巖土三軸壓縮實驗

1、三軸壓縮實驗實驗性質(zhì)：綜合性實驗一、概述1910年摩爾Mohr提出材料的破壞是剪切破壞，并指出在破壞面上的剪應力是為該面上法向應力的函數(shù)，即f f()圖4-1 摩爾包線這個函數(shù)在 f 坐標中是一條曲線，稱為摩爾 包線，如圖4-1實線所示。摩爾包線表示材料受 到不同應力作用到達極限狀態(tài)時， 滑動面上法向 應力 與剪應力 f的關系。土的摩爾包線通常 可以近似地用直線表示，如圖4-1虛線所示，該直線方程就是庫侖定律所表示的方程 C tg 。由庫侖公式表示摩爾包線的 土體強度理論可稱為摩爾-庫侖強度理論。當土體中任意一點在某一平面上的剪應力到達土的抗剪強度時，就發(fā)生剪切破 壞，該點也即處于極限平衡狀態(tài)

2、。根據(jù)材料力學，設某一土體單元上作用著的大、小主應力分別為1和3，那么在土體內(nèi)與大主應力1作用面成任意角的平面a a上的正應力和剪應力 ，可用坐標系中直徑為13的摩爾應力圓上的一點逆時針旋轉(zhuǎn)2 ,如圖4-2中之A點的坐標大小來表示，即1 12( 1 3)2( 1 3)cos23)sin 2將抗剪強度包線與摩爾應力畫在同一張坐標紙上，如圖4-3所示。它們之間的關系可以有三種情況：整個摩爾應力圓位于抗剪強度包線的下方圓I，說明通過該點的任意平面上的剪應力都小于土的抗剪強度，因此不會發(fā)生剪切破壞； 摩爾壓力圓與抗剪強度包線相割圓川，說明該點某些平面上的剪應力已超過了土的抗剪 強度，事實上該應力圓所代

3、表的應力狀態(tài)是不存在的；摩爾應力圓與抗剪強度包線相切圓n，切點為A點，說明在A點所代表的平面上，剪應力正好等于土的抗剪 強度，即該點處于極限平衡狀態(tài)，圓n稱為極限應力圓。學習文檔僅供參考圖4-3摩爾圓與抗剪強度包線之間的關圖4-2用摩爾圓表示的土體中任意點的應力三軸壓縮實驗亦稱三軸剪切實驗 是以摩爾-庫侖強度理論為依據(jù)而設計的三 軸向加壓的剪力試驗，試樣在某一固定周圍壓力3下，逐漸增大軸向壓力1，直至試樣破壞，據(jù)此可作出一個極限應力圓。用同一種土樣的34個試件分別在不同的周圍壓力 3下進行實驗，可得一組極限應力圓，如圖4-4中的圓I、圓H和圓川。作出這些極限應力圓的公切線，即為該土樣的抗剪強度

4、包絡線，由此便可求得土樣的抗剪強度指標。圖4-4 三軸實驗根本原理a試樣承受 3作用；b破壞時土樣應力狀態(tài)；c 土樣的極限應力圓與抗剪強度包線 三軸壓縮實驗是測定土體抗剪強度的一種比擬完善的室內(nèi)實驗方法，可以嚴格控制排水條件，可以測量土體內(nèi)的孔隙水壓力，另外，試樣中的應力狀態(tài)也比擬明確， 試樣破壞時的破裂面是在最薄弱處，而不像直剪試驗那樣限定在上下盒之間，同時三軸壓縮試驗還可以模擬建筑物和建筑物地基的特點以及根據(jù)設計施工的不同要求確 定試驗方法，因此對于特殊建筑物構(gòu)筑物、高層建筑、重型廠房、深層地基、海洋工程、道路橋梁和交通航務等工程有特別重要的意義。二、實驗方法根據(jù)土樣固結(jié)排水條件和剪切時的

5、排水條件，三軸試驗可分為不固結(jié)不排水剪實驗UU、固結(jié)不排水剪實驗CU、固結(jié)排水剪實驗CD以及Ko固結(jié)三軸實驗等。1 不固結(jié)不排水剪實驗 UU試樣在施加周圍應力和隨后施加偏應力直至破壞的整個試驗過程中都不允許排 水，這樣從開始加壓直至試樣剪壞，土中的含水量始終保持不變，孔隙水壓力也不可 能消散，可以測得總應力抗剪強度指標 cu ， u。2 固結(jié)不排水剪實驗 CU 試樣在施加周圍壓力時，允許試樣充分排水，待固結(jié)穩(wěn)定后，再在不排水的條件 下施加軸向壓力，直至試樣剪切破壞，同時在受剪過程中，測得土體的孔隙水壓力， 可以測得總應力抗剪強度強度指標 ccu， cu 和有效應力抗剪強度指標 c ， 。3 固

6、結(jié)排水剪實驗 CD 試樣先在周圍壓力下排水固結(jié)， 然后允許試樣在充分排水的條件下增加軸向壓力 直至破壞， 同時在試驗過程中測讀排水量以計算試樣的體積變化， 可以測得有效應力 抗剪強度指標 cd ， d 。4 . Ko固結(jié)三軸實驗常規(guī)三軸試驗是在等向固結(jié)壓力 123 條件下排水固結(jié)，而 K0 固結(jié)三軸試驗是按 32 k0 1施加周圍壓力，使試樣在不等向壓力下固結(jié)排水，然后再進行不排水剪或排水剪試驗。三、實驗設備1 三軸儀 三軸儀根據(jù)施加軸向荷載方式的不同，可以分為應變控制式和應力控制式兩種， 目前室內(nèi)三軸試驗根本上采用的是應變控制式三軸儀。應變控制式三軸儀由以下幾局部組成如圖4-5 ：1三軸壓力

7、室。壓力室是三軸儀的主要組成局部，它是由一個金屬上蓋、底座以 及透明有機玻璃筒組成的密閉容器， 壓力室底座通常有 3 個小孔分別與圍壓系統(tǒng)、 體 積變形以及孔隙水壓力量測系統(tǒng)相連。 2 軸向加荷系統(tǒng)。采用電動機帶動多級變速的齒輪箱，或者采用可控硅無級 變速，并通過傳動系統(tǒng)使壓力室自下而上的移動，從而使試樣承受軸向壓力，其加荷 速率可根據(jù)土樣性質(zhì)和試驗方法確定。3軸向壓力測量系統(tǒng)。施加于試樣上的軸向壓力由測力計量測，測力計由線 性和重復性較好的金屬彈性體組成，測力計的受壓變形由百分表或位移傳感器測讀。4周圍壓力穩(wěn)壓系統(tǒng)。采用調(diào)壓閥控制，調(diào)壓閥控制到某一固定壓力后，它 將壓力室的壓力進行自動補償而

8、到達穩(wěn)定的周圍壓力。5孔隙水壓力量測系統(tǒng)?？紫端畨毫τ煽讐簜鞲衅鳒y得。6軸向變形量測系統(tǒng)。軸向變形長距離百分表030mm百分表或位移傳感器測得。圖4-4 應變控制式三軸儀1-調(diào)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；11-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；19-馬達；20-變速箱7反壓力體變系統(tǒng)。由體變管和反壓力穩(wěn)壓控制系統(tǒng)組成，以模擬土體的實 際應力狀態(tài)或提高試件的飽和度以及量測試件的體積變化。2 附屬設備1擊實筒和飽和器

9、2切土盤、切土器、切土架和原狀土分樣器3承膜筒和砂樣制備模筒4天平、卡尺、乳膠膜等四、試樣的制備與飽和1 .試樣制備試樣應切成圓柱性形狀，試樣直徑為 39.1mmmm101mm相應的試樣高 度分別為80mm 150mm 200mm試樣高度與直徑的關系一般為 22.5倍，試樣的允 許最大粒徑與試樣直徑之間的關系見表 4-1。表4-1 試樣的允許最大粒徑與試樣直徑之間的關系見表試樣直徑D(mm)允許最大粒徑 d(mm)d<D/10d<D/10d<D/5對于較軟的土樣，用鋼絲鋸或切土刀在切土盤上制樣；對于較硬的土，用切土刀 和切土器在在切土架上制樣。稱取切削好試樣的質(zhì)量，準確至0.

10、1g，試樣的高度和直徑用卡尺量測，并按下式計算平均直徑D1 2D2 D3 D -4式中Di D- D-分別為試樣上、中、下部位的直徑。與此同時，取切下的余土，平行 測得含水量，取其平均值為試樣的含水量。2 .試樣飽和1真空抽氣飽和：將試樣裝入飽和器，置于真空缸內(nèi)，進行抽氣，當真空壓 力到達1個大氣壓時，開啟管夾，使清水注入真空缸內(nèi)，待水面超過飽和器后，即可 停止抽氣，然后靜止大約 10h左右，使試樣充分吸水飽和。2水頭飽和：將試樣裝入壓力室內(nèi)，施加 20kPa的周圍壓力，使無氣泡的水 從試樣底座進入，待上部溢出，水頭高差一般在1m左右，直至流入水量和溢出水量相等為止。3反壓力飽和：試樣飽和度要

11、求較高時采用祥見實驗規(guī)程。五、操作步驟這里只介紹不固結(jié)不排水剪。1對儀器各局部進行全面檢查，周圍壓力系統(tǒng)、反壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力系統(tǒng)、 軸向壓力系統(tǒng)是否能正常工作，排水管路是否暢通， 管路閥門連接處有無漏水漏氣現(xiàn)象。乳膠膜是否有漏水漏氣現(xiàn)象。2 拆開壓力室的有機玻璃罩子，將試樣方在試樣底座的不透水圓板上，在試樣 的頂部放置不透水試樣帽。3 將乳膠膜套在承膜筒上，兩端翻過來，用吸咀吸氣，使乳膠膜貼緊承膜筒內(nèi) 壁，然后套在試樣外放氣，翻起乳膠膜，取出承膜筒，用橡皮圈將乳膠膜分別扎緊在 試樣底座和試樣帽上，4 裝上受壓室外罩，安裝時應先將活塞提高，以防碰撞試樣，然后將活塞對準 試樣帽中心，并旋緊壓力

12、室密封螺帽，再將測力環(huán)對準活塞。5 向壓力室充水，當壓力室快注滿水時，降低進水速度，當水從排水孔溢出時，關閉排水孔。6 開空壓機和周圍壓力閥，施加所需的周圍壓力，周圍壓力的大小應根據(jù)土樣埋深和應力歷史來決定，也可按100、200300kPa施加。7 旋轉(zhuǎn)手輪，當測力環(huán)的量表微動，表示活塞與試樣接觸，然后將測力環(huán)的量 表和和軸向位移量表的指針調(diào)整到零位。8 啟動電動機開始剪切，剪切速率宜為每分鐘應變0.5%1.0%。80mm高的試樣速率為0.40.8mm/min。開始階段，試樣每產(chǎn)生垂直應變 0.30.4%時記測力環(huán)量表 讀數(shù)和垂直位移量表讀數(shù)各一次。當接近峰值時應加密讀數(shù)，如果試樣特別松軟和硬

13、脆，可酌情減少或加密讀數(shù)。9 .當出現(xiàn)峰值后，再進行 3%5%的垂直應變或剪至總垂直應變的15%后停止試驗，假設測力環(huán)讀數(shù)無明顯減少那么垂直應變應進行到20%10. 試驗結(jié)束后，關閉電動機，關周圍應力閥，拔開離合器，倒轉(zhuǎn)手輪，然后打開排氣孔，排去壓力室內(nèi)的水，拆去壓力室外罩，取出試驗，描述試樣破壞的形狀， 并測得試驗后的密度和含水量。11. 重復以上步驟分別在不同的圍壓下進行第二、三、四個試樣的試驗。六、成果整理1. 計算軸向應變100%式中 1軸向應變h 軸向變形(mm)；h° 土樣初始高度mm。2 .計算剪切過程中試樣的平均面積:cm2Aa式中 Aa 剪切過程中平均斷面積A -土

14、樣初始斷面積cm21 軸向應變3.計算主應力差1CRAaCR(1 JA式中13 主應力差kPa1 大主應力kPa3 小主應力kPaC 測力計率定系數(shù)N/mmR mm10 單位換算系數(shù)。4 .繪制主應力差與軸向應變關系曲線以主應力差13為縱坐標，軸向應變1為橫坐標，繪制主應力差與軸向應變關系曲線圖 4-5，假設有峰值時，取曲線上主應力差的峰值作為破壞點；假 設無峰值時，那么取15%軸向應變時的主應力差值作為破壞點。圖4-5主應力差與軸向應變關系曲線圖4-6不固結(jié)不排水剪強度包線5 繪制強度包線以剪應力為縱坐標，法向應力為橫坐標，在橫坐標軸上以破壞時的_2ff 為圓心，以 f 為半徑，在 坐標系上

15、繪制破壞總應力圓，2 2并繪制不同周圍應力下諸破壞總應力圓的包線圖4-6，包線的傾角為內(nèi)摩擦角u ,包線在縱坐標上的截距為粘聚力cu。七、思考題1 .什么是土的抗剪強度？ 土的抗剪強度是不是一個定值？2. 什么是土的抗剪強度指標？對于一種土，其抗剪強度指標是否為一個定值？ 為什么？3. 分別簡述直剪實驗和三軸實驗的原理。比擬二者之間的優(yōu)缺點和適用范圍？八、實驗報告此報告格式僅供參考，同學可以參照此原那么自定報告形式。在實驗報告的最后部分，同學要綜合所學知識及實驗所得結(jié)論，認真答復思考題并可以提出自己的見解、 討論及存在的問題。1. 實驗目的：2. 實驗設備3. 實驗記錄及成果分析1三軸實驗記錄

16、周圍 壓力 (kPa)量力環(huán) 讀數(shù)(0.01mm)軸向荷重(N)軸向變形(0.01mm)軸向應變(%)校正后 試樣面積(cm主應力差與軸向應變關系曲線)主應力差(kPa)軸向應 力(kPa)3RP CRhh hoAa亠a 1 1P1不固結(jié)不排水剪強度包線入1土工實驗資料的整理與實驗報告通過土工實驗我們得到了土樣的各種參數(shù)指標，而工程上應用的是代表整個土層餓綜合性指標，因此要對試驗指標進行去粗取精，去偽存真的綜合整理。從而得到對 某一土層的代表性指標，選取工程上應用的計算指標。二、方法和步驟1.為使實驗資料可靠和適用，應進行正確的數(shù)據(jù)分析和整理。整理時對實驗資 料中明顯不和理的數(shù)據(jù)，應通過研究，

17、分析原因試樣是否具有代表性、試驗過程中 是否出現(xiàn)異常情況等或在有條件時，進行一定的補充試驗后，可決定對可疑數(shù)據(jù)取 舍或改正。2 .舍棄實驗數(shù)據(jù)時，應根據(jù)誤差分析或概率的概念，按三倍標準差即土3s作為舍棄標準，即在資料分析中應該舍棄那些在土 3s以外的測定值，然后重新計算整理。3 土工實驗測得的土性指標，可按其在工程設計中的實際作用分為一般特性指 標和計算指標。前者如土的天然密度、天然含水量、土粒比重、顆粒組成、液限、塑 限、有機質(zhì)、水溶鹽等，系指作為對土分類定名和說明其物理化學特性的土性指標； 后者如土的粘聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮系數(shù)、變形模量、滲透系數(shù)等，系指在設計計算 中直接用于確定土體的強度

18、、變形和穩(wěn)定性等力學性的土性指標。4 .對一般性指標的成果整理，通?？刹捎脤掖螠y定值 xi的算數(shù)平均值X，并計 算出相應的標準差 和變異系數(shù)，以反映實際測定值對算數(shù)平均值的變化程度， 從 而判別其采用算數(shù)平均值的可靠性。nXii 11算數(shù)平均值X按下式計算-1x -nn式中： xii 1n2標準差按下式計算n 11nx23變異系數(shù)按下式計算，并按下表評價變異性。5 對主要計算指標的成果整理，如果測定的組數(shù)較多，此時指標的最正確值接近于諸測值的算數(shù)平均值，仍可按一般特性指標的方法強度其設計計算值，即采用算數(shù)平均值。但通常由于試驗的數(shù)據(jù)較少，考慮到測定誤差、土體本身的不均勻性和施 工質(zhì)量的影響等，為平安考慮，對初步設計和次要建筑物宜采用標準差平均值，即對算數(shù)平均值加或減一個標準差的絕對值x ± s。6 對不同應力條件下測得的某種指標如抗剪強度應經(jīng)過綜合整理求取。在有些情況下，尚需求出不同土體單元綜合使用時的計算指標。這種綜合性的土性指標，一般采用圖解法或最小二乘方分析法確定。1圖解法：將不同應力條件下測得的指標值如抗剪強度然后以不同的應力為橫坐標，指標平均值為縱坐標作圖，并求得關系曲線，確定其參數(shù)如土的粘聚 力