三轴剪切试验

三轴压缩试验桂林理工大学建筑工程检测与试验中心一、土的抗剪强度指标的测试方法室内试验：应力状态被改变，取土过程受到干扰，如进行直接剪切试验，三轴压缩试验，无侧限抗压试验。原位测试：精度不高，如大面积剪切试验，十字板剪切试验。桂林理工大学三轴压缩试验二、三轴压缩试验与直剪试验的对比直接剪切仪的缺点主要有：①剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏；②剪切面上剪应力分布不均匀，土样剪切破坏时先从边缘开始，在边缘发生应力集中现象；③在剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而在计算抗剪强度时却是按土样的原截面积计算；④试验时不能严格控制排水条件，不能量测孔隙水压力、在进行不排水剪切时，试件仍有可能排水，特别对于饱和粘粘性土。由于土的抗剪强度受排水条件的影响显著。故试验结果不够理想。但由于它具有结构简单，操作方使等优点，故仍为一般工程广泛采用桂林理工大学三轴压缩试验三轴压缩仪的突出优点能较为严格地控制排水条件，量测试件中孔隙水压力的变化。试件中的应力状态也比较明确，破裂面是在最弱处，一般α=45°+α/2左右的斜截面；剪切破坏面上应力分布较均匀。除抗剪强度指标外，还可测定如土的灵敏度、测压力系数、孔隙水压力系数等力学指标桂林理工大学三轴压缩试验三轴压缩试验的缺点试样的中主应力σ2＝σ3。而实际上土体的受力状态未必都属于这类轴对称情况。真三轴仪中的试样可在不同的三个主应力(σ1≠σ2≠σ3)作用下进行试验。试验仪器构造复杂，操作技术要求较高，试验时间长。桂林理工大学三轴压缩试验三、三轴压缩试验（一）试验原理三轴压缩试验是根据莫尔——库仑强度理论，用3～4个试样，分别在不同的恒定周围压力下施加轴向压力，进行剪切直至破坏，从而确定土的抗剪强度参数。桂林理工大学三轴压缩试验桂林理工大学三轴压缩试验三轴压缩试验的应力圆及强度包络线（二）试验方法不固结不排水试验（UU）：加周围压力σ3、轴向压力直至剪破的整个过程都关闭排水阀门，不允许试样排水固结固结不排水试验（CU）：施加周围压力σ3时打开排水阀门，试样完全排水固结，孔隙水压力完全消散。然后关闭排水阀门，再施加轴向压力，使试样在不排水条件下剪切破坏固结排水试验（CD）：在整个试验过程中，始终打开排水阀门，即在施加σ3和轴向压力的全过程中，试样始终处于排水状态。上课完成不固结不排水试验，其余两种试验方法了解即可。桂林理工大学三轴压缩试验（二）仪器设备三轴压缩仪：分为应变控制式和应力控制式。应变控制式仪器在等应变加荷方式下土体的抗剪强度、变形特性和孔隙水压力等。由周围压力系统、反压力系统、孔隙水压力量测系统和主机组成。附属设备：包括击实器、饱和器、切土器（切较硬的土）、切土盘（切较软的土）、承膜筒和对开圆模等。桂林理工大学三轴压缩试验SY30-20型应变控制式三轴仪桂林理工大学三轴压缩试验TSZ-3型应变控制式三轴仪桂林理工大学三轴压缩试验天平：称量200g，感量0.01g；称量1000g，感量0.1g。橡皮膜：应具有弹性，厚度应小于橡皮膜直径的1／100，不得有漏气孔。其他：橡皮膜，烘箱，秒表，干燥箱，称量盒，切土刀。钢丝锯，滤纸，游标卡尺等。桂林理工大学三轴压缩试验饱和器桂林理工大学三轴压缩试验承膜筒与橡皮膜切土盘切土器承膜筒1—轴；2—上圆盘；3—下圆盘1—切土筒；2—支架1—试样帽；2—橡皮膜；3—橡皮管；4—吸气口；5—透水石6—试样底座；桂林理工大学三轴压缩试验切土盘上、下圆盘可根据压力室大小选择合适的、相同的尺寸桂林理工大学三轴压缩试验(三)试样制备（1）本试验需要3～4个试样，分别在不同周围压力下进行试验。（2）试样尺寸：最小直径为φ35mm，最大直径为φ101mm，试样高度宜为试样直径的2～2.5倍。对于有裂缝、软弱面和构造面的试样，试样直径宜大于60mm。（3）原状试样制备，应将土切成圆柱形试样，试样两端应平整并垂直于试样轴，当试样侧面或端部有小石子或凹坑时，允许用削下的余土修整，试样切削时应避免扰动，并取余土测定试样的含水量。桂林理工大学三轴压缩试验（4）扰动试样制备，应根据预定的干密度和含水率，在击实器内分层击实。粉质土宜为3～5层，粘质土宜为5～8层，各层土料数量应相等，各层接触面应刨毛。（5）对制备好的试样，应量测其直径和高度。试样的平均直径应按下式计算：D0=（D1+2D2+D3）/4桂林理工大学三轴压缩试验(四)三轴试验操作步聚1.不固结不排水试验(课堂试验只做此部分)试样的安装：（1）在压力室底座上依次放上不透水板、试样及试样帽，将橡皮膜套在试样外，并将橡皮膜两端与底座及试样帽分别用橡皮筋扎紧。（2）装上压力室罩，打开排气阀，向压力室内注满纯水，关排气阀，压力室内不应有残留气泡。并将活塞对准千分表和试样顶部。（3）关排水阀，开周围压力阀，施加周围压力，周围压力值应与工程实际荷重相适应，最大一级周围压力与最大实际荷重大致相等。（4）转动手轮使试样帽与活塞及千分表接触，装上变形指示计，将千分表和变形指示计读数调至零位。桂林理工大学三轴压缩试验试样的剪切：（1）开动电机，接上离合器，剪切应变速率宜为每分钟应变0.5～1.0％进行。（2）剪切开始阶段，试样每产生0.3～0.4％的轴向应变，测记一次千分表读数和轴向应变值。当轴向应变大于3％以后，每隔0.7～0.8％的应变值测记一次读数。（3）当千分表读数出现峰值时，剪切应继续进行，超过5％的轴向应变为止。若当千分表读数无峰值时，剪切应进行到轴向应变为15～20％，以应变为15%的读数为破坏值。（4）试验结束，关电动机，关周围压力阀，开排气阀，排除压力室内的水，拆除压力室外罩，取出试样，描述破坏特征，称试样质量，并测定含水率。（5）对其余几个试样，在不同围压下重复上述步骤进行剪切试验。桂林理工大学三轴压缩试验2、固结不排水剪切试验试样的安装按下列步骤进行：开孔隙水压力阀和量管阀，对孔隙水压力系统及压力室底座充水排气后，关孔隙水压力阀和量管阀。压力室底座上依次放上透水板、湿滤纸、试样、湿滤纸、透水板，试样周围贴浸水的滤纸条7～8条。将橡皮膜用承膜筒套在试样外，并用橡皮圈将橡皮膜下端与底座扎紧。打开孔隙水压力阀和量管阀，使水缓慢地从试样底部流入，排除试样与橡皮膜之间的气泡，关闭孔隙水压力阀和量管阀。打开排水阀，使试样帽中充水，放在透水板上，用橡皮圈将橡皮膜上端与试样扎紧，降低排水管，使管内水面位于试样中心以下20～40cm，排除试样与橡皮膜之间的余水，关排水阀。需要测定土的应力应变关系时，应在试样与透水板之间放置中间夹有硅脂的两层圆形橡皮膜，膜中间应留有直径为1cm圆孔排水。桂林理工大学三轴压缩试验排水固结按下列步骤进行（1）调整排水管使管内水面与试样高度的中心齐平，测记排水管水面读数。（2）开孔隙水压力阀，使孔隙水压力等于大气压力，关孔隙水压力阀，记下初始读数。（3）将孔隙水压力调至接近周围压力值，施加周围压力后，再打开孔隙水压力阀，待孔隙水压力稳定测定孔隙水压力。（4）固结完成后，关排水阀，测记孔隙水压力和排水管水面读数。（5）微调压力机升降台，使活塞与试样接触，此时轴向变形指示计的变化值为试样固结时的高度变化。桂林理工大学三轴压缩试验剪切试样按下列步骤进行：（1）剪切应变速率：粘土宜为每分钟应变0.05%～0.1%；粉土为每分钟应变0.1%～0.5%。（2）将测力计、轴向变形指示计及孔隙水压力读数均调至零位。（3）启动电动机，合上离合器，开始剪切。测力计、轴向变形、孔隙水压力按不排水不固结剪切试验步骤进行测记。（4）试验结束，关电动机，关闭各阀门，脱开离合器，将离合器调至粗位，转动粗调手轮，将压力室降下，打开排气孔，排除压力室内的水，拆卸压力室罩，拆除试样，描述试样破坏形状，称试样质量，并测定含水率。桂林理工大学三轴压缩试验3、固结排水剪切试验试样的安装、固结、剪切应按固结不排水剪的步骤进行。但在剪切过程中应打开排水阀，剪切速率采用每分钟应变0.003%～0.012%。桂林理工大学三轴压缩试验(五)数据整理1不固结不排水剪切试验1)轴向应变按下式计算：式中，ε1：轴向应变值，%；h0：试样初始高度值，mm；Δh1：剪切过程中试样的高度变化值，mm。桂林理工大学三轴压缩试验100011hh2)试样面积的校正，按下式计算：式中，Aa：试样的校正断面积，cm2；A0：试样的初始断面积，cm2。桂林理工大学三轴压缩试验101AAa101AAa101AAa3)主应力差应按下式计算：σ1-σ3：主应力差，KPa；σ1：大总主应力，KPaσ3：小总主应力，KPa；C：测力计率定系数，(N/0.01mm)R：测力计读数，0.01mm；桂林理工大学三轴压缩试验1031aACR4)绘制主应力差与轴向应变关系曲线：以轴向应变值ε1为横坐标，以主应力差为纵坐标。取曲线上主应力差的峰值为破坏点，无峰值时，取15%轴向应变时的主应力差值作为破坏点。桂林理工大学三轴压缩试验5)绘制破损应力圆：以剪应力为纵坐标，法向应力为横坐标，在横坐标轴以破坏时的为圆心，以为半径，在应力平面上绘制破损应力圆，并绘制不同周围压力下破损应力圆的包络线，求出不固结不排水抗剪强度参数。桂林理工大学三轴压缩试验231ff231ff231ff2固结不排水剪切试验1)试样固结后的高度，应按下式计算：式中，hc：试样固结后的高度，cm；ΔV：试样固结后与固结前的体积变化，cm3；V0：试样固结前的体积，cm3。桂林理工大学三轴压缩试验3/100)1(VVhhc2)试样固结后的面积，应按下式计算：式中，Ac：试样固结后的断面积cm2。3)试样面积的校正，应按下式计算：4)主应力差计算按不固结不排水剪切试验。桂林理工大学三轴压缩试验3/200)1(VVAAc101AAa011hh5)有效主应力比按下式计算：①有效大主应力：式中，：有效大主应力，KPa；：孔隙水压力，KPa。②有效小主应力：式中，：有效小主应力，KPa。③有效主应力比：桂林理工大学三轴压缩试验u111uu3333313116)孔隙水压力系数，按下式计算：①初始孔隙水压力系数：式中，B：初始孔隙水压力系数；：施加周围压力产生的孔隙水压力，KPa。桂林理工大学三轴压缩试验30uB0u②破坏时孔隙水压力系数：式中，：破坏时的孔隙水压力系数；：试样破坏时，主应力差产生的孔隙水压力，KPa。桂林理工大学三轴压缩试验)(31BuAff7)主应力差与轴向应变关系曲线，按不固结不排水剪切试验。8)以有效应力比为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制有效应力比与轴向应变曲线。9)以孔隙水压力为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制孔隙水压力与轴向应变关系曲线。桂林理工大学三轴压缩试验10)以为纵坐标，为横坐标，绘制有效应力路径曲线，并计算有效内磨擦角和有效粘聚力。①有效内摩擦角：φ‘式中，φ＇：有效内摩擦角，°；：应力路径图上破坏点连线的倾角，°。桂林理工大学三轴压缩试验231231tg1sin②有效粘聚力：式中，c′：有效粘聚力，KPa。d：应力路径上破坏点连线在纵轴上的截距，KPa。桂林理工大学三轴压缩试验cos'dc11)以主应力差或有效主应力比的峰值为破坏点，无峰值时，以有效应变路径的密集点或轴向应变15%时的主应力差值作为破坏点，按不固结不排水剪的第5点的规定绘制破损应力圆及不同周围压力下的破损应力圆包络线，并求出总应力强度参数；有效内摩擦角和有效粘聚力，应以为圆心，以为半径，绘制有效破损应力圆。桂林理工大学三轴压缩试验2312313固结排水剪切试验1)试样固结后的高度、面