巖土三軸壓縮試驗(yàn)

1、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：綜合性實(shí)驗(yàn)）一、概述并指出在破壞面上的剪應(yīng)力.1910年摩爾（Mohr）提出材料的破壞是剪切破壞,是為該面上法向應(yīng)力。的函數(shù)，即f=f（二）圖4-1摩爾包線這個函數(shù)在用-仃坐標(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，滑動面上法向應(yīng)力仃與剪應(yīng)力Tf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，該直線方程就是庫侖定律所表示的方程（t=c+olg中）。由庫侖公式表示摩爾包線的土體強(qiáng)度理論可稱為摩爾-庫侖強(qiáng)度理論。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，就發(fā)生剪切破壞，該點(diǎn)也即處于極限平

2、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)力分別為巴和仃3,則在土體內(nèi)與大主應(yīng)力。作用面成任意角色的平面a-a上的正應(yīng)力。和剪應(yīng)力t，可用弋-仃坐標(biāo)系中直徑為（仃1-仃3）的摩爾應(yīng)力圓上的一點(diǎn)（逆時針旋轉(zhuǎn)2a，如圖4-2中之A點(diǎn)）的坐標(biāo)大小來表示，即1cr=21二1二3）-（）-二3）cos2）21=_（-：3）sin2二2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：整個摩爾應(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，因此不會發(fā)生剪切破壞；摩爾壓力圓與抗剪強(qiáng)度包線相割（圓出），表明該點(diǎn)某些

3、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；摩爾應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度包線相切（圓n）,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n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。3下，逐漸增大軸向壓力仃1,直至試樣破壞，據(jù)此可作出一個極限應(yīng)力圓。用同一種土樣的34個試件分別在不同的周圍壓力仃3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H和圓山。作

4、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）試樣承受仃3作用；b）破壞時土樣應(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

5、義。二、實(shí)驗(yàn)方法根據(jù)土樣固結(jié)排水條件和剪切時的排水條件，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。1 .不固結(jié)不排水剪實(shí)驗(yàn)(UU試樣在施加周圍應(yīng)力和隨后施加偏應(yīng)力直至破壞的整個試驗(yàn)過程中都不允許排水，這樣從開始加壓直至試樣剪壞，土中的含水量始終保持不變，孔隙水壓力也不可能消散，可以測得總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)cu,汽。2 .固結(jié)不排水剪實(shí)驗(yàn)(CU試樣在施加周圍壓力時，允許試樣充分排水，待固結(jié)穩(wěn)定后，再在不排水的條件下施加軸向壓力，直至試樣剪切破壞，同時在受剪過程中，測得土體的孔隙水壓力，可以測得總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度強(qiáng)度指標(biāo)ccu,邛cu和有

6、效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c'，邛。3 .固結(jié)排水剪實(shí)驗(yàn)(CD試樣先在周圍壓力下排水固結(jié)，然后允許試樣在充分排水的條件下增加軸向壓力直至破壞，同時在試驗(yàn)過程中測讀排水量以計(jì)算試樣的體積變化，可以測得有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)cd,邛d。4 .Ko固結(jié)三軸實(shí)驗(yàn)常規(guī)三軸試驗(yàn)是在等向固結(jié)壓力(CT1=仃2=仃3)條件下排水固結(jié)，而Ko固結(jié)三軸試驗(yàn)是按。3=仃2=公仃1施加周圍壓力，使試樣在不等向壓力下固結(jié)排水，然后再進(jìn)行不排水剪或排水剪試驗(yàn)。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1 .三軸儀三軸儀根據(jù)施加軸向荷載方式的不同，可以分為應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種，目前室內(nèi)三軸試驗(yàn)基本上采用的是應(yīng)變控制式三軸儀。應(yīng)變控制式三軸儀由以下幾

7、部分組成(如圖4-5):(1)三軸壓力室。壓力室是三軸儀的主要組成部分，它是由一個金屬上蓋、底座以及透明有機(jī)玻璃筒組成的密閉容器，壓力室底座通常有3個小孔分別與圍壓系統(tǒng)、體積變形以及孔隙水壓力量測系統(tǒng)相連。(2)軸向加荷系統(tǒng)。采用電動機(jī)帶動多級變速的齒輪箱，或者采用可控硅無級變速，并通過傳動系統(tǒng)使壓力室自下而上的移動，從而使試樣承受軸向壓力，其加荷速率可根據(jù)土樣性質(zhì)和試驗(yàn)方法確定。(3)軸向壓力測量系統(tǒng)。施加于試樣上的軸向壓力由測力計(jì)量測，測力計(jì)由線性和重復(fù)性較好的金屬彈性體組成，測力計(jì)的受壓變形由百分表或位移傳感器測讀。(4)周圍壓力穩(wěn)壓系統(tǒng)。采用調(diào)壓閥控制，調(diào)壓閥控制到某一固定壓力后，它將

8、壓力室的壓力進(jìn)行自動補(bǔ)償而達(dá)到穩(wěn)定的周圍壓力。(5)孔隙水壓力量測系統(tǒng)?？紫端畨毫τ煽讐簜鞲衅鳒y得。(6)軸向變形量測系統(tǒng)。軸向變形長距離百分表(030mm百分表)或位移傳感器測得。網(wǎng)悵王為圖4-4應(yīng)變控制式三軸儀1-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；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(dá)；20-變速箱(7)反壓力體變系統(tǒng)。由體變管和反壓力穩(wěn)壓控制系統(tǒng)組成，以模擬土體的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)或提高試件的飽和度以及量

9、測試件的體積變化。2.附屬設(shè)備(1)擊實(shí)筒和飽和器(2)切土盤、切土器、切土架和原狀土分樣器(3)承膜筒和砂樣制備模筒(4)天平、卡尺、乳膠膜等四、試樣的制備與飽和1 .試樣制備試樣應(yīng)切成圓柱性形狀，試樣直徑為39.1mm61.8mm、101mm相應(yīng)的試樣高度分別為80mm150mm200mm試樣高度與直徑的關(guān)系一般為22.5倍，試樣的允許最大粒徑與試樣直徑之間的關(guān)系見表4-1。表4-1試樣的允許最大粒徑與試樣直徑之間的關(guān)系見表試樣直徑D(mm)允許最大粒徑d(mm)39.1d<D/1061.8d<D/10101.0d<D/5對于較軟的土樣，用鋼絲鋸或切土刀在切土盤上制樣；對

10、于較硬的土，用切土刀和切土器在在切土架上制樣。稱取切削好試樣的質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.1g，試樣的高度和直徑用卡尺量測，并按下式計(jì)算平均直徑D12D2D3D二234式中DiD2D3分別為試樣上、中、下部位的直徑。與此同時，取切下的余土，平行測得含水量，取其平均值為試樣的含水量。2 .試樣飽和(1)真空抽氣飽和：將試樣裝入飽和器，置于真空缸內(nèi)，進(jìn)行抽氣，當(dāng)真空壓力達(dá)到1個大氣壓時，開啟管夾，使清水注入真空缸內(nèi)，待水面超過飽和器后，即可停止抽氣，然后靜止大約10h左右，使試樣充分吸水飽和。(2)水頭飽和：將試樣裝入壓力室內(nèi)，施加20kPa的周圍壓力，使無氣泡的水從試樣底座進(jìn)入，待上部溢出，水頭高差一般在1

11、m左右，直至流入水量和溢出水量相等為止。(3)反壓力飽和：試樣飽和度要求較高時采用(祥見實(shí)驗(yàn)規(guī)程)。五、操作步驟這里只介紹不固結(jié)不排水剪。1 .對儀器各部分進(jìn)行全面檢查，周圍壓力系統(tǒng)、反壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力系統(tǒng)、軸向壓力系統(tǒng)是否能正常工作，排水管路是否暢通，管路閥門連接處有無漏水漏氣現(xiàn)象。乳膠膜是否有漏水漏氣現(xiàn)象。2 .拆開壓力室的有機(jī)玻璃罩子，將試樣方在試樣底座的不透水圓板上，在試樣的頂部放置不透水試樣帽。3 .將乳膠膜套在承膜筒上，兩端翻過來，用吸咀吸氣，使乳膠膜貼緊承膜筒內(nèi)壁，然后套在試樣外放氣，翻起乳膠膜，取出承膜筒，用橡皮圈將乳膠膜分別扎緊在試樣底座和試樣帽上，4 .裝上受壓室外罩，

12、安裝時應(yīng)先將活塞提高，以防碰撞試樣，然后將活塞對準(zhǔn)試樣帽中心，并旋緊壓力室密封螺帽，再將測力環(huán)對準(zhǔn)活塞。5 .向壓力室充水，當(dāng)壓力室快注滿水時，降低進(jìn)水速度，當(dāng)水從排水孔溢出時，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)測力環(huán)的量表微動，表示活塞與試樣接觸，然后將測力環(huán)的量表和和軸向位移量表的指針調(diào)整到零位。8 .啟動電動機(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0.40.8mm/min。開始階段，試樣每產(chǎn)生垂直應(yīng)變0.30.4%時記測力環(huán)量表

13、讀數(shù)和垂直位移量表讀數(shù)各一次。當(dāng)接近峰值時應(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%勺垂直應(yīng)變或剪至總垂直應(yīng)變的15%后停止試驗(yàn)，若測力環(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、四個試樣的試驗(yàn)。六、成果整理1 .計(jì)算軸向應(yīng)變二訃,；1=100%h0式中鳥一軸向應(yīng)變（）；工Ah軸向變形（mm）；ho土樣初始高度（mm）。2

14、.計(jì)算剪切過程中試樣的平均面積:Ao1一；1式中Aa剪切過程中平均斷面積（cm2）2、Ao土樣初始斷面積（cm）當(dāng)一軸向應(yīng)變（）3.計(jì)算主應(yīng)力差CRCR（1-；1）-10=10Aa式中叫一仃3一主應(yīng)力差（kPa）巴一大主應(yīng)力（kPa）cr3一小主應(yīng)力（kPa）C測力計(jì)率定系數(shù)（N/0.01mm）R測力計(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（仃1仃3）為縱坐標(biāo)，軸向應(yīng)變的為橫坐標(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，取曲線上主應(yīng)力差的峰值作為破壞點(diǎn)；若無峰值時，則取15%軸向應(yīng)變時的主應(yīng)力差值作為破壞點(diǎn)。圖4-5主應(yīng)力差與軸向應(yīng)

15、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T為縱坐標(biāo)，法向應(yīng)力仃為橫坐標(biāo)，在橫坐標(biāo)軸上以破壞時的仃1f+仃3f為圓心，以仃1f一仃3f為半徑，在工仃坐標(biāo)系上繪制破壞總應(yīng)力圓，6 2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cPu,包線在縱坐標(biāo)上的截距為粘聚力cuO七、思考題1 .什么是土的抗剪強(qiáng)度？土的抗剪強(qiáng)度是不是一個定值？2 .什么是土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)？對于一種土，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是否為一個定值？為什么？3 .分別簡述直剪實(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。

16、在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的最后部分，同學(xué)要綜合所學(xué)知識及實(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。1 .實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? .實(shí)驗(yàn)設(shè)備3 .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)仃3RP=CR£Ah8=hh0A4Aa-P仃1仃3AA仃1(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)度包線士工實(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)用的是代表整個土層俄綜合性指標(biāo)，因此要對試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行去

17、粗取精，去偽存真的綜合整理。從而得到對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。整理時對實(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，進(jìn)行一定的補(bǔ)充試驗(yàn)后，可決定對可疑數(shù)據(jù)取舍或改正。2 .舍棄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時，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以外的測定值，然后重新計(jì)算整理。3 .土工實(shí)驗(yàn)測得的土性指標(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

18、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 .對一般性指標(biāo)的成果整理，通?？刹捎枚啻螠y定值Xi的算數(shù)平均值X,并計(jì)算出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。和變異系數(shù)6,以反映實(shí)際測定值對算數(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X按下式計(jì)算_1nx=Xinyn式中：'、Xii1n(2)標(biāo)準(zhǔn)差。按下式計(jì)算(3)變異系數(shù)按下式計(jì)算，并按下表評價變異性。X5 .對主要計(jì)算指標(biāo)的成果整理，如果測定的組數(shù)較多，此時指標(biāo)的最佳值接近于諸測值的算