三軸剪切試驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)十 三軸剪切試驗(yàn)一、概述三軸剪切試驗(yàn)是測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度的主要方法之一。它通常用34個(gè)圓柱形試樣分別在不同的圍壓下施加軸向壓力對(duì)試樣進(jìn)行剪切，直至破壞，然后根據(jù)摩爾庫(kù)倫理論，求得土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)f和c。根據(jù)排水條件的不同，三軸剪切試驗(yàn)可分為不固結(jié)不排水剪(UU)、固結(jié)不排水剪(CU)和固結(jié)排水剪(CD)三種試驗(yàn)方法。不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)，在施加周圍壓力s3和軸向偏應(yīng)力（s1-s3），直至試樣剪壞的整個(gè)過程中，均不允許試樣排水固結(jié)，即不讓孔隙水壓力消散。固結(jié)不排水剪試驗(yàn)，在施加周圍壓力時(shí)，允許試樣充分排水固結(jié)；在施加偏應(yīng)力時(shí)，不允許排水至試樣剪壞。固結(jié)排水剪試驗(yàn)，在施加周圍壓力和軸向偏應(yīng)力，直至

2、試樣剪壞的整個(gè)過程中，使試樣充分排水固結(jié)。這里只介紹飽和試樣的固結(jié)不排水剪試驗(yàn)。二、試驗(yàn)原理三軸試驗(yàn)采用圓柱形試樣，對(duì)試樣在空間三個(gè)坐標(biāo)方向上施加壓力。試驗(yàn)時(shí)先通過壓力室有壓液體，使試樣在三個(gè)軸向受到相同的周圍壓力s3，并維持整個(gè)試驗(yàn)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(qiáng)度包線若由活塞桿所加的試樣破壞時(shí)的壓力強(qiáng)度為qs1-s3，小主應(yīng)力是周圍壓力s3。由一個(gè)試樣所得的s1和s3，可以繪制一個(gè)極限應(yīng)力圓。若干個(gè)試樣，可得在不同周圍壓力作用下，試樣剪壞時(shí)的最大主應(yīng)力，從而可繪制若干個(gè)極限應(yīng)力圓，作這些應(yīng)力圓的公切線，便是土的抗剪強(qiáng)度包線，由此包線

3、可求得強(qiáng)度指標(biāo)c和f，附圖10.1所示。三、儀器設(shè)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(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種。2、應(yīng)變控制式三軸儀見附圖10.9所示。包括壓力室、軸向加壓設(shè)備、施加周圍壓力系統(tǒng)、體積變化和孔隙壓力量測(cè)系統(tǒng)等。3、附屬設(shè)備：擊實(shí)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(duì)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(shí)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(yīng)變控制式三軸剪切儀l.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(shè)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(yàn)步驟1、使用前三軸剪切

5、儀應(yīng)進(jìn)行檢查(1)周圍壓力的精度要求達(dá)到最大壓力的土1，測(cè)讀分值一般應(yīng)為5kPa，根據(jù)試樣強(qiáng)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(cè)系統(tǒng)的氣泡。其方法是將零位指示器中水銀移人貯槽內(nèi)，關(guān)閉量管閥，用調(diào)壓筒或三軸壓力室(三軸壓力室內(nèi)充滿無氣水)對(duì)孔隙壓力量測(cè)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?fù)幾次，直到氣泡完全沖出為止。必須注意，不要使貯槽內(nèi)水銀沖出指示器。排氣完畢后，從貯槽中移回水銀，關(guān)閉孔隙壓力閥和量管閥，用調(diào)壓筒施加壓力，檢查孔隙壓力量測(cè)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(cè)。(3)檢查排水管路是否通暢；活塞在軸套內(nèi)滑動(dòng)是否正常；連接處有無漏水現(xiàn)象。儀器檢查完畢，關(guān)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(yīng)作仔細(xì)檢查。其方法是在膜內(nèi)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(yīng)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(gè)別超徑顆粒存在。超徑顆粒的粒徑不應(yīng)超過試樣直徑的1/5。對(duì)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(cè)板，由上往下細(xì)心切削，邊切削邊轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，直到土樣被削成規(guī)定直徑為止。然后按試驗(yàn)要求的試樣高度，截取試樣，并削平上下兩端，見附圖10.7。對(duì)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(nèi)壁涂上一層薄的油或凡士林，將切土器的刀口對(duì)準(zhǔn)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(zhǔn)確到0.1g。試樣高度和直徑用卡尺量測(cè)，并按下式計(jì)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(cè)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(zhì)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(nèi)(附圖6.6)置于抽氣缸內(nèi)，蓋緊后進(jìn)行抽氣，當(dāng)真空度接近一個(gè)大氣壓后，對(duì)于粉質(zhì)土(壤土)再繼續(xù)抽半小時(shí)以上，粘質(zhì)土抽1小時(shí)以上，密實(shí)的粘質(zhì)土抽2小時(shí)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(nèi)的真空，讓試樣在抽氣缸內(nèi)靜置10小時(shí)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(nèi)。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(jìn)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(dāng)需要提高試樣的飽和度時(shí)，宜在水頭飽和前，從底部將二氧化碳?xì)怏w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(jìn)行水頭飽和。反壓力飽和：試樣要求完全飽和時(shí)，應(yīng)對(duì)試樣施加反壓力。反壓力系統(tǒng)和周圍壓力系統(tǒng)相同(對(duì)不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)可用同一套設(shè)備施加)，但應(yīng)用雙層體變管代替排水量管。試樣裝好后，調(diào)節(jié)孔隙水壓力等于大氣壓力，關(guān)閉孔隙水壓力閥、反壓力閥、體變管閥

10、、測(cè)記體變管讀數(shù)。開周圍壓力閥，先對(duì)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(cè)記讀數(shù)，關(guān)孔隙水壓力閥。反壓力應(yīng)分級(jí)施加，同時(shí)分級(jí)施加周圍壓力，以盡量減少對(duì)試樣的擾動(dòng)。周圍壓力和反壓力的每級(jí)增量宜為30kPa，開體變管閥和反壓力閥，同時(shí)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(cè)孔隙水壓力和體變管讀數(shù)，再施加下一級(jí)周圍壓力和反壓力。計(jì)算每級(jí)周圍壓力引起的孔隙水壓力增量，當(dāng)與之比Du/Ds30.98時(shí)，認(rèn)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(guān)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(jié)，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(nèi)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(duì)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(guān)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(guān)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(duì)準(zhǔn)試樣帽中心，并均勻地旋緊螺絲，再將量力環(huán)對(duì)準(zhǔn)活塞桿，打開壓力室上的排氣孔，向壓力室注水。當(dāng)壓力室快注滿水時(shí)，降低進(jìn)水速度；當(dāng)水從排氣孔溢出時(shí)，關(guān)閉排氣孔。然后使排水管的水面與試樣中心高度齊平，并測(cè)記水面讀數(shù)。調(diào)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(diào)壓筒調(diào)整零位指示器的水銀面至毛細(xì)管指示線，記下孔隙壓力表起始讀數(shù)，然后關(guān)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(shí)際荷重相適應(yīng)

13、，并盡可能使最大周圍壓力與土體的放大實(shí)際荷重大致相等。本試驗(yàn)按100、200、300、400kPa施加。旋轉(zhuǎn)手輪，當(dāng)量力環(huán)的量表微動(dòng)時(shí)，表示活塞已與試樣帽接觸，然后將量力環(huán)的量表微動(dòng)時(shí)，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(diào)整到零位。5、試樣固結(jié)加周圍壓力后用調(diào)壓筒調(diào)壓。將孔隙壓力表讀數(shù)調(diào)至接近該級(jí)周圍壓力大小，然后緩緩打開孔隙壓力閥，并同時(shí)旋轉(zhuǎn)調(diào)壓筒，使毛細(xì)管內(nèi)水銀面保持不變，測(cè)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(shí)開動(dòng)秒表，按0、0.25、1、4、9、時(shí)間測(cè)記固結(jié)排水管水面及孔隙壓力表讀數(shù)，以便了解試樣內(nèi)孔

14、隙水壓力的消散情況。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，固結(jié)排水管水面應(yīng)保持試樣的中心高度。另外指示器的水銀面也應(yīng)始終保持在零位。當(dāng)排水量不再有變化時(shí)，固結(jié)度至少達(dá)到95%，即可關(guān)排水閥，記下固結(jié)排水管和孔隙壓力表的讀數(shù)。然后轉(zhuǎn)動(dòng)細(xì)調(diào)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(jié)下沉量Dh，算出固結(jié)后試樣高度hc。然后將量力環(huán)量表、垂直變形量表都調(diào)至零。6、試樣剪切選擇剪切速率。粉質(zhì)土每分鐘應(yīng)變?yōu)?.10.5，一般粘質(zhì)土每分鐘應(yīng)變?yōu)?.10.05%。開動(dòng)馬達(dá)，合上離合器進(jìn)行剪切。試樣每產(chǎn)生垂直應(yīng)變0.30.4，測(cè)記量力環(huán)量表和垂直變形量表讀數(shù)各一次。垂直應(yīng)變達(dá)3以后，讀

15、數(shù)間隔可延長(zhǎng)為0.70.8測(cè)記一次：在剪切過程中應(yīng)使零位指示器的水銀面始終保持于原來的位置，當(dāng)出現(xiàn)峰值后，再繼續(xù)剪35垂直應(yīng)變；若量力環(huán)的量表讀數(shù)無明顯減少，則垂直應(yīng)變進(jìn)行到1520停止剪切。試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉馬達(dá)，關(guān)上周圍壓力閥，拔開離合器，倒轉(zhuǎn)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(cè)定試驗(yàn)后的含水量。其余試樣，取不同周圍壓力，重復(fù)上述步驟進(jìn)行。五、計(jì)算與記錄1、計(jì)算試樣固結(jié)后的高度按下式計(jì)算：附10.2式中 hc試樣固結(jié)后的高度，cm； h0試樣固結(jié)前的高度，cm； DV試樣固結(jié)前后的體積變化(實(shí)測(cè)或由試驗(yàn)

16、前后試樣質(zhì)量差換算)，cm3； V0試樣固結(jié)前的體積，cm3。試樣固結(jié)后的面積按下式計(jì)算：附10.3式中 Ac試樣固結(jié)后的面積，cm2； A0試樣固結(jié)前的面積，cm2。剪切時(shí)試樣的校正面積按下式計(jì)算：附10.4式中 Aa試樣的校正面積，cm2； e1軸向應(yīng)變，e1=Dhi/hc。 Dhi試樣剪切時(shí)的高度變化，由軸向變形量表測(cè)得，cm。(2)主應(yīng)力差(s1-s3)的計(jì)算：附10.5式中 s1大主應(yīng)力，kPa； s3小主應(yīng)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(shí)的面積，cm2； 10單位換算系數(shù)。有效主應(yīng)力按下式計(jì)算：附10.6附10.7式中

17、 s1有效大主應(yīng)力，kPa； s3有效小主應(yīng)力，kPa； u孔隙水應(yīng)力，kPa。有效主應(yīng)力比按下式計(jì)算：附10.8孔隙水壓力系數(shù)按下式計(jì)算：按下式計(jì)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(chǎn)生的起始孔隙水壓力，kPa。按下式計(jì)算破壞時(shí)孔隙水壓力系數(shù)Af：附10.10式中 uf試樣破壞時(shí)，在主應(yīng)力差(s1-s3)下產(chǎn)生的孔隙壓力，kPa。2、制圖(1)繪制主應(yīng)力差(s1-s3)與軸向應(yīng)變e1的關(guān)系曲線，如附圖10.10。(2)繪制有效主應(yīng)力比s1/s3與軸向應(yīng)變e1的關(guān)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(guān)系曲線附圖1011 s1/s3e1的關(guān)系曲線(3)繪制固結(jié)不排水剪強(qiáng)度包線，如附圖10.12。以法向應(yīng)力s為橫坐標(biāo)，剪應(yīng)力t為縱坐標(biāo)，在橫坐標(biāo)軸上以(s1+s3)/2為圓心，以(s1-s3)/2為半徑繪制破損總應(yīng)力圓。在繪制不同周圍壓力的破損總應(yīng)力圓后，作破損總應(yīng)力圓的包線，即總應(yīng)力強(qiáng)度包線，該包線的傾角為土的內(nèi)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(jié)不排水剪強(qiáng)度包線在橫坐標(biāo)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(yīng)力圓和有效應(yīng)力圓的包線，包線的傾角為有效內(nèi)摩擦角f，與縱坐標(biāo)軸的截距為有效粘聚力c。3、記錄固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)記錄格式如下：土樣編號(hào) 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)者 計(jì)算者 試驗(yàn)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(zhì)量(g)密度(g/cm3)干密度(g/cm3)起始的固結(jié)后剪切后含水量記錄階段盒質(zhì)量(g)盒+濕土質(zhì)量(g)盒+干土質(zhì)量(g)水質(zhì)量(g)干土質(zhì)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(jié)排水記錄反壓力飽和固結(jié)排水時(shí)間(min)周圍壓