試驗四、三軸壓縮試驗

1、試驗四、三軸壓縮試驗（一）概述三軸壓縮試驗是測定土的抗剪強度的一種方法。它通常用34個圓柱形試樣分別在不同的恒定圍壓（即小主應力）下施加軸向壓力（即主應力差），對試樣進行剪切，直至破壞，然后根據(jù)摩爾庫倫理論，求得土的總抗剪強度指標和c以及有效抗剪強度指標和。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（UU）在施加周圍壓力和軸向偏應力直至試樣剪壞的整個過程中，均不允許試樣排水固結，所得強度指標為總強度指標和。固結不排水剪（CU）試驗中，試樣先在周圍壓力作用下排水固結，然后在試樣不允許排水的條件下，施加偏應力至

2、試樣剪壞。固結不排水可得到總強度指標和，如試驗時量測孔隙水壓力也可得到有效強度指標和。固結排水剪（CD）試驗時，試樣先在周圍壓力下排水固結，然后在允許試樣排水的條件下，施加偏應力，至試樣剪破壞。該試驗由于在整個試驗過程中允許試樣排水固結，孔隙水壓力始終保持為零，總應力等于有效應力，故此時的總強度指標即為有效應力強度指標和。本次試驗只做飽和試樣的固結不排水剪。（二）試驗原理三軸試驗采用圓柱形試樣，可以對試樣的空間三個坐標方向上施加壓力。試驗時先通過壓力室內的有壓液體，使試樣在三個軸向受到相同的周圍壓力（其大小由壓力計測定），并維持整個試驗過程不變。然后通過活塞向試樣施加垂直軸向壓力，直到試樣剪壞

3、。若由活塞桿所施加的試樣破壞時的壓力強度為（偏應力），小主應力是周圍壓力，中主應力和相等。則由一個試樣所得的和，可以繪制一個極限應力圓。對同一種土，另取幾個試樣，改變圍壓，試樣剪壞時所加的軸壓力也會改變，從而又可繪制另幾個極限應力圓。這樣，在不同周圍壓力下試驗，就可得到一組（最少三個試樣）極限應力圓。作這些應力圓的公切線，即是土的抗剪強度包線，由此包線可求得抗剪強度指標和c。（三）儀器設備（1）常用的三軸儀，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圖41所示。包括壓力室、試驗機、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

4、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。圖41 應變控制式三軸剪切儀1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；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變速箱圖42 切土盤（四）試驗步驟1設備檢查（1）周圍壓力的精度要求達到最大壓力的±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。關閉量管閥，用三軸壓力室（三軸壓力

5、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，使管路中氣泡從量管排出，反復幾次，直到氣泡完全排出為止。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)，應小于1.5×10-5cm3/kPa。（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、漏氣現(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。圖43 切土器和切土架試樣尺寸應符合表4-1下

6、列要求：超徑顆粒的粒徑不應超過試樣直徑的1/5。表4-1試樣直徑(mm)允許顆粒最大粒徑(mm)2510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，見圖42。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

7、開切土器，將試樣取出，按要求的高度將兩端削平，見圖43。將切削好的試樣稱重，準確到。試樣高度和直徑量測，并按下式計算試樣的平均直徑： （41）圖44 飽和器1土樣筒；2緊箍；3夾板；4拉桿；5透水石式中：D1、D2、D3分別為試樣上、中、下部分的直徑。取切下的余土，平行測定含水率，取其平均值作為試樣的含水率（同一組原狀試樣，含水率差值不宜大于2%）。3試樣飽和根據(jù)試樣的性質有抽氣飽和、水頭飽和、施加反壓力飽和等幾種飽和方法。這里僅介紹抽氣飽和法。抽氣飽和。將試樣裝入飽和器內（圖44）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

8、，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（試樣飽和由實驗室完成）。4.試樣的固結與剪切根據(jù)排水條件的不同，三軸試驗分為不固結不排水剪（UU），固結不排水剪（CU或）和固結排水剪（CD）三種類型。本次只做不固結不排水剪。一）不固結不排水剪（UU）1.試樣安裝（1）將試樣放在儀器底座的不透水水圓板上，在試樣的頂部放置不透水試樣帽。（2）將橡皮膜套在承膜筒內，兩端翻出膜外（見圖7-5）從吸嘴吸氣，使膜貼緊承膜筒內壁，然后套在試樣外，放氣，翻起橡皮膜取出承膜筒。用橡皮圈將橡

9、皮膜分別扎緊在儀器底座和試樣帽上。（3）裝上壓力室外罩。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，并均勻地旋緊螺絲，再將量力環(huán)對準活塞。（4）開排氣孔，向壓力室充水，當壓力室快注滿水時，降低進水速度，水從排氣孔溢出時，關閉排氣孔。（5）開周圍壓力閥，施加所需的周圍壓力。周圍壓力應與工程的實際荷重相適應，并盡可能使最大周圍壓力與土體的最大實際荷重大致相等。（6）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)的量表和變形量表的指針調整到零位。2.試樣剪切剪切應變速度一般取每分鐘0.51.0%（可據(jù)土的不同性質而異）。開動馬達，接上離合器，進行剪切。開始階段，試

10、樣每產(chǎn)生垂直應變0.30.4%測記量力環(huán)量表讀數(shù)和垂直變形量表讀數(shù)各一次。當垂直應變達3%以后，讀數(shù)間隔可延長為0.70.8%各測記一次。當接近峰值時應加密讀數(shù)，如果試樣特別硬脆或軟弱，可酌情加密或減少測讀的次數(shù)。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，則當垂直應變進行到1520%時，停止剪切。試驗結束后關閉馬達，關周圍壓力閥，撥開離合器，倒轉手輪，然后打開排氣孔，排去壓力室內的水，拆除壓力室外罩，擦干試樣周圍的余水，脫去試樣外的橡皮膜，描述破壞后形狀，稱試樣質量，測定試驗后含水率。對其余試樣，只改變周圍壓力，按以上步驟進行試驗。二）固結不排水剪（CU）1.試樣安裝

11、（1）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，放置試樣，試樣上端亦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毫米左右的浸濕濾紙條，濾紙條兩端與透水石連接。（2）把已檢查過的橡皮膜套在承膜筒上，兩端翻出膜外，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，橡皮膜緊貼在試樣上，取出承膜筒，用橡皮圈將橡皮膜下端扎緊在儀器底座上。（3）用軟刷子或雙手自上而下輕輕按撫試樣，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，使水徐徐流入試樣與橡皮膜間，以排除夾氣，然后關閥）

12、。（4）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。（5）降低排水管，使其水面至試樣中心高程以下20-40cm，吸出試樣與橡皮膜之間多余水分，然后關閉排水閥。（6）裝上壓力室外罩，將活塞提高到最高位置，以免和試樣碰撞，然后將活塞對準試樣帽中心，并均勻地旋緊螺絲，再將量力環(huán)對準活塞。打開壓力室上的排氣孔，向壓力室充水。（當壓力室快充滿水時，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)）。（7）調整孔隙壓力起始讀數(shù)，使排水管水面位于試樣中心高度處開量管閥，記下孔隙壓力表起始讀

13、數(shù)，然后關量管閥。（8）開周圍壓力閥，施加所需的周圍壓力。周圍壓力大小與工程的實際荷重相適應，并盡可能使最大周圍壓力與土體的實際荷重大致相等。（9）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)的量表和變形量表的指針調整到零位。2.排水固結（1）加周圍壓力后緩緩打開孔隙壓力閥，測記穩(wěn)定后的孔隙壓力讀數(shù)，減去孔隙壓力表起始讀數(shù)，即為周圍壓力下試樣的孔隙水壓力u。（2）打開排水閥的同時開動秒表，按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，固結排水管水面應始終保持在試樣的中心高度，當排水量不再有變化時固結度至少達95%，即可關

14、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的假接觸現(xiàn)象）記下軸向變形量讀數(shù)，即固結下沉量h，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。3.試樣剪切（1）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)?，高密度或高塑性土每分鐘應變<0.05%。（2）開動馬達，合上離合器進行剪切。每產(chǎn)生垂直應變%，測記量力環(huán)量表讀數(shù)一次，當垂直應變達3%以后，讀數(shù)間隔可延長為0.70.8%測記一次。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

15、結束后，關閉馬達，關上周圍壓力閥，撥開離合器，倒轉手輪，然后打開排氣孔，排去壓力室內的水，拆除壓力室外罩，擦干試樣周圍的余水，脫去試樣外的橡皮膜，描述破壞后的形狀，稱試樣質量，測定試驗后含水率。其余試樣，取不同周圍壓力按上述步驟進行。（五）計算與記錄1計算（1）試樣固結后的高度、面積、體積及剪切時的面積計算公式列于表42中。表42項 目起始固結后剪切時校正值按實測固結下沉量等應變簡化式試樣高度（cm）試樣面積（cm2） （不固結不排水） （固結不排水）（固結排水剪）試樣體積（cm3）表中 hc固結下沉量，由軸向變形量表測得，cm； V固結排水量（實測或由試驗前后試樣質量差換算），cm3； 軸向

16、應變，%，； hi試樣剪切時的高度變化，由軸向變形量表測得（cm），為方便起見，可預先繪制Vhc及VAc的關系線備用。（2）主應力差（）的計算： （42）式中 大主應力，kPa； 小主應力，kPa； C量力環(huán)率定系數(shù)，N/； R量力環(huán)量表讀數(shù)，； Aa試樣剪切時的面積，cm2； 10單位換算系數(shù)。（3）有效主應力比的計算： （43） 式中 、大主應力與小主應力，kPa；、有效大主應力與有效小主應力，kPa； u孔隙水壓力，kPa。（4）孔隙壓力系數(shù)計算：1）按下式計算孔隙壓力系數(shù)B： （44）式中 u0試樣在周圍壓力下產(chǎn)生的起始孔隙壓力，kPa。2）按下式計算孔隙壓力系數(shù)A： （45）式中 u

17、f試樣破壞時，主應力差產(chǎn)生的孔隙水壓力，kPa。2制圖（1）繪制主應力差（）與軸向應變的關系曲線，如圖45。（2）繪制有效主應力比/與軸向應變的關系曲線，如圖46。 圖45 主應力差與軸向應變關系曲線 圖46 有效主應力比與軸向應變關系曲線（3）繪制固結不排剪強度包線，如圖47。圖47 固結不排水剪強度包線1）以法向應力為橫坐標，剪應力為縱坐標，在橫坐標軸上以為圓心，以 為半徑（f表示破壞時值）繪制破壞總應力圓。在繪制不同周圍壓力的破壞應力圓后作諸圓包線，即總應力強度線，該包線的傾角為，包線在縱軸的截距為c。2）將破壞時主應力減去破壞時的孔隙水壓力，得試樣破壞時的有效主應力，在橫坐標軸上以為圓心，以為半徑，繪不同周圍壓力下有效應力圓的包線，包線的傾角為有效內摩擦角，包線與縱坐標軸的截距為。3記錄本試驗記錄格式如下：固結不排水剪三軸試驗記錄班組 姓名 試驗日期 （1）含水率試 驗 前試 驗 后盒 號濕土質量（g）干土質量（g）含水率（%）平均含水率（%）（2）密度試樣高度（cm）試樣體積（cm3）試樣質量（g）密度（g/cm3）試樣草圖試