巖土三軸壓縮實(shí)驗(yàn)

PAGEPAGE35三軸壓縮實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：綜合性實(shí)驗(yàn)）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(yīng)力是為該面上法向應(yīng)力的函數(shù)，即這個(gè)函數(shù)在坐標(biāo)中是一條曲線，稱為摩爾包線，如圖4-1實(shí)線所示。摩爾包線表示材料受到不同應(yīng)力作用達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，滑動(dòng)面上法向應(yīng)力與剪應(yīng)力的關(guān)系。土的摩爾包線通?？梢越频赜弥本€表示，如圖4-1虛線所示，該直線方程就是庫(kù)侖定律所表示的方程（）。由庫(kù)侖公式表示摩爾包線的土體強(qiáng)度理論可稱為摩爾－庫(kù)侖強(qiáng)度理論。圖4-1摩爾包線當(dāng)土體中任意一點(diǎn)在某一平面上的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，就發(fā)生剪切破壞，該點(diǎn)也即處于極限平衡狀態(tài)。根據(jù)材料力學(xué)，設(shè)某一土體單元上作用著的大、小主應(yīng)力分別為和，則在土體內(nèi)與大主應(yīng)力作用面成任意角的平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，可用坐標(biāo)系中直徑為的摩爾應(yīng)力圓上的一點(diǎn)（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)2,如圖4-2中之A點(diǎn)）的坐標(biāo)大小來表示，即將抗剪強(qiáng)度包線與摩爾應(yīng)力畫在同一張坐標(biāo)紙上，如圖4-3所示。它們之間的關(guān)系可以有三種情況：①整個(gè)摩爾應(yīng)力圓位于抗剪強(qiáng)度包線的下方（圓Ⅰ），說明通過該點(diǎn)的任意平面上的剪應(yīng)力都小于土的抗剪強(qiáng)度，因此不會(huì)發(fā)生剪切破壞；②摩爾壓力圓與抗剪強(qiáng)度包線相割（圓Ⅲ），表明該點(diǎn)某些平面上的剪應(yīng)力已超過了土的抗剪強(qiáng)度，事實(shí)上該應(yīng)力圓所代表的應(yīng)力狀態(tài)是不存在的；③摩爾應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度包線相切（圓Ⅱ），切點(diǎn)為A點(diǎn)，說明在A點(diǎn)所代表的平面上，剪應(yīng)力正好等于土的抗剪強(qiáng)度，即該點(diǎn)處于極限平衡狀態(tài)，圓Ⅱ稱為極限應(yīng)力圓。圖4-2用摩爾圓表示的土體中任意點(diǎn)的應(yīng)力圖4-3摩爾圓與抗剪強(qiáng)度包線之間的關(guān)系三軸壓縮實(shí)驗(yàn)（亦稱三軸剪切實(shí)驗(yàn)）是以摩爾－庫(kù)侖強(qiáng)度理論為依據(jù)而設(shè)計(jì)的三軸向加壓的剪力試驗(yàn)，試樣在某一固定周圍壓力下，逐漸增大軸向壓力，直至試樣破壞，據(jù)此可作出一個(gè)極限應(yīng)力圓。用同一種土樣的3～4個(gè)試件分別在不同的周圍壓力下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可得一組極限應(yīng)力圓，如圖4-4中的圓Ⅰ、圓Ⅱ和圓Ⅲ。作出這些極限應(yīng)力圓的公切線，即為該土樣的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線，由此便可求得土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。圖4-4三軸實(shí)驗(yàn)基本原理a)試樣承受作用；b)破壞時(shí)土樣應(yīng)力狀態(tài)；c)土樣的極限應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度包線三軸壓縮實(shí)驗(yàn)是測(cè)定土體抗剪強(qiáng)度的一種比較完善的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法，可以嚴(yán)格控制排水條件，可以測(cè)量土體內(nèi)的孔隙水壓力，另外，試樣中的應(yīng)力狀態(tài)也比較明確，試樣破壞時(shí)的破裂面是在最薄弱處，而不像直剪試驗(yàn)?zāi)菢酉薅ㄔ谏舷潞兄g，同時(shí)三軸壓縮試驗(yàn)還可以模擬建筑物和建筑物地基的特點(diǎn)以及根據(jù)設(shè)計(jì)施工的不同要求確定試驗(yàn)方法，因此對(duì)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(wù)等工程有特別重要的意義。二、實(shí)驗(yàn)方法根據(jù)土樣固結(jié)排水條件和剪切時(shí)的排水條件，三軸試驗(yàn)可分為不固結(jié)不排水剪實(shí)驗(yàn)（UU）、固結(jié)不排水剪實(shí)驗(yàn)（CU）、固結(jié)排水剪實(shí)驗(yàn)（CD）以及Ko固結(jié)三軸實(shí)驗(yàn)等。關(guān)閉排水孔。6．開空壓機(jī)和周圍壓力閥，施加所需的周圍壓力，周圍壓力的大小應(yīng)根據(jù)土樣埋深和應(yīng)力歷史來決定，也可按100、200300kPa施加。7．旋轉(zhuǎn)手輪，當(dāng)測(cè)力環(huán)的量表微動(dòng)，表示活塞與試樣接觸，然后將測(cè)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(dòng)電動(dòng)機(jī)開始剪切，剪切速率宜為每分鐘應(yīng)變0.5%～1.0%。80mm高的試樣速率為0.4～0.8mm/min。開始階段，試樣每產(chǎn)生垂直應(yīng)變0.3～0.4%時(shí)記測(cè)力環(huán)量表讀數(shù)和垂直位移量表讀數(shù)各一次。當(dāng)接近峰值時(shí)應(yīng)加密讀數(shù)，如果試樣特別松軟和硬脆，可酌情減少或加密讀數(shù)。9．當(dāng)出現(xiàn)峰值后，再進(jìn)行3%～5%的垂直應(yīng)變或剪至總垂直應(yīng)變的15%后停止試驗(yàn)，若測(cè)力環(huán)讀數(shù)無明顯減少則垂直應(yīng)變應(yīng)進(jìn)行到20%。10．試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉電動(dòng)機(jī)，關(guān)周圍應(yīng)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(yàn)，描述試樣破壞的形狀，并測(cè)得試驗(yàn)后的密度和含水量。11．重復(fù)以上步驟分別在不同的圍壓下進(jìn)行第二、三、四個(gè)試樣的試驗(yàn)。六、成果整理1．計(jì)算軸向應(yīng)變式中－軸向應(yīng)變（％）；－軸向變形(mm)；－土樣初始高度（mm）。2．計(jì)算剪切過程中試樣的平均面積：式中－剪切過程中平均斷面積（cm2）－土樣初始斷面積（cm2）－軸向應(yīng)變（％）3.計(jì)算主應(yīng)力差式中－主應(yīng)力差（kPa）―大主應(yīng)力（kPa）－小主應(yīng)力（kPa）－測(cè)力計(jì)率定系數(shù)（N/0.01mm）－測(cè)力計(jì)讀數(shù)（0.01mm）10－單位換算系數(shù)。4．繪制主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線以主應(yīng)力差（）為縱坐標(biāo)，軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，繪制主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線（圖4-5），若有峰值時(shí)，取曲線上主應(yīng)力差的峰值作為破壞點(diǎn)；若無峰值時(shí)，則取15％軸向應(yīng)變時(shí)的主應(yīng)力差值作為破壞點(diǎn)。圖4-5主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線圖4-6不固結(jié)不排水剪強(qiáng)度包線5．繪制強(qiáng)度包線以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)，在橫坐標(biāo)軸上以破壞時(shí)的為圓心，以為半徑，在坐標(biāo)系上繪制破壞總應(yīng)力圓，并繪制不同周圍應(yīng)力下諸破壞總應(yīng)力圓的包線（圖4-6），包線的傾角為內(nèi)摩擦角，包線在縱坐標(biāo)上的截距為粘聚力。七、思考題什么是土的抗剪強(qiáng)度？土的抗剪強(qiáng)度是不是一個(gè)定值？什么是土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)？對(duì)于一種土，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是否為一個(gè)定值？為什么？分別簡(jiǎn)述直剪實(shí)驗(yàn)和三軸實(shí)驗(yàn)的原理。比較二者之間的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍？八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告此報(bào)告格式僅供參考，同學(xué)可以參照此原則自定報(bào)告形式。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的最后部分，同學(xué)要綜合所學(xué)知識(shí)及實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論，認(rèn)真回答思考題并可以提出自己的見解、討論及存在的問題。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)記錄及成果分析（1）三軸實(shí)驗(yàn)記錄周圍壓力(kPa)量力環(huán)讀數(shù)(0.01mm)軸向荷重(N)軸向變形(0.01mm)軸向應(yīng)變(%)校正后試樣面積(cm2)主應(yīng)力差(kPa)軸向應(yīng)力(kPa)(2)主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(3)不固結(jié)不排水剪強(qiáng)度包線土工實(shí)驗(yàn)資料的整理與實(shí)驗(yàn)報(bào)告通過土工實(shí)驗(yàn)我們得到了土樣的各種參數(shù)指標(biāo)，而工程上應(yīng)用的是代表整個(gè)土層餓綜合性指標(biāo)，因此要對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行去粗取精，去偽存真的綜合整理。從而得到對(duì)某一土層的代表性指標(biāo)，選取工程上應(yīng)用的計(jì)算指標(biāo)。二、方法和步驟1．為使實(shí)驗(yàn)資料可靠和適用，應(yīng)進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)分析和整理。整理時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)資料中明顯不和理的數(shù)據(jù)，應(yīng)通過研究，分析原因（試樣是否具有代表性、試驗(yàn)過程中是否出現(xiàn)異常情況等）或在有條件時(shí)，進(jìn)行一定的補(bǔ)充試驗(yàn)后，可決定對(duì)可疑數(shù)據(jù)取舍或改正。2．舍棄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)誤差分析或概率的概念，按三倍標(biāo)準(zhǔn)差（即±3s）作為舍棄標(biāo)準(zhǔn)，即在資料分析中應(yīng)該舍棄那些在±3s以外的測(cè)定值，然后重新計(jì)算整理。3．土工實(shí)驗(yàn)測(cè)得的土性指標(biāo)，可按其在工程設(shè)計(jì)中的實(shí)際作用分為一般特性指標(biāo)和計(jì)算指標(biāo)。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(jī)質(zhì)、水溶鹽等，系指作為對(duì)土分類定名和闡明其物理化學(xué)特性的土性指標(biāo)；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(shè)計(jì)計(jì)算中直接用于確定土體的強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性等力學(xué)性的土性指標(biāo)。4．對(duì)一般性指標(biāo)的成果整理，通?？刹捎枚啻螠y(cè)定值的算數(shù)平均值，并計(jì)算出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，以反映實(shí)際測(cè)定值對(duì)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。（1）算數(shù)平均值按下式計(jì)算式中：（2）標(biāo)準(zhǔn)差按下式計(jì)算（3）變異系數(shù)按下式計(jì)算，并按下表評(píng)價(jià)變異性。5．對(duì)主要計(jì)算指標(biāo)的成果整理，如果測(cè)定的組數(shù)較多，此時(shí)指標(biāo)的最佳值接近于諸測(cè)值的算數(shù)平均值，仍可按一般特性指標(biāo)的方法強(qiáng)度其設(shè)計(jì)計(jì)算值，即采用算數(shù)平均值。但通常由于試驗(yàn)的數(shù)據(jù)較少，考慮到測(cè)定誤差、土體本身的不均勻性和施工質(zhì)量的影響等，為安全考慮，對(duì)初步設(shè)計(jì)和次要建筑物宜采用標(biāo)準(zhǔn)差平均值，即對(duì)算數(shù)平均值加（或減）一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的絕對(duì)值（±s）。6．對(duì)不同應(yīng)力條件下測(cè)得的某種指標(biāo)（如抗剪強(qiáng)度）應(yīng)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(shí)的計(jì)算指標(biāo)。這種綜合性的土性指標(biāo)，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(yīng)力條件下測(cè)得的指標(biāo)值（如抗剪強(qiáng)度）然后以不同的應(yīng)力為橫坐標(biāo)，指標(biāo)平均值為縱坐標(biāo)作圖，并求得關(guān)系曲線，確定其參數(shù)（如土的粘聚力和角摩擦系數(shù)tg）（2）最小二乘方分析法：根據(jù)各測(cè)定值同關(guān)系曲線的偏差的平方和為最小的原理求取參數(shù)值。（3）當(dāng)設(shè)計(jì)計(jì)算幾個(gè)土體單元土性參數(shù)的綜合值時(shí)，可按土體單元在設(shè)計(jì)計(jì)算中的實(shí)際影響，采用加權(quán)平均值.7．實(shí)驗(yàn)報(bào)告的編寫應(yīng)符合下列要求：（1