螺絲，再將量力環(huán)對準活塞桿，打開壓力室上的排氣孔，向壓力室注水。當壓力室快注滿水時，降低進水速度；當水從排氣孔溢出時，關閉排氣孔。然后使排水管的水面與試樣中心高度齊平，并測記水面讀數(shù)。調整孔隙壓力起始讀數(shù)，使量管水面位于試樣中心高度處，開量管閥，用調壓筒調整零位指示器的水銀面至毛細管指示線，記下孔隙壓力表起始讀數(shù)，然后關量管閥。開周圍壓力閥，施加所需的周圍壓力s3。周圍壓力大小與工程的實際荷重相適應

13、，并盡可能使最大周圍壓力與土體的放大實際荷重大致相等。本試驗按100、200、300、400kPa施加。旋轉手輪，當量力環(huán)的量表微動時，表示活塞已與試樣帽接觸，然后將量力環(huán)的量表微動時，表示活塞已與試樣帽接觸，然后將量力環(huán)的量表和變形量表的指針調整到零位。5、試樣固結加周圍壓力后用調壓筒調壓。將孔隙壓力表讀數(shù)調至接近該級周圍壓力大小，然后緩緩打開孔隙壓力閥，并同時旋轉調壓筒，使毛細管內水銀面保持不變，測記穩(wěn)定后的孔隙壓力讀數(shù)，減去孔隙水壓力表起始讀數(shù)，即為周圍壓力下試樣的孔隙水壓力u。打開排水閥的同時開動秒表，按0、0.25、1、4、9、時間測記固結排水管水面及孔隙壓力表讀數(shù)，以便了解試樣內孔

14、隙水壓力的消散情況。在整個試驗過程中，固結排水管水面應保持試樣的中心高度。另外指示器的水銀面也應始終保持在零位。當排水量不再有變化時，固結度至少達到95%，即可關排水閥，記下固結排水管和孔隙壓力表的讀數(shù)。然后轉動細調手輪，使活塞與試樣帽接觸(注意避免試樣放置不正，假接觸現(xiàn)象)，記下軸向變形量讀數(shù)，即固結下沉量Dh，算出固結后試樣高度hc。然后將量力環(huán)量表、垂直變形量表都調至零。6、試樣剪切選擇剪切速率。粉質土每分鐘應變?yōu)?.10.5，一般粘質土每分鐘應變?yōu)?.10.05%。開動馬達，合上離合器進行剪切。試樣每產生垂直應變0.30.4，測記量力環(huán)量表和垂直變形量表讀數(shù)各一次。垂直應變達3以后，讀

15、數(shù)間隔可延長為0.70.8測記一次：在剪切過程中應使零位指示器的水銀面始終保持于原來的位置，當出現(xiàn)峰值后，再繼續(xù)剪35垂直應變；若量力環(huán)的量表讀數(shù)無明顯減少，則垂直應變進行到1520停止剪切。試驗結束后，關閉馬達，關上周圍壓力閥，拔開離合器，倒轉手輪，然后打開排氣孔，排去壓力室的水。拆除壓力室外罩，揩干試樣周圍的余水，脫去試樣外的橡皮膜，描述破壞后的形狀，稱試樣重量，測定試驗后的含水量。其余試樣，取不同周圍壓力，重復上述步驟進行。五、計算與記錄1、計算試樣固結后的高度按下式計算：附10.2式中 hc試樣固結后的高度，cm； h0試樣固結前的高度，cm； DV試樣固結前后的體積變化(實測或由試驗

16、前后試樣質量差換算)，cm3； V0試樣固結前的體積，cm3。試樣固結后的面積按下式計算：附10.3式中 Ac試樣固結后的面積，cm2； A0試樣固結前的面積，cm2。剪切時試樣的校正面積按下式計算：附10.4式中 Aa試樣的校正面積，cm2； e1軸向應變，e1=Dhi/hc。 Dhi試樣剪切時的高度變化，由軸向變形量表測得，cm。(2)主應力差(s1-s3)的計算：附10.5式中 s1大主應力，kPa； s3小主應力，kPa；C量力環(huán)率定系數(shù)，N0.01mm； R量力環(huán)量表讀數(shù)，0.01mm； Aa試樣剪切時的面積，cm2； 10單位換算系數(shù)。有效主應力按下式計算：附10.6附10.7式中

17、 s1有效大主應力，kPa； s3有效小主應力，kPa； u孔隙水應力，kPa。有效主應力比按下式計算：附10.8孔隙水壓力系數(shù)按下式計算：按下式計算初始孔隙水壓力系數(shù)B：附10.9式中 u0試樣在周圍壓力下產生的起始孔隙水壓力，kPa。按下式計算破壞時孔隙水壓力系數(shù)Af：附10.10式中 uf試樣破壞時，在主應力差(s1-s3)下產生的孔隙壓力，kPa。2、制圖(1)繪制主應力差(s1-s3)與軸向應變e1的關系曲線，如附圖10.10。(2)繪制有效主應力比s1/s3與軸向應變e1的關系曲線，如附圖10.11。05151020100200e1,%s1-s3，kPas3=100kPa05151

18、0202.03.0e1,%s1/s3s3=100kPa1.0附圖10.10 (s1-s3)e1的關系曲線附圖1011 s1/s3e1的關系曲線(3)繪制固結不排水剪強度包線，如附圖10.12。以法向應力s為橫坐標，剪應力t為縱坐標，在橫坐標軸上以(s1+s3)/2為圓心，以(s1-s3)/2為半徑繪制破損總應力圓。在繪制不同周圍壓力的破損總應力圓后，作破損總應力圓的包線，即總應力強度包線，該包線的傾角為土的內摩擦角f，與縱軸的截距為粘聚力c。s(kPa)t(kPa)O附圖10.12 固結不排水剪強度包線在橫坐標軸上以 (s1+s3)/2為圓心，以(s1-s3)/2為半徑，繪不同周圍壓力下的有效應力圓和有效應力圓的包線，包線的傾角為有效內摩擦角f，與縱坐標軸的截距為有效粘聚力c。3、記錄固結不排水剪切試驗記錄格式如下：土樣編號 試驗方法 試驗者 計算者 試驗日期 校核者 試樣狀態(tài)記錄階段直徑(cm)高度(cm)面積(cm2)體積(cm3)質量(g)密度(g/cm3)干密度(g/cm3)起始的固結后剪切后含水量記錄階段盒質量(g)盒+濕土質量(g)盒+干土質量(g)水質量(g)干土質量(g)含水量(%)平均含水量(%)飽和度(%)起始的剪切后反壓力飽和和固結排水記錄反壓力飽和固結排水時間(min)周圍壓