土的三軸剪切試驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)五 土的三軸剪切試驗(yàn)學(xué) 時(shí)：2學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：綜合型實(shí)驗(yàn)一、目的要求：土的三軸剪切試驗(yàn)是綜合性試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，能獲得在不同的排水條件下土的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系和強(qiáng)度參數(shù)。通過試驗(yàn)加深對土力學(xué)基本理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。掌握土的三軸剪切試驗(yàn)基本原理和試驗(yàn)方法，了解試驗(yàn)的儀器設(shè)備，熟悉試驗(yàn)的操作步驟，掌握三軸剪切試驗(yàn)成果的整理方法，根據(jù)試驗(yàn)成果繪制應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線，計(jì)算土的內(nèi)聚力和摩擦角。二、試驗(yàn)原理：一般認(rèn)為，土體的破壞條件用莫爾庫侖（Mohr-Coulomb）破壞準(zhǔn)則：土體在各向主應(yīng)力作用下，作用在某一應(yīng)力面上的剪應(yīng)力t與法向應(yīng)力s之比達(dá)到某一比值，土體將沿該面發(fā)生

2、剪切破壞。莫爾庫侖破壞準(zhǔn)則的表達(dá)式為：。大主應(yīng)力，小主應(yīng)力，土的粘聚力，土的內(nèi)摩擦角。三軸剪切試驗(yàn)就是根據(jù)莫爾庫侖破壞準(zhǔn)則測定土的強(qiáng)度參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角f。三、試驗(yàn)方法：根據(jù)加載類型的不同，三軸剪切試驗(yàn)又可分為三種試驗(yàn)方法：不固結(jié)不排水剪(UU)；固結(jié)不排水剪(CU)；固結(jié)排水剪(CU)。四、儀器設(shè)備：1應(yīng)變控制式三軸儀(圖5. 11)：由壓力室、軸向加壓設(shè)備、周圍壓力系統(tǒng)、反壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力量測系統(tǒng)、軸向變形和體積變化量測系統(tǒng)組成。2附屬設(shè)備：包括擊樣器、飽和器、切土器、原狀土分樣器、切土盤、承膜筒和對開圓膜，應(yīng)符合下圖要求：1)擊樣器(圖5. 12)，飽和器(圖5. 13)。2)切

3、土盤、切土器和原狀土分樣器(圖5. 14)。3)承膜筒及對開圓模(圖5. 15及圖5. 16)。3天平：稱量200g，最小分度值0. 0lg；稱量1000g，最小分度值0. 1g。4橡皮膜：應(yīng)具有彈性的乳膠膜，對直徑39. 1和61. 8mm的試樣；厚度以0. 10. 2mm為宜，對直徑101mm的試樣，厚度以0. 20. 3為宜。圖5.11 應(yīng)變控制式三軸儀圖5.12 擊樣器 圖5.13 飽和器1套環(huán)；2定位螺絲；3導(dǎo)桿；4擊錘； 1圓模(3片)；2緊箍5底板；6套筒；7擊樣筒；8底座 3夾板；4拉桿；5透水板圖5.14 原裝土和土盤分樣器圖5.15 承膜筒 圖5.16 對開圓模全自動(dòng)三軸儀

4、TSZ10-1.0應(yīng)變控制式三軸儀 土樣飽和器 QI-1型切土機(jī)五、試驗(yàn)步驟：（一）不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)步驟1 試樣的安裝步驟：I 在壓力室的底座上，依次放上不透水板、試樣及不透水試樣帽，將橡皮膜用承膜筒套在試樣外，并用橡皮圈將橡皮膜兩端與底座及試樣帽分別扎緊。 將壓力室罩頂部活塞提高，放下壓力室罩，將活塞對準(zhǔn)試樣中心，并均勻地?cái)Q緊底座連接螺母。向壓力室內(nèi)注滿純水，待壓力室頂部排氣孔有水溢出時(shí)，擰緊排氣孔，并將活塞對準(zhǔn)測力計(jì)和試樣頂部。 將離合器調(diào)至粗位，轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪；當(dāng)試樣帽與活塞及測力計(jì)接近時(shí)，將離合器調(diào)至細(xì)位，改用細(xì)調(diào)手輪，使試樣帽與活塞及測力計(jì)接觸，裝上變形指示計(jì)，將測力計(jì)和變形指示計(jì)調(diào)

5、至零位。 關(guān)排水閥，開周圍壓力閥，施加周圍壓力。2 剪切試樣應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：I剪切應(yīng)變速率宜為每分鐘應(yīng)變0. 51. 0。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，合上離合器，開始剪切。試樣每產(chǎn)生0. 30. 4的軸向應(yīng)變(或0. 2mm變形值)，測記一次測力計(jì)讀數(shù)和軸向變形值。當(dāng)軸向應(yīng)變大于3時(shí)，試樣每產(chǎn)生0. 0. 8的軸向應(yīng)變(或0.5mm變形值)，測記一次。當(dāng)測力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值時(shí)，剪切應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行到軸向應(yīng)變?yōu)?520。試驗(yàn)結(jié)束，關(guān)電動(dòng)機(jī)，關(guān)周圍壓力閥，脫開離合器，將離合器調(diào)至粗位，轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪，將壓力室降下，打開排氣孔，排除壓力室內(nèi)的水，拆卸壓力室罩，拆除試樣，描述試樣破壞形狀，稱試樣質(zhì)量，并測定含水率。3 軸向應(yīng)

6、變應(yīng)按下式計(jì)算：。式中，軸向應(yīng)變()；剪切過程中試樣的高度變化(mm)；試樣初始高度(mm)。4 試樣面積的校正應(yīng)按下式計(jì)算：。式中，試樣的校正斷面積()；試樣的初始斷面積()。5 主應(yīng)力差應(yīng)按下式計(jì)算：。式中，主應(yīng)力差(kPa)；大總主應(yīng)力(kPa)；小總主應(yīng)力(kPa)；C測力計(jì)率定系數(shù)(N0. 01mm或NmV)；R 測力計(jì)讀數(shù)(0. 01mm)；10單位換算系數(shù)。圖 5.2 主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線 圖 5.3 不固結(jié)不排水剪強(qiáng)度包線6 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5. 2)。取曲線上主應(yīng)力差的峰值作為破壞點(diǎn)，無峰值時(shí)，取15軸向應(yīng)變時(shí)的主

7、應(yīng)力差值作為破壞點(diǎn)。7 以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，怯向應(yīng)力為橫坐標(biāo)，在橫坐標(biāo)軸以破壞時(shí)的為圓心，以為半徑，在應(yīng)力平面上繪制破損應(yīng)力圓，并繪制不同周圍壓力下破損應(yīng)力圓的包線，求出不排水強(qiáng)度參數(shù)(圖5. 3)。（二） 固結(jié)不排水剪試驗(yàn)步驟1 試樣的安裝步驟： 開孔隙水壓力閥和量管閥，對孔隙水壓力系統(tǒng)及壓力室底座充水排氣后，關(guān)孔隙水壓力閥和量管閥。壓力室底座上依次放上透水板、濕濾紙、試樣、濕濾紙、透水板，試樣周圍貼浸水的濾紙條79條。將橡皮膜用承膜筒套在試樣外，并用橡皮圈將橡皮膜下端與底座扎緊。打開孔隙水壓力閥和量管閥，使水緩慢地從試樣底部流入，排除試樣與橡皮膜之間的氣泡，關(guān)閉孔隙水壓力閥和量管閥。打開排水

8、閥，使試樣帽中充水，放在透水板上，用橡皮圈將橡皮膜土端與試樣帽扎緊，降低排水管，使管內(nèi)水面位于試樣中心以下2040cm，吸除試樣與橡皮膜之間的余水，關(guān)排水閥。需要測定土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系時(shí)，應(yīng)在試樣與透水板之間放置中間夾有硅脂的兩層圓形橡皮膜，膜中間應(yīng)留有直徑為lcm的圓孔排水。 壓力室罩安裝、充水及測力計(jì)調(diào)整應(yīng)按不固結(jié)不排水的步驟進(jìn)行。2 試樣排水固結(jié)應(yīng)按下列步驟進(jìn)行： 調(diào)節(jié)排水管使管內(nèi)水面與試樣高度的中心齊平，測記排水管水面讀數(shù)。 開孔隙水壓力閥，使孔隙水壓力等于大氣壓力，關(guān)孔隙水壓力閥，記下初始讀數(shù)。 將孔隙水壓力調(diào)至接近周圍壓力值，施加周圍壓力后，再打開孔隙水壓力閥，待孔隙水壓力穩(wěn)定測定孔

9、隙水壓力。 打開排水閥。固結(jié)完成后，關(guān)排水閥，測記孔隙水壓力和排水管水面讀數(shù)。 微調(diào)壓力機(jī)升降臺，使活塞與試樣接觸，此時(shí)軸向變形指示計(jì)的變化值為試樣固結(jié)時(shí)的高度變化。3 剪切試樣應(yīng)按下列步驟進(jìn)行： 剪切應(yīng)變速率粘土宜為每分鐘應(yīng)變0. 050. 1；粉土為每分鐘應(yīng)變0. 10. 5。 將測力計(jì)、軸向變形指示計(jì)及孔隙水壓力讀數(shù)均調(diào)整至零。 啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，合上離合器，開始剪切。測力計(jì)、軸向變形、孔隙水壓力應(yīng)按不固結(jié)不排水中的步驟進(jìn)行測記。 試驗(yàn)結(jié)束，關(guān)電動(dòng)機(jī)，關(guān)各閥門，脫開離合器+將離合器調(diào)至粗位，轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪，將壓力室降下，打開排氣孔，排除壓力室內(nèi)的水，拆卸壓力室罩，拆除試樣，描述試樣破壞形狀，稱試

10、樣質(zhì)量，并測定試樣含水率。4 試樣固結(jié)后的高度，應(yīng)按下式計(jì)算：。式中，試樣固結(jié)后的高度(cm)；試樣固結(jié)后與固結(jié)前的體積變化()。5 試樣固結(jié)后的面積，應(yīng)按下式計(jì)算：。式中，試樣固結(jié)后的斷面積()。6 試樣面積的校正，應(yīng)按下式計(jì)算：。式中，。7 主應(yīng)力差按不固結(jié)不排水試驗(yàn)中給出的公式計(jì)算。8 有效主應(yīng)力比應(yīng)按下式計(jì)算： 有效大主應(yīng)力：。式中，有效大主應(yīng)力(kPa)；孔隙水壓力(kPa)。 有效小主應(yīng)力：。式中，有效大主應(yīng)力(kPa)。 有效主應(yīng)力比：。9 孔隙水壓力系數(shù)，應(yīng)按下式計(jì)算： 初始孔隙水壓力系數(shù)：。式中，B初始孔隙水壓力系數(shù)；施加周圍壓力產(chǎn)生的孔隙水壓力(kPa)。 破壞時(shí)孔隙水壓力

11、系數(shù)：。式中，破壞時(shí)的孔隙水壓力系數(shù)；試樣破壞時(shí)，主應(yīng)力差產(chǎn)生的孔隙水壓力(kPa)。10 主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線，應(yīng)按不固結(jié)不排水中的規(guī)定繪制11 以有效應(yīng)力比為縱坐標(biāo)，軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，繪制有效應(yīng)力比與軸向應(yīng)變曲線(圖5. 4)。12 以孔隙水壓力為縱坐標(biāo)，軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，繪制孔隙水壓力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(圖5. 5)。13 以為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)，繪制有效應(yīng)力路徑曲線(圖5. 6)。并計(jì)算有效內(nèi)摩擦角和有效粘聚力。圖5.4 有效應(yīng)力比與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線 圖5.5 孔隙水壓力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線圖5.6 應(yīng)力路徑曲線 有效內(nèi)摩擦角：。式中，有效內(nèi)摩擦角()；應(yīng)力路徑圖上破壞點(diǎn)連線的傾角(

12、)。 有效粘聚力：。式中，有效粘聚力(kPa)；d 應(yīng)力路徑上破壞點(diǎn)連線在縱軸上的截I(kPa)。14以主應(yīng)力差或有效主應(yīng)力比的峰值作為破壞點(diǎn)，無峰值時(shí)，以有效應(yīng)力路徑的密集點(diǎn)或軸向應(yīng)變15時(shí)的主應(yīng)力差值為破壞點(diǎn)，按固結(jié)不排水中的規(guī)定繪制破損應(yīng)力圓及不同圍壓力下的破損應(yīng)力圓包線，并求出總應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)；有效內(nèi)摩擦角和有效粘聚力，應(yīng)以為圓心，為半徑繪制有效破損應(yīng)力圓確定(圖 5. 7)。圖5.7 固結(jié)不排水剪強(qiáng)度包線（三）固結(jié)排水剪試驗(yàn)步驟1 試樣的安裝、固結(jié)、剪切應(yīng)按固結(jié)不排水中的步驟進(jìn)行。但在剪切過程中應(yīng)打開排水閥。剪切速率采用每分鐘應(yīng)變0. 0030. 012。2 試樣固結(jié)后的高度、面積，應(yīng)按固結(jié)不排水給出的公式進(jìn)行計(jì)算。3 剪切時(shí)試樣面積的校正，應(yīng)按下式計(jì)算：。式中，剪切過程中試樣的體積變化(cm3)；剪切過程中試樣的高度變化(cm)。