三軸壓縮實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)四三軸壓縮實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：綜合性實(shí)驗(yàn)）一、概述1910年摩爾（Mohr）提出材料的破壞是剪切破壞，并指出在破壞面上的剪應(yīng)力是為該面上法向應(yīng)力的函數(shù)，即f f()圖4-1 摩爾包線這個(gè)函數(shù)在 f 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(shí)， 滑動(dòng)面上法向 應(yīng)力與剪應(yīng)力 f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(kù)侖定律所表示的方程（ C tg ）。由庫(kù)侖公式表示摩爾包線的 土體強(qiáng)度理論可稱為摩爾-庫(kù)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(shí)，就發(fā)生剪切破 壞，該點(diǎn)也即處

2、于極限平衡狀態(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1和3，則在土體內(nèi)與大主應(yīng)力 1作用面成任意角 的平面a a上的正應(yīng)力 和剪應(yīng)力，可用坐標(biāo)系中直徑為（13）的摩爾應(yīng)力圓上的一點(diǎn)（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)2,如圖4-2中之A點(diǎn)）的坐標(biāo)大小來表示，即112( 13)( 13)cos221( 13)sin 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(gè)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(huì)發(fā)生剪切破壞； 摩爾壓力圓與抗剪強(qiáng)度包線相割（圓川），表明該點(diǎn)某些平面上的剪應(yīng)力已超過了土

3、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(kù)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1，直至試樣破壞，據(jù)此可作出一個(gè)極限應(yīng)力圓。用同一種土樣的34個(gè)試件分別在不同的周圍壓力 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和圓川。作出這些極限應(yīng)力圓的公切線

4、，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 3作用；b）破壞時(shí)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(cè)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(cè)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(shí)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(shí)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(duì)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義。二、實(shí)驗(yàn)方

5、法根據(jù)土樣固結(jié)排水條件和剪切時(shí)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(gè)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(cè)得總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo) cu ， u。2 固結(jié)不排水剪實(shí)驗(yàn)（ CU） 試樣在施加周圍壓力時(shí)，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(shí)在受剪過程中，測(cè)得土體的孔隙水壓力， 可以測(cè)得總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度強(qiáng)度指標(biāo) ccu

6、， cu 和有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo) c ， 。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(shí)在試驗(yàn)過程中測(cè)讀排水量以計(jì)算試樣的體積變化， 可以測(cè)得有效應(yīng)力 抗剪強(qiáng)度指標(biāo) cd ， 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（ 123 ）條件下排水固結(jié)，而 K0 固結(jié)三軸試驗(yàn)是按 32 k0 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

7、。應(yīng)變控制式三軸儀由以下幾部分組成（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(gè)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(gè)小孔分別與圍壓系統(tǒng)、 體 積變形以及孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)相連。（ 2 ）軸向加荷系統(tǒng)。采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)多級(jí)變速的齒輪箱，或者采用可控硅無級(jí) 變速，并通過傳動(dòng)系統(tǒng)使壓力室自下而上的移動(dòng)，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(cè)量系統(tǒng)。施加于試樣上的軸向壓力由測(cè)力計(jì)量測(cè)，測(cè)力計(jì)由線 性和重復(fù)性較好的金屬?gòu)椥泽w組成，測(cè)力計(jì)的受壓變形由百分表或位移傳感器測(cè)讀。（4）周圍壓力穩(wěn)壓系統(tǒng)

8、。采用調(diào)壓閥控制，調(diào)壓閥控制到某一固定壓力后，它 將壓力室的壓力進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償而達(dá)到穩(wěn)定的周圍壓力。（5）孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)。孔隙水壓力由孔壓傳感器測(cè)得。(6) 軸向變形量測(cè)系統(tǒng)。軸向變形長(zhǎng)距離百分表(030mm百分表)或位移傳感器測(cè)得。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

9、，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測(cè)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80mm 150mm 200mm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/101

10、01.0d<D/5對(duì)于較軟的土樣，用鋼絲鋸或切土刀在切土盤上制樣；對(duì)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(cè)，并按下式計(jì)算平均直徑D1 2D2 D3 D -4式中Di D- D-分別為試樣上、中、下部位的直徑。與此同時(shí)，取切下的余土，平行 測(cè)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(gè)大氣壓時(shí)，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

11、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1m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(shí)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(duì)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

12、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，安裝時(shí)應(yīng)先將活塞提高，以防碰撞試樣，然后將活塞對(duì)準(zhǔn) 試樣帽中心，并旋緊壓力室密封螺帽，再將測(cè)力環(huán)對(duì)準(zhǔn)活塞。5 向壓力室充水，當(dāng)壓力室快注滿水時(shí)，降低進(jìn)水速度，當(dāng)水從排水孔溢出時(shí)，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(cè)力環(huán)的量表微動(dòng)，表示活塞與試樣接觸，然后將測(cè)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(dòng)電動(dòng)機(jī)開始剪切，剪切速率宜為每分鐘應(yīng)變0.5%1.0%。80

13、mm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(shí)記測(cè)力環(huán)量表 讀數(shù)和垂直位移量表讀數(shù)各一次。當(dāng)接近峰值時(shí)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%的垂直應(yīng)變或剪至總垂直應(yīng)變的15%后停止試驗(yàn)，若測(cè)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(dòng)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(cè)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(gè)試樣的試驗(yàn)。六、成果整理1. 計(jì)算軸

14、向應(yīng)變1 一 100%h0式中 1軸向應(yīng)變（）;一軸向變形（mm）;一0 土樣初始高度（mm ）。2 .計(jì)算剪切過程中試樣的平均面積:Aq式中 Aa 剪切過程中平均斷面積（cm2）Ao -土樣初始斷面積（cm2）1 軸向應(yīng)變（）3.計(jì)算主應(yīng)力差式中CRAaCR(1 JAo3 主應(yīng)力差（kPa）1 大主應(yīng)力（kPa）3 小主應(yīng)力（kPa）C 測(cè)力計(jì)率定系數(shù)（N/0.01 mm）R 測(cè)力計(jì)讀數(shù)（0.01 mm）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（i 3 ）為縱坐標(biāo)，軸向應(yīng)變1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(shí)，取曲線上主應(yīng)力差的峰值

15、作為破壞點(diǎn)；若無 峰值時(shí)，則取15%軸向應(yīng)變時(shí)的主應(yīng)力差值作為破壞點(diǎn)。1|1/ J110 t5 M圖4-6不固結(jié)不排水剪強(qiáng)度包線圖4-5主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線5 繪制強(qiáng)度包線以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)，在橫坐標(biāo)軸上以破壞時(shí)的_1ff 為圓心，以 為半徑，在 坐標(biāo)系上繪制破壞總應(yīng)力圓，2 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)摩擦角口 ,包線在縱坐標(biāo)上的截距為粘聚力cu 。八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.試驗(yàn)?zāi)康?、原理及意義:試驗(yàn)?zāi)康模豪斫馊S試驗(yàn)與直剪試驗(yàn)的特點(diǎn)，增加感性認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)整理三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù),并求出砂土的固結(jié)排水剪強(qiáng)度指標(biāo)2. 試驗(yàn)原理：采用34個(gè)圓柱形試樣

16、，分別在不同的恒定周圍壓力(即小主應(yīng)力)下， 施加軸向壓力即產(chǎn)生主應(yīng)力，進(jìn)行剪切直至破壞；然后根據(jù)摩爾-庫(kù)倫理論求得抗剪強(qiáng)度參數(shù)。3. 意義：根據(jù)實(shí)際的工程需要選擇合適的試驗(yàn)方法，提供合理的強(qiáng)度指標(biāo)。為有限元等數(shù)值分析提供所需的參數(shù)4. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備(如上)5. 實(shí)驗(yàn)記錄及成果分析(1) 三軸實(shí)驗(yàn)記錄(2) 試樣直徑d=3.98 cm試樣高度 h= 7.8 cm 試樣面積A= 12.44 cm2 試樣體積 V 97.04 cm3(3) 試樣質(zhì)量 m=g 鋼環(huán)系數(shù)C= 7.45 N/0.01mm剪切速率= mm/min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)3RP CR