三軸剪切試驗

試驗九三軸剪切試驗一、概述三軸剪切試驗是試樣在某一固定周圍壓力下逐漸增大軸向壓力直至試樣破壞的一種抗剪強度試驗是以摩爾-庫侖強度理論為依據(jù)而設計的三軸向加壓的剪力試驗。三軸剪切試驗是測定土體抗剪強度的一種比較完善的室內(nèi)試驗方法通常采用3~4個圓柱形試樣分別在不同的周圍壓力下測得土的抗剪強度再利用摩爾-庫侖破壞準則確定土的抗剪強度參數(shù)。三軸剪切試驗可以嚴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那樣限定在上下盒之間同時三軸剪切試驗還可以模擬建筑物和建筑物地基的特點以及根據(jù)設計施工的不同要求確定試驗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等工程有著特別重要的意義。二、試驗方法根據(jù)土樣固結(jié)排水條件和剪切時的排水條件三軸試驗可分為不固結(jié)不排水剪試驗UU、固結(jié)不排水剪試驗CU、固結(jié)排水剪試驗CD以及K0固結(jié)三軸試驗等。以下僅對不固結(jié)不排水剪UU試驗進行詳細介紹。1、不固結(jié)不排水剪試驗UU試樣在施加周圍壓力和隨后施加偏應力直至剪壞的整個試驗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力抗剪強度指標cuu。2、固結(jié)不排水剪試驗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定土體的孔隙水壓力可以測得總應力抗剪強度指標ccucu和有效應力抗剪強度指標c’’。3、固結(jié)排水剪試驗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過程中測讀排水量以計算試樣體積變化可以測得有效應力抗剪強度指標cdd。4、K0固結(jié)三軸剪切試驗常規(guī)三軸試驗是在等向固結(jié)壓力O1=02=03條件下排水固結(jié)而K0固結(jié)三軸試驗是按。3=02=K0o1施加周圍壓力使試樣在不等向壓力下固結(jié)排水然后再進行不排水剪或排水剪試驗。三、儀器設備1、三軸儀三軸儀依據(jù)施加軸向荷載方式的不同可以分為應變控制式和應力控制式兩種目前室內(nèi)三軸試驗基本上采用的是應變控制式三軸儀。應變控制式三軸儀由以下幾個組成部分圖9-1圖9-1應變控制式三軸剪切儀—調(diào)壓筒一周圍壓力表一周圍壓力閥一排水閥一體變管子一排水管一變形量表一量力環(huán)一排氣孔10一軸向加壓設備11—壓力室12—量管閥13一零位指示器14一孔隙壓力表15—量管16一孔隙壓力閥17—離合器18一手輪19—馬達20一變速箱三軸壓力室。壓力室是三軸儀的主要組成部分它是一個由金屬上蓋、底座以及透明有機玻璃圓筒組成的密閉容器壓力室底座通常有個小孔分別與1穩(wěn)壓系統(tǒng)以及體積變形和孔隙水壓力量測系統(tǒng)相連。軸向加荷系統(tǒng)。采用電動機帶動多級變速的齒輪箱或者采用可控硅無極調(diào)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)及試驗方法確定。軸向壓力量測系統(tǒng)。施加于試樣上的軸向壓力由測力計量測測力計由線形和重復性較好的金屬彈性體組成測力計的受壓變形由百分表或位移傳感器測讀軸向壓力也可由荷重傳感器來測得。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壓力室的壓力進行自動補償而達到穩(wěn)定的周圍壓力。孔隙水壓力量測系統(tǒng)?？紫端畨毫τ煽讐簜鞲衅鳒y得。軸向變形量測系統(tǒng)。軸向變形由長距離百分表0~30mm百分表或位移傳感器測得。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際應力狀態(tài)或提高試件的飽和度以及測量試件的體積變化。2、附屬設備(1)擊實筒和飽和器圖9~2擊實筒套環(huán)筒緊箍底板桿透水石2圖9~4切土盤9~6原狀土分樣器承膜筒和砂樣制備模筒圖9~7圖9~8定位螺絲夾板套筒圖9~2圖9~3。圖9~3飽和器導桿擊錘飽和器底板土樣切土盤、切土器、切土架和原狀土分樣器圖9-4?圖9-5圖9~5切土器和切土架圖天平。稱量200g、最小分度值0.01g稱量1000g、最小分度值0.1g。游標卡尺。其他如乳膠薄膜、橡皮筋、透水石、濾紙、切土刀、鋼絲鋸、毛玻璃板、空氣壓縮機、真空抽氣機、真空飽和抽水缸及稱量盒等。四、試驗前的檢查和準備1、儀器性能檢查圖9~7承膜筒圖9~8砂樣制備模筒三軸儀底座透水石3圓箍(1)(2)(3)(4)(5)(6)透水石試樣制樣圓膜兩片合成承膜筒橡皮膜上帽橡皮膜橡皮圈儀器底吸氣孔周圍壓力和反壓力控制系統(tǒng)的壓力源空氣壓縮機的壓力控制器調(diào)壓閥的靈敏度及穩(wěn)定性精密壓力表的精度和誤差穩(wěn)壓系統(tǒng)是否存在漏氣現(xiàn)象管路系統(tǒng)的周圍壓力、孔隙水壓力、反壓力和體積變化裝置以及試樣上下端通道接頭處是否存在漏氣漏水或阻塞現(xiàn)象孔壓及體變的管道系統(tǒng)內(nèi)是否存在封閉氣泡若有封閉氣泡可用無氣泡水進行循環(huán)排氣土樣兩端放置的透水石是否暢通和浸水飽和9乳膠薄膜套的漏氣漏水檢查等。2、試驗前的準備工作除了對儀器性能進行檢查外還應根據(jù)試驗要求做如下的準備工作根據(jù)工程特點和土的性質(zhì)確定試驗方法和需測定的參數(shù)根據(jù)土樣的制備方法和土樣特性選擇飽和方法根據(jù)試驗方法和土的性質(zhì)選擇剪切速率根據(jù)取土深度、土的應力歷史以及試驗方法確定周圍壓力的大小根據(jù)土樣的多少和均勻程度確定單個試樣多級加荷還是多個試樣分級加荷。五、試樣制備與飽和1、試樣制備試樣應切成圓柱形形狀試樣直徑為①39.1mm、061.8mm或①101mm相應的試樣高度分別為80mm,150mm或200mm試樣高度與試樣直徑的關系一般為2~2.5倍試樣的允許最大粒徑與試樣直徑之間的關系見表9-1。表9-1試樣的允許最大粒徑與試樣直徑的關系表試樣直徑(mm)允許最大粒徑d(mm)3.91TOC\o"1-5"\h\zd1/10D461.8d1/10D101.0d1/5D原狀土試樣制備對于較軟的土樣先用鋼絲鋸或切土刀切取一稍大于規(guī)定尺寸的土柱放在切土盤的上下圓盤之間然后用鋼絲鋸緊靠側(cè)板由上往下細心切削邊切削邊轉(zhuǎn)動圓盤直至土樣被削成規(guī)定的直徑為止。對于較硬的土樣先用切土刀切取一稍大于規(guī)定尺寸的土柱放在切土架上用切土器切削土樣邊削邊壓切土器直至切削到超出試樣高度約2cm為止。取出試樣并用對開模套上然后將兩端削平稱量并取余土測定試樣的含水量。擾動土和砂土試樣制備對于擾動土按預定的干密度和含水量將擾動土拌勻然后分層裝入擊實筒內(nèi)擊實粉質(zhì)土分3~5層粘質(zhì)土分5~8層并在各層面上用切土刀刨毛以利于兩層面之間結(jié)合。對于砂土先在壓力室底座上依次放上透水石、濾紙、乳膠薄膜和對開圓模筒然后根據(jù)一定的密度要求分三層裝入圓筒內(nèi)擊實。如果制備飽和砂樣可在圓模筒內(nèi)通入純水至1/3高將預先煮沸的砂料填入重復此步驟使砂樣達到預定高度放上濾紙、透水石、頂帽扎緊乳膠膜。為使試樣能直立可對試樣內(nèi)部施加5kPa的負壓力或用水管降低50cm水頭即可然后拆除對開模筒。2、試樣飽和真空抽氣飽和法。將制備好的土樣放入飽和器內(nèi)置于真空飽和缸為提高真空度可在蓋縫中涂上一層凡士林以防漏氣。將真空抽氣機與真空飽和缸接通開動抽氣機當真空壓力達到一個大氣壓時微微開啟管夾使清水徐徐注入真空飽和缸的試樣中待水面超過土樣飽和器后使真空表壓力保持一個大氣壓不變即可停止抽氣。然后靜置大約10h左右使試樣充分吸水飽和。也可將試樣裝入飽和器后先浸沒在帶有清水注入的真空飽和缸內(nèi)連續(xù)真空抽氣2~4h。然后停止抽氣靜置12h左右即可。水頭飽和法。將試樣裝入壓力室內(nèi)施加20kPa周圍壓力使無氣泡5的水從試樣底座進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。反壓力飽和法。試件在不固結(jié)不排水條件下在土樣頂部施加反壓力但同時應在試樣周圍施加側(cè)壓力反壓力應低于側(cè)壓力5kPa當試樣底部孔隙壓力其比值?u/?O30.98時被認為是飽和的否則再增加反壓力和側(cè)壓力使土體內(nèi)氣泡繼續(xù)縮小直至滿足?u/?。30.98的條件。六、不固結(jié)不排水剪UU試驗不固結(jié)不排水剪UU試驗可分為不測孔隙水壓力和測孔隙水壓力兩種。前者試樣兩端放置不透水板后者試樣兩端放置透水石并與測定孔隙水壓力裝置連通。1、操作步驟試樣安裝。先把乳膠薄膜裝在承膜筒內(nèi)用吸氣球從氣嘴中吸氣使乳膠薄膜貼緊筒壁套在制備好試樣外面將壓力室底座的透水石與管路系統(tǒng)以及孔隙水測定裝置充水并放上一張濾紙然后再將套上乳膠膜的試樣放在壓力室的底座上翻下乳膠膜的下端與底座用橡皮筋扎緊翻開乳膠膜的上端與土樣帽用橡皮筋扎緊最后裝上壓力筒并擰緊密封螺帽同時使傳壓活塞與土樣帽接觸。施加周圍壓力。3。周圍壓力的大小根據(jù)土樣埋深或應力歷史來決定若土樣為正常壓密狀態(tài)則3~4個土樣的周圍壓力應在自重應力附近選擇不宜過大以免擾動土的結(jié)構(gòu)。在不排水條件下測定試樣的孔隙水壓力u。⑷調(diào)整量測軸向變形的位移計和軸向壓力測力計的初始“零點”讀數(shù)。⑸施加軸向壓力。啟動電動機剪切應變速率取每分鐘0.5%~1.0%當試樣每產(chǎn)生軸向應變?yōu)?.3%~0.4%時測記一次測力計、孔隙水壓力和軸向變形讀數(shù)直至軸向應變?yōu)?0%時為止。試驗結(jié)束即停機卸除周圍壓力并拆除試樣描述試樣破壞時形狀。2、成果整理(1)按式9-1和式9-2計算孔隙水壓力系數(shù)()190?=Bau36()29)(uu310f??B?=A式中B在周圍壓力O3作用下的孔隙水壓力系數(shù)A——土體破壞時的孔隙水壓力系數(shù)u0——在周圍壓力a3作用下土體孔隙水壓力(kPa)a3周圍壓力(kPa)uf土體破壞時的孔隙水壓力(kPa)a1——土體破壞時大主應力(kPa)2按式9-3和式9-4計算軸向應變和剪切過程中平均斷面積)39(%10001?X△￡hh￡Aa=A0/(1-￡1)(9—4)式中￡1軸向應變%Z?h軸向變形(mm)h0土樣初始高度(mm);Aa剪切過程中平均斷面積(cm2);A0土樣初始斷面積(cm2);(3)按式9-5計算主應力差)59(10)1(100131?X?=X=?ACRACRa￡aa式中a1a3主應力差(kPa)a1大主應力(kPa)a3小主應力(kPa)C——測力計率定系數(shù)N/0.01mmR——測力計讀數(shù)0.01mm10——單位換算系數(shù)。繪制主應力差與軸向應變關系曲線以主應力差O1——O3為縱坐標軸向應變￡1為橫坐標繪制主應力差與軸7向應變關系曲線圖9-9。若有峰值時取曲線上主應力差的峰值作為破壞點若無峰值時則取15%軸向應變時的主應力差值作為破壞點。5繪制強度包線以剪應力T為縱坐標法向應力。為橫坐標在橫坐標軸以破壞時的(。1fO3f)/2為圓心以(。1fo3f)/2為半徑在T?。坐標系上繪制破壞總應力圓并繪制不同周圍壓力下諸破壞總應力圓的包線圖9-10包線的傾角為內(nèi)摩擦角Uu包線在縱軸上的截距為粘聚力cu。圖9-9主應力差與軸向應變關系曲線圖9-10不固結(jié)不排水剪強度包線3、試驗記錄不固結(jié)不排水剪三軸試驗記錄見表9-2。表9-2不固結(jié)不排水剪三軸試驗記錄表工程名稱試驗者工程編號計算者試驗日期校