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三轴剪切试验docx
试验九三轴剪切试验
一、概述
三轴剪切试验是试样在某一固定周围压力下，逐渐增大轴向压力，氏至试样破坏的一种抗剪强度试验，是以摩尔•库仑强度理论为依据而设计的三轴向加斥的剪力试验。
三轴剪切试验是测定土体抗剪强度的一种比较完善的室内试验方法，通常采用3〜4个圆柱形试样，分别在不同的周闌斥力卞测得土的抗剪强度，再利用摩尔•库仑破坏准则确定土的抗剪强度参数。
三轴剪切试验可以严格控制排水条件，可以测量土体内的孔隙水床力，另外,试样中的应力状态也比较明确，试样破坏时的破裂面是在最薄弱处，而不像仃•剪试验那样限定在上下盒之间，同时三轴剪切试验还可以模拟建筑物和建筑物地基的特点以及根据设计施匸的不同要求确定试验方法，I大］此对丁•特殊建筑物（构筑物）、高层建筑、重型厂房、深层地基、海洋工程、道路桥梁和交通航务等工程有着特别重要的意义。
二、试验方法
根据十•样固结排水条件和剪切时的排水条件，三轴试验可分为不固结不排水剪试验（UU）、固结不排水剪试验（CU）、固结排水剪试验（CD）以及Ko固结三轴试验等。
以下仅对不固结不排水剪（UU）试验进行详细介绍。
1、不固结不排水剪试验（UU）
试样任施加周閘压力和随后施加偏应力N至剪坏的格个试验过程中都不允许排水，这样从开始加床直至试样剪坏，土中的含水最始终保持不变，孔隙水压力也不可能消散，可以测得总应力抗剪强度指标久，（Puo
2、固结不排水剪试验（CU）
试样在施加周闌斥力时，允许试样充分排水，待尚结稳定后，再在不排水的条件下施加轴向压力，fi至试样剪切破坏，同时在受剪过程中测定土体的几隙水斥力，可以测得总应力抗剪强度指标Cw（Pcu和有效应力抗剪强度指标c',
3、固结排水剪试验（CD）
试样先在周围压力下排水固结，然后允许试样在充分排水的条件下増加轴向
压力血至破坏，同时在试验过程中测读排水最以计算试样体积变化，可以测得有效应力抗剪强度指标Cd，Pdo
4、K（）固结三轴剪切试验
常规三轴试验是在等向固结斥力（。
尸6=03）条件下排水固结，而&固结三轴试验是按03=6=Ko6施加周围压力,使试样在不等向压力下固结排水,然后再进行不排水剪或排水剪试验。
三、仪器设备
1、三轴仪
三轴仪依据施加轴向荷载方式的不同，可以分为应变控制式和应力控制式两种，目前室内三轴试验堆本上來用的是应变控制式三轴仪。
应变控制式三轴仪由以下儿个组成部分（图9-1）：
图9・1应变控制式三轴剪切仪
I-调斥筒；2—周圉床力表：
3—周由床力阀；4一排水阀；5-体变管：
子6—排水管；7—变形量表；8—暈力环：
9一排气孔:
10—轴向加压设备；11—压力室；12—最管阀；13—零位指示器：
14—孔隙力表；15—量管：
16—孔隙压力阀：
17—离合器：
18—手轮；19—马达；20—变速箱
（1）三轴床力室。
斥力室是三轴仪的主要组成部分，它是一个由金属上盖、底座以及透明有机玻璃圆筒组成的密闭容器，压力室底座通常有3个小几分别与稳圧系统以及体积变形和几隙水斥力最测系统相连。
（2）轴向加荷系统。
采用电动机带动多级变速的齿轮箱，或者•采用可控硅无极调速，并通过传动系统使压力室|'|下而上的移动，从而使试样承受轴向压力,其加荷速率可根据土样性质及试验方法确定。
（3）轴向压力量测系统。
施加于试样上的轴向压力由测力计量测，测力计由线形和重复性较好的金属弹性体组成，测力计的受压变形由仃分表或位移传感器测读，轴向床力也可由荷重传感器來测得。
（4）周围压力稳压系统。
采用调压阀控制，调压阀控制到某一固定压力后,它将斥力室的力进行自动补偿而达到稳定的周围斥力。
（5）孔隙水床力量测系统。
孔隙水斥力由孔斥传感器测得。
（6）轴向变形暈测系统。
轴向变形由K距离百分表（0^30111111百分表）或位移传感器测得。
（7）反压力体变系统。
由体变管和反压力稳床控制系统组成，以模拟土体的实际应力状态或提尚试件的饱和皮以及测最试件的体积变化。
2、附属设备
（1）击实筒和饱和器（图9〜2图9〜3）。
图9〜2击实筒图9~3饱和器
1—套环；2—定位螺丝；3—导杆；4—击锤：
1—土样
筒；2—紧输•：
3—夹板；
5—底板：
6—套筒：
7—饱和器：
8—底板4—拉
杆；5—透水石
⑵切土盘、切土器、切土架和原状土分样器（图9・4〜图9・5）。
A
■__
1
■}
/底出
-1
图9〜4切土盘图9〜5切土器和切土架图
9〜6原状土分样器
（3）承膜筒和砂样制备模筒（图9〜7图9~8）。
（4）天平。
称帚：
200g、最小分皮值O.Olg；称量lOOOg、最小分度值O.lgo
（5）游标卡尺。
（6）其他，如乳胶薄膜、橡皮筋、透水石、滤纸、切土刀、钢丝锯、毛玻璃板、空气压缩机、真空抽气机、真空饱和抽水缸及称最盒等。
四、试验前的检査和准备
1、仪器性能检査
图9〜7承膜筒
图9〜8砂样制备
模筒
1—三轴仪底座：
2—透水石；3—试样；1—仪器底
座：
2—透水石：
3—制样圆膜：
（两片合成）
4—承膜筒；5—橡皮膜；6—上帽；7—吸气孔
4一|•员］篩：
5橡皮膜：
6—橡皮圈
（1）周囤压力和反压力控制系统的压力源；
（2）空气斥缩机的压力控制器：
（3）调丿E阀的灵敏度及稳泄性：
（4）椿密压力表的精度和谋差；
（5）稳斥系统是否存在漏气现象；
（6）管路系统的周围压力、扎隙水压力、反压力和体积变化装置以及试样上下端通道接头处是否〃在漏气漏水或阻塞现象
（7）孔斥及体变的管道系统内是否存在封闭气泡，若有封闭气泡可用无气泡水进行循环排气；
（8）±样两端放置的透水石是否畅通和浸水饱和：
（9）乳胶薄膜套的漏气漏水检査等。
2、试验前的准备工作
除了对仪器性能进行检査外，还应根据试验要求做如卜•的准备「•作：
（1）根据工程特点和土的性质确定试验方法和需测定的参数；
（2）根据土样的制备方法和土样特性选择饱和方法：
（3）根据试验方法和土的性质，选择剪切速率；
（4）根据取土深度、土的应力历史以及试验方法，确定周围压力的大小：
（5）根据土样的多少和均匀程度确定单•个试样多级加荷还是多个试样分级加荷。
五、试样制备与饱和
1、试样制备
试样应切成圆柱形形状，试样血径为39.1nuii.①61.8mm或①lOlnun,和应的试样高度分别为80niin.l50miii或200mm,试样高度与试样H径的关系-般为2〜2.5倍，试样的允许最大粒径与试样N径之间的关系见表9-1o
表9・1试样的允许最大粒径与试样直径的关系表
试样直径D（mm）
允许最大粒径d（nini）
3.91
d<（1/10）D
61.8
d<（1/10）D
101.0
d<（1/5）D
（1）原状土试样制备
1对丁•较软的土样，先用钢丝锯或切土刀切取一稍大丁•规定尺寸的土柱，放在切土盘的上下圆盘之间,然后用钢丝锯紧靠侧板,由上往下细心切削,边切削边转动圆盘，肚至土样被削成规定的血径为止。
2对于较硬的土样，先用切土刀切取一稍大于观定尺寸的土柱，放在切土架上，用切土器切削土样，边削边用切土器，氏至切削到超出试样髙度约2cm为止。
3取出试样，井用对开模套上，然后将两端削半，称最，并取余土测定试样的金水応。
（2）扰动土和砂土试样制备
对丁扰动土，按预定的干密度和存水量将扰动土拌匀，然后分层装入击实筒内击实，粉质土分3〜5层，粘质土分5〜8层，并在各层而上用切土刀刨毛以利丁•两层面之间结合。
对丁•砂土，先在丿玉力室底座上依次放上透水石、滤纸、乳胶薄膜和对开圆模筒，然后根据一定的密度耍求，分三层装入圆筒内击实。
如果制备饱和砂样，可在圆模筒内通入纯水至1/3高，将预先煮沸的砂料填入，重复此步骤，使砂样达到预定高度，放上滤纸、透水石、顶帽，扎紧乳胶膜。
为使试样能直立，可对试样内部施加5kPa的负斥力或用水管降低50cm水头即可，然后拆除对开模筒。
2、试样饱和
（1）真空抽气饱和法。
将制备好的土样放入饱和器内置丁•真空饱和缸，为提高真空度可在盖缝中涂上一层凡士林以防漏气。
将冀空抽气机与真空饱和缸接通，开动抽气机，当真空压力达到一个大气压时，微微开启管夹，使请水徐徐注入真空饱和缸的试样中，待水面超过土样饱和器后，使真空表床力保持一个大气压不变即可停止抽气。
然后静置大约10h左右，使试样充分吸水饱和。
也可将试样装入饱和器后，先浸没在带有淸水注入的真空饱和缸内，连续真空抽气2〜4h°然后停止抽气，静置12h左右即可。
（2）水头饱和法。
将试样装入压力室内，施加20kPa周囤压力，使无气泡
的水从试样底座进入，待上部溢出，水头高差一般在lm左右，直至流入水最和溢出水最相等为止。
（3）反压力饱和法。
试件在不固结不排水条件下，在土样顶部施加反压力,但同时应在试样周用施加侧斥力，反床力应低丁•侧床力5kPa,当试样底部孔隙压力其比值Au/Ao3>0.98时被认为是饱和的，否则再增加反床力和侧斥力使土体内气泡继续缩小，fi至满足Au/Ao3>0.9S的条件。
六、不固结不排水剪（UU）试验
不固结不排水剪（UU）试验可分为不测孔隙水压力和测北隙水压力两种。
前者试样两端放置不透水板，后者试样两端放置透水石并与测定孔隙水斥力装
置连通。
1、操作步骤
（1）试样安装。
先把乳胶薄膜装在承膜筒内，用吸气球从气嘴中吸气，使乳胶薄膜贴紧筒壁，套在制备好试样外而，将爪力室底座的透水石与管路系统以及几隙水测定装置充水并放上一张滤纸，然后再将套上乳胶膜的试样放在压力室的底朋上，翻下乳胶膜的下端与底朋用橡皮筋扎紧，翻开乳胶膜的上端与土样帽用橡皮筋扎紧，最后装上圧力筒，并拧紧密封螺帽，同时使传压活塞与土样帽接触。
（2）施加周［科用力6。
周用斥力的大小根据土样埋深或应力历史來决定，若土样为正常压密状态，则37个土样的周闌斥力，应在门巫应力附近选择，不宜过大以免扰动土的结构。
（3）在不排水条件下测定试样的孔隙水斥力g
⑷调格量测轴向变形的位移计和轴向压力测力计的初始“零点”读数。
（5）施加轴向斥力。
启动电动机，剪切应变速率取每分钟0.5%〜1.0%,当试样每产生轴向应变为0.3%』.4%时，测记一次测力计、几隙水斥力和轴向变形读数,f［至轴向应变为20%时为止。
（6）试验结束即停机，卸除周用用力并拆除试样，描述试样破坏时形状。
2、成果整理
（1）按式（9-1）和式（9-2）计算孔隙水斥力系数:
（9-1）
（9-2）
B』
U-UA=—i——
B0-/）
式中B——在周围压力。
3作用下的孔隙水压力系数；
A——土体破坏时的孔隙水斥力系数；
uo——在周围压力6作用下土体扎阴水压力（kPa）；
03周用斥力（kPa）；
Uf土体破坏时的孑L隙水JK力（kPa）:
oi土体破坏时大主应力（kPa）：
（2）按式（9-3）和式（9-4）计算轴向应变和剪切过程中平均断面积:
（9-3）
（9-4）
^^-xlOO%/?
0
Aa=Ao/（l-Si）
式中£1——轴向应变（％）;
工Ah轴向变形（mm）；
ho土样初始高度（nmi）;
Aa剪切过程中平均断而积（Cl£）；
Ao土样初始断面积（cnr）;
⑶按式（9・5）计算主应力差：
^xlO=
（9-5）
式I'oi-03——主应力差（kPa）:
01大主应力（kPa）：
03小主应力（kPa）：
C测力计率定系数（N/0.01mm）；
R测力计读数（O.Olnuii）；
10—单位换算系数。
⑷绘制主应力差与轴向应变关系曲线
以主应力差（66）为纵坐标，轴向应变£1为横坐标，绘制主应力差与轴
向应变关系曲线（图9-9）o若有峰值时，取曲线上主应力差的峰值作为破坏点;若无峰值时，则取15%轴向应变时的主W力差值作为破坏点。
（5）绘制强度包线
以剪应力t为纵塑标，法向应力。
为横处标，在横塑标轴以破坏时的（6f+。
3別2为関心，以（6f—6f）/2为半径，在T7坐标系上绘制破坏总应力関，并绘制不同周围压力下诸破坏总应力圆的包线（图9-io）,包线的倾角为内摩擦角e”包线在纵轴」:
的截蹲为粘聚力S。
图9-9主应力差与轴向应变关系曲线图9-10不固结不排
水剪强度包线
3、试验记录
不尚结不排水剪三轴试验记录见表9-2o
表9・2不固结不排水剪三轴试验记录表
试验者:
「•程名称:
工程编号：
计算者:
试验日期：
校核者:
试样肖径do=cm试样高度ho=cm试样而积Ao=cm2试
样体积\l=cm3
试样质量mo=g试样密度Po=创cm3钢环系数。
=N/0.01mni
剪切速率=mni/min
周围
量力
轴向
轴向
轴向W变
应变
校正后试样
主应力差
轴向应力
压力
（kPa
）
环读数
（0.01nmi）
荷重
（N）
变形
（0.01imn）
（%）
减量
面枳（cnr）
（kPa）
（kPa）
03
R
P=C
R
£1=工A
h/ho
1・£
1
Aa=Ao/
（l-£i）
6
O3=P/Aa
6
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
⑺
（8）
⑼
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