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試樣進(jìn)行剪切，直至破壞，然后根據(jù)摩爾一一庫倫理論，求得土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo) W 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03和軸向偏應(yīng)力（5-C3），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)

2、 力，直至試樣剪壞的整個(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03,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。若由活塞桿所加的試樣破壞時(shí)的壓力強(qiáng)度為q= F-bs，小主應(yīng)力是周圍壓力 03。由一個(gè)試樣所得的01和03,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 此包線可求得

3、強(qiáng)度指標(biāo)C和電附圖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。丫* = B- 1- I1附圖10.2原狀土分樣器1.鋼絲架；2 一滑桿；3 一底座附圖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7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；

4、6上帽1.環(huán)；2.位螺絲；3桿;4.擊錘；5.底板2甲附圖10.7切土盤1.軸 2.上盤 3.下盤2I附圖10.6飽和器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I.調(diào)壓筒；2.周圍壓力表；3周圍壓力閥；加壓設(shè)備；1I.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）排除孔隙壓力量測系統(tǒng)的氣

5、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?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，檢查孔隙壓力量測系統(tǒng) 的體積因數(shù)，要求該體積因數(shù)小于1.5x10-5cm3/kPa?？紫秹毫σ部捎脗鞲衅髁繙y。儀器（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。 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

6、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。對于較軟的土樣，先用鋼絲鋸或削土刀切取一稍大于規(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

7、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(nèi)壁涂上一層 薄的油或凡士林，將切土器的刀口對準(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，并按下式計(jì)算試樣的平均直徑：Do Di +2D2 +D3附 10.14下部位的直徑。式中：Di、D2、D3分別為試樣上、中、取切下的余土，平行測定含水量，取其平均值

8、作為試樣的含水量 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：將試樣安裝于壓力室內(nèi)。試樣周圍不貼濾紙條，施加（同一組原狀試樣,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

9、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 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(jìn)行水頭飽和。反壓力飽和：試樣要求完全飽和時(shí)，應(yīng)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(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、 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

10、變化穩(wěn)定，測記讀數(shù)，關(guān)孔隙水壓力閥。反壓力應(yīng)分級施加，同時(shí)分級施加 周圍壓力，以盡量減少對試樣的擾動(dòng)。周圍壓力和反壓力的每級增量宜為30k Pa,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(jì)算每級周圍壓力引起的孔隙水壓力增量，當(dāng)與之比也u/Ag30.98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，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

11、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。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

12、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，然后將活塞桿對準(zhǔn) 試樣帽中心，并均勻地旋緊螺絲，再將量力環(huán)對準(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03。周圍壓力大小與工程的實(shí)際荷重相適應(yīng)，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10

13、0、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

14、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)下沉量心h,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。0.10.5 %，般粘質(zhì)土每分鐘應(yīng)變?yōu)?、試樣剪切選擇剪切速率。粉質(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，讀數(shù)間隔可延長為 0.70.8%測記一次：

15、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：也V O10.2、3），cm ；hc =h0（1-L）3cm;cm;式中 hc試樣固結(jié)后的高度， h0試樣固結(jié)前的高度，AV 試樣固結(jié)前后

16、的體積變化（實(shí)測或由試驗(yàn)前后試樣質(zhì)量差換算 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：Ac訕1-犁）210.3Vo式中 Ac試樣固結(jié)后的面積，cm2;2A0試樣固結(jié)前的面積，cm。 剪切時(shí)試樣的校正面積按下式計(jì)算：Aa10.41-1式中 Aa 試樣的校正面積，cm2;e,軸向應(yīng)變， gAhi/hc。Ahi 試樣剪切時(shí)的高度變化，由軸向變形量表測得,（2）主應(yīng)力差（G1-C3）的計(jì)算：cm。10.5式中硏 大主應(yīng)力， kPa;C3 小主應(yīng)力， kPa;C 量力環(huán)率定系數(shù)，R量力環(huán)量表讀數(shù)，Aa試樣剪切時(shí)的面積, 10單位換算系數(shù)。有效主應(yīng)力按下式計(jì)算：N/ 0.01mm;0.01

17、mm; cm2;附 10.6附 10.7式中&1有效大主應(yīng)力，kPa;C3 有效小主應(yīng)力，kPa;U 孔隙水應(yīng)力，kP a。 有效主應(yīng)力比按下式計(jì)算：O 1 O 3附 10.8式中式中孔隙水壓力系數(shù)按下式計(jì)算： 按下式計(jì)算初始孔隙水壓力系數(shù)B:b4U0試樣在周圍壓力下產(chǎn)生的起始孔隙水壓力, 按下式計(jì)算破壞時(shí)孔隙水壓力系數(shù)Af:附 10.9kPa。UfB-b3)Uf試樣破壞時(shí)，在主應(yīng)力差(印-兩)下產(chǎn)生的孔隙壓力，2、制圖附 10.10kPa。Si的關(guān)系曲線，如附圖10.11。C3 = 10)kPa/1 5/033.02.01.0附圖10-11101520 和d-1/d3a的關(guān)系曲線05(1)繪

18、制主應(yīng)力差(升呵與軸向應(yīng)變&1的關(guān)系曲線，如附圖 10.10。 繪制有效主應(yīng)力比 計(jì)1/計(jì)3與軸向應(yīng)變(b1 + G3)/2為圓心，以10.12。(3)繪制固結(jié)不排水剪強(qiáng)度包線，如附圖 以法向應(yīng)力O為橫坐標(biāo)，剪應(yīng)力T為縱坐標(biāo)，在橫坐標(biāo)軸上以(5-/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Co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 電與縱軸的截距為粘聚在橫坐標(biāo)軸上以 (於1+計(jì)3)/2為圓心，以 (述1-述3)/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 牢，與縱坐標(biāo)軸的截距為有效 粘聚力C *03、記錄固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)記錄格式如下：階段直徑(cm)咼度(cm)面積(cm2)體積(cm3)質(zhì)量(g)密度(g/cm 3)干密度(g/cm 3)起始的固結(jié)后剪切后試樣狀態(tài)記錄含水量記錄試驗(yàn)者校核者土樣編號 試驗(yàn)方法 計(jì)算者試驗(yàn)日期階段盒質(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)排水記錄時(shí)間(min)周圍 壓力(kPa)反壓力(kPa)孔隙 壓力(kP a)孔隙壓 力增量(kP a)試樣體積