1、实验十 三轴剪切试验一、概述三轴剪切试验是测定土的抗剪强度的主要方法之一。它通常用 34 个圆柱形试样分别在不同的围压下施加轴向压力对试样进行剪切，直至破坏，然后根据摩尔库伦理论，求得土的抗剪强度指标 和 c。根据排水条件的不同，三轴剪切试验可分为不固结不排水剪(UU)、固结不排水剪(CU) 和固结排水剪(CD)三种试验方法。不固结不排水剪试验，在施加周围压力 3 和轴向偏应力（ 1-3） ，直至试样剪坏的整个过程中，均不允许试样排水固结，即不让孔隙水压力消散。固结不排水剪试验，在施加周围压力时，允许试样充分排水固结；在施加偏应力时，不允许排水至试样剪坏。固结排水剪试验，在施加周围压力和轴向偏
2、应力，直至试样剪坏的整个过程中，使试样充分排水固结。这里只介绍饱和试样的固结不排水剪试验。二、试验原理三轴试验采用圆柱形试样，对试样在空间三个坐标方向上施加压力。试验时先通过压力室有压液体，使试样在三个轴向受到相同的周围压力 3，并维持整个试验过程不变。然后通过活塞杆向试样施加垂直轴向压力，直到试样剪坏。若由活塞杆所加的试样破坏时的压力强度为 q 1-3，小主应力是周围压力 3。由一个试样所得的 1 和 3，可以绘制一个极限应力圆。若干个试样，可得在不同周围压力作用下，试样剪坏时的最大主应力，从而可绘制若干个极限应力圆，作这些应力圆的公切线，便是土的抗剪强度包线，由此包线可求得强度指标 c 和
3、 ，附图10.1 所示。三、仪器设备1、常用的三轴剪切仪，按施加轴向压力方式的不同，分为应变控制式和应力控制式两种。2、应变控制式三轴仪见附图 10.9 所示。包括压力室、轴向加压设备、施加周围压力系统、体积变化和孔隙压力量测系统等。3、附属设备：击实筒、饱和器、切土盘、切土器和切土架、分样器、承膜筒、天平、量表、橡皮膜等。c附图 10.1 抗剪强度包线1231附图 10.2 原状土分样器1.钢丝架；2 一滑杆；3 一底座123456附图 10.3 对开圆膜1.压力室底座；2.透水石；3.制样圆模；4.圆箍；5.橡皮膜；6.橡皮圈1276543附图 10.4 承膜筒1.压力室底座；2.透水石；
4、3.试样；4.承膜筒；5.橡皮膜；6.上帽1 2345附图 10.5 击实器1.环； 2.位螺丝； 3.杆；4.击锤；5.底板附图 10.6 饱和器1.土样筒；2.紧箍；3.夹板；4 一拉杆；5.透水石12345123附图 10.7 切土盘1.轴 2.上盘 3.下盘123附图 10.8 切土器1.土样 2.切土器 3.支架附图 10.9 应变控制式三轴剪切仪l.调压筒；2.周围压力表；3.周围压力阀；4.排水阀；5.体变管；6.排水管；7.变形量表； 8.量力环；9.排气孔；10.轴向加压设备；1l.压力室；12.量管阀；13.零位指示器；14.孔隙压力表；15.量管；16. 孔隙压力阀；17
5、.离合器；18.手轮四、试验步骤1、使用前三轴剪切仪应进行检查(1)周围压力的精度要求达到最大压力的土 1，测读分值一般应为 5kPa，根据试样强度的大小，选择不同量程的量力环，使最大轴向压力的精度不小于 1。(2)排除孔隙压力量测系统的气泡。其方法是将零位指示器中水银移人贮槽内，关闭量管阀，用调压筒或三轴压力室(三轴压力室内充满无气水 )对孔隙压力量测系统中的无气水(煮沸冷却后的蒸馏水)施加压力，小心打开量管阀，让管路中气泡从量管排出。可反复几次，直到气泡完全冲出为止。必须注意，不要使贮槽内水银冲出指示器。排气完毕后，从贮槽中移回水银，关闭孔隙压力阀和量管阀，用调压筒施加压力，检查孔隙压力量
6、测系统的体积因数，要求该体积因数小于 1.510-5cm3/kPa。孔隙压力也可用传感器量测。(3)检查排水管路是否通畅；活塞在轴套内滑动是否正常；连接处有无漏水现象。仪器检查完毕，关周围压力阀、孔隙压力阀和排水阀，以备使用。(4)橡皮膜在使用前应作仔细检查。其方法是在膜内充气，扎紧两端，然后在水下检查有无漏气。2、试样制备原状试样，可从钻孔原状土柱或试坑原状土块中切取。试样尺寸应符合下列要求：直径 3.91cm 的试样，允许最大粒径为 2.0mm；直径6.18cm 的试样，允许最大粒径为 5.0mm；直径 10.1cm 的试样，允许最大粒径为10.0mm，但也允许个别超径颗粒存在。超径颗粒的
7、粒径不应超过试样直径的 1/5。对于较软的土样，先用钢丝锯或削土刀切取一稍大于规定尺寸的土柱，放在切土盘上、下圆盘之间，再用钢丝锯或削土刀紧靠侧板，由上往下细心切削，边切削边转动圆盘，直到土样被削成规定直径为止。然后按试验要求的试样高度，截取试样，并削平上下两端，见附图 10.7。对于较硬的土样，先用削土刀或钢丝锯切取一稍大于规定尺寸的土样，上下两端削平，按试样的要求层次方向，放在切土架上，用切土器切削。先在切土器环刀口内壁涂上一层薄的油或凡士林，将切土器的刀口对准土样，边削土边压切土器，一直切削到比要求的试样高度约高 2cm 为止，然后拆开切土器，将试样取出，按要求的高度将两端削平，见附图
8、10.8。将切削好的试样称重，准确到 0.1g。试样高度和直径用卡尺量测，并按下式计算试样的平均直径： 42310D式中：D 1、D 2、D 3 分别为试样上、中、下部位的直径。取切下的余土，平行测定含水量，取其平均值作为试样的含水量(同一组原状试样，含水量差值不宜大于 2)。3、试样饱和根据试样的性质有抽气饱和、水头饱和和反压力饱和等几种饱和方法。抽气饱和：将试样装人饱和器内(附图 6.6)置于抽气缸内，盖紧后进行抽气，当真空度接近一个大气压后，对于粉质土(壤土) 再继续抽半小时以上，粘质土抽 1 小时以上，密实的粘质土抽 2 小时以上，然后徐徐注入清水，并使真空度保持稳定。待饱和器完全淹没
9、在水中后，停止抽气。解除抽气缸内的真空，让试样在抽气缸内静置 10 小时以上然后取出试样称重。水头饱和：将试样安装于压力室内。试样周围不贴滤纸条，施加 20kPa 周围压力。附 10.1提高试样底部量管水位，降低试样顶部量管的水位，使两管水位差在 1m 左右，打开孔隙水压力阀、量管阀和排水管阀，使纯水从底部进入试样，从试样顶部溢出，直至流入水量和溢出水量相等为止。当需要提高试样的饱和度时，宜在水头饱和前，从底部将二氧化碳气体通入试样，置换孔隙中的空气。二氧化碳的压力以 510kPa 为宜，再进行水头饱和。反压力饱和：试样要求完全饱和时，应对试样施加反压力。反压力系统和周围压力系统相同(对不固结
10、不排水剪试验可用同一套设备施加 )，但应用双层体变管代替排水量管。试样装好后，调节孔隙水压力等于大气压力，关闭孔隙水压力阀、反压力阀、体变管阀、测记体变管读数。开周围压力阀，先对试样施加 1050kPa 的周围压力，开孔隙水压力阀，待孔隙水压力变化稳定，测记读数，关孔隙水压力阀。反压力应分级施加，同时分级施加周围压力，以尽量减少对试样的扰动。周围压力和反压力的每级增量宜为30kPa，开体变管阀和反压力阀，同时施加周围压力和反压力，缓慢打开孔隙水压力阀，检查孔隙水压力增量，待孔隙水压力稳定后，测孔隙水压力和体变管读数，再施加下一级周围压力和反压力。计算每级周围压力引起的孔隙水压力增量，当与之比u
11、/ 30.98时，认为试样饱和。4、试样安装开孔隙压力阀及量管阀，使仪器底座充水排气，并关阀。将煮沸过的透水石放在仪器底座上，然后放上湿滤纸，放置试样，试样上端也放一湿滤纸及透水石，为了加速排水固结，可在试样周围贴上 79 条宽度为 6 mm 左右的浸湿滤纸条，滤纸条两端与透水石连接。把已检查过的橡皮膜套在承膜筒上，两端翻出筒外，从吸嘴吸气，使膜贴紧承膜筒内壁，然后把橡皮膜筒套在试样外，放气，翻起橡皮膜，橡皮膜贴在试样上，取出承膜筒，用橡皮圈将橡皮膜下端扎紧在仪器底座上。用软刷子或双手自下而上轻轻按抚试样，以排除试样与橡皮膜之间的气泡。对于饱和软粘土，可打开孔隙压力阀及量管阀，使水徐徐流人试样
12、与橡皮膜间，以排除夹气，然后关阀。打开排水阀，使水从试样帽徐徐流出以排除管路中气泡，并将试样帽放置于试样顶端，排除顶端气泡，将橡皮膜扎；紧在试样帽上。降低排水管，使其水面降至试样中心高程以下 2040cm，吸出试样与橡皮膜之间多余水分，然后关闭排水阀。 装上压力室外罩，将活塞杆提高到最高位置，以免和试样碰撞，然后将活塞杆对准试样帽中心，并均匀地旋紧螺丝，再将量力环对准活塞杆，打开压力室上的排气孔，向压力室注水。当压力室快注满水时，降低进水速度；当水从排气孔溢出时，关闭排气孔。然后使排水管的水面与试样中心高度齐平，并测记水面读数。调整孔隙压力起始读数，使量管水面位于试样中心高度处，开量管阀，用调
13、压筒调整零位指示器的水银面至毛细管指示线，记下孔隙压力表起始读数，然后关量管阀。开周围压力阀，施加所需的周围压力 3。周围压力大小与工程的实际荷重相适应，并尽可能使最大周围压力与土体的放大实际荷重大致相等。本试验按100、200、300、400kPa 施加。旋转手轮，当量力环的量表微动时，表示活塞已与试样帽接触，然后将量力环的量表微动时，表示活塞已与试样帽接触，然后将量力环的量表和变形量表的指针调整到零位。5、试样固结加周围压力后用调压筒调压。将孔隙压力表读数调至接近该级周围压力大小，然后缓缓打开孔隙压力阀，并同时旋转调压筒，使毛细管内水银面保持不变，测记稳定后的孔隙压力读数，减去孔隙水压力表
14、起始读数，即为周围压力下试样的孔隙水压力 u。打开排水阀的同时开动秒表，按 0、0.25 、1、4 、9、时间测记固结排水管水面及孔隙压力表读数，以便了解试样内孔隙水压力的消散情况。在整个试验过程中，固结排水管水面应保持试样的中心高度。另外指示器的水银面也应始终保持在零位。当排水量不再有变化时，固结度至少达到 95%，即可关排水阀，记下固结排水管和孔隙压力表的读数。然后转动细调手轮，使活塞与试样帽接触(注意避免试样放置不正，假接触现象)，记下轴向变形量读数，即固结下沉量 h，算出固结后试样高度 hc。然后将量力环量表、垂直变形量表都调至零。6、试样剪切选择剪切速率。粉质土每分钟应变为 0.10
15、.5，一般粘质土每分钟应变为0.10.05%。开动马达，合上离合器进行剪切。试样每产生垂直应变 0.30.4，测记量力环量表和垂直变形量表读数各一次。垂直应变达 3以后，读数间隔可延长为 0.70.8测记一次：在剪切过程中应使零位指示器的水银面始终保持于原来的位置，当出现峰值后，再继续剪 35垂直应变；若量力环的量表读数无明显减少，则垂直应变进行到 1520停止剪切。试验结束后，关闭马达，关上周围压力阀，拔开离合器，倒转手轮，然后打开排气孔，排去压力室的水。拆除压力室外罩，揩干试样周围的余水，脱去试样外的橡皮膜，描述破坏后的形状，称试样重量，测定试验后的含水量。其余试样，取不同周围压力，重复上
16、述步骤进行。五、计算与记录1、计算试样固结后的高度按下式计算： 310)(Vhc式中 hc试样固结后的高度，cm；h0试样固结前的高度，cm；V试样固结前后的体积变化( 实测或由试验前后试样质量差换算 )，cm 3；V0试样固结前的体积，cm 3。试样固结后的面积按下式计算： 320)1(VAc式中 Ac试样固结后的面积，cm 2；A0试样固结前的面积，cm 2。剪切时试样的校正面积按下式计算： 1ca式中 Aa试样的校正面积，cm 2；1轴向应变， 1=hi/hc。附 10.2附 10.4附 10.3hi试样剪切时的高度变化，由轴向变形量表测得，cm。(2)主应力差( 1-3)的计算： 10
17、31aACR式中 1大主应力，kPa；3小主应力，kPa；C量力环率定系数，N0.01mm；R量力环量表读数，0.01mm；Aa试样剪切时的面积，cm 2；10单位换算系数。有效主应力按下式计算： u13式中 1有效大主应力，kPa；3有效小主应力，kPa；u孔隙水应力，kPa。有效主应力比按下式计算： 3131孔隙水压力系数按下式计算：按下式计算初始孔隙水压力系数 B： 30u式中 u0试样在周围压力下产生的起始孔隙水压力，kPa。按下式计算破坏时孔隙水压力系数 Af： )(31Bff式中 uf试样破坏时，在主应力差( 1-3)下产生的孔隙压力，kPa。2、制图(1)绘制主应力差( 1-3)
18、与轴向应变 1 的关系曲线，如附图 10.10。(2)绘制有效主应力比 1/3 与轴向应变 1 的关系曲线，如附图 10.11。0 5 1510 201002001,%1-3，kPa3=100kPa0 5 1510 202.03.01,%1/33=100kPa1.0附图 10.10 (1-3)1 的关系曲线 附图 1011 1/31 的关系曲线附 10.8附 10.5附 10.6附 10.7附 10.9附 10.10(3)绘制固结不排水剪强度包线，如附图 10.12。以法向应力 为横坐标，剪应力 为纵坐标，在横坐标轴上以 (1+3)/2 为圆心，以( 1-3)/2 为半径绘制破损总应力圆。在绘
19、制不同周围压力的破损总应力圆后，作破损总应力圆的包线，即总应力强度包线，该包线的倾角为土的内摩擦角 ，与纵轴的截距为粘聚力 c。在横坐标轴上以 (1+3)/2 为圆心，以( 1-3)/2 为半径，绘不同周围压力下的有效应力圆和有效应力圆的包线，包线的倾角为有效内摩擦角 ，与纵坐标轴的截距为有效粘聚力 c。3、记录固结不排水剪切试验记录格式如下：土 样 编 号 试 验 方 法 试 验 者 计 算 者 试 验 日 期 校 核 者 含 水 量 记录阶 段 盒 质 量(g) 盒 +湿 土质 量 (g) 盒 +干 土质 量 (g) 水 质 量(g) 干 土 质量 (g) 含 水 量(%) 平 均 含水
20、量 (%) 饱 和 度(%)起 始 的剪 切 后反 压 力 饱 和 和 固 结 排 水 记录反 压 力 饱 和 固 结 排 水试 样 体 积 变 化 排 水 管 孔 隙 压 力 体 变 管时 间(min)周 围压 力(kPa)反 压 力(kPa)孔 隙压 力(kPa)孔 隙 压力 增 量(kPa) 读 数体 变 量(cm3)时 间(min) 读 数 排 出 水 量(cm3) 读 数 压 力 值(kPa) 读 数 体 变 量(cm3)排 水 剪 切 记录周 围 压 力 ： kPa 固 结 下 沉 量 ： h cm剪 切 速 率 ： mm/min 固 结 后 高 度 ： hc cm量 力 环 校
21、正 系 数 ： C N/0.01mm 固 结 后 面 积 ： Ac cm2孔 隙 压 力轴 向 变形 读 数hi(0.01mm)轴 向 应 变ci1(%)试 样 校 正 后面 积 1caA(cm2)量 力 环 量 表读 数R(0.01mm)主 应 力 差 aAC(kPa)大 主 应 力 31(kPa)读 数压 力值(kPa)有 效大 主应 力(kPa)有 效小 主应 力(kPa)有 效 主应 力 比(kPa)阶 段 直 径(cm) 高 度(cm) 面 积(cm2) 体 积(cm3) 质 量(g) 密 度(g/cm3) 干 密 度(g/cm3)起 始 的固 结 后剪 切 后(kPa)(kPa)O附图 10.12 固结不排水剪强度包线试样状态记录
