《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 2

PAGE1實(shí)驗(yàn)五土的三軸剪切試驗(yàn)學(xué)時：2學(xué)時實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：綜合型實(shí)驗(yàn)一、目的要求：土的三軸剪切試驗(yàn)是綜合性試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)的設(shè)計，能獲得在不同的排水條件下土的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系和強(qiáng)度參數(shù)。通過試驗(yàn)加深對土力學(xué)基本理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。掌握土的三軸剪切試驗(yàn)基本原理和試驗(yàn)方法，了解試驗(yàn)的儀器設(shè)備，熟悉試驗(yàn)的操作步驟，掌握三軸剪切試驗(yàn)成果的整理方法，根據(jù)試驗(yàn)成果繪制應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線，計算土的內(nèi)聚力和摩擦角。二、試驗(yàn)原理：一般認(rèn)為，土體的破壞條件用莫爾－庫侖（Mohr-Coulomb）破壞準(zhǔn)則：土體在各向主應(yīng)力作用下，作用在某一應(yīng)力面上的剪應(yīng)力與法向應(yīng)力之比達(dá)到某一比值，土體將沿該面發(fā)生剪切破壞。莫爾－庫侖破壞準(zhǔn)則的表達(dá)式為：。大主應(yīng)力，小主應(yīng)力，土的粘聚力，土的內(nèi)摩擦角。三軸剪切試驗(yàn)就是根據(jù)莫爾－庫侖破壞準(zhǔn)則測定土的強(qiáng)度參數(shù)粘聚力和內(nèi)摩擦角。三、試驗(yàn)方法：根據(jù)加載類型的不同，三軸剪切試驗(yàn)又可分為三種試驗(yàn)方法：不固結(jié)不排水剪(UU)；固結(jié)不排水剪(CU)；固結(jié)排水剪(CU)。四、儀器設(shè)備：1．應(yīng)變控制式三軸儀(圖5.1—1)：由壓力室、軸向加壓設(shè)備、周圍壓力系統(tǒng)、反壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力量測系統(tǒng)、軸向變形和體積變化量測系統(tǒng)組成。2．附屬設(shè)備：包括擊樣器、飽和器、切土器、原狀土分樣器、切土盤、承膜筒和對開圓膜，應(yīng)符合下圖要求：1)擊樣器(圖5.1－2)，飽和器(圖5.1－3)。2)切土盤、切土器和原狀土分樣器(圖5.1－4)。3)承膜筒及對開圓模(圖5.1—5及圖5.1—6)。3．天平：稱量200g，最小分度值0.0lg；稱量1000g，最小分度值0.1g。4．橡皮膜：應(yīng)具有彈性的乳膠膜，對直徑39.1和61.8mm的試樣；厚度以0.1～0.2mm為宜，對直徑101mm的試樣，厚度以0.2～0.3為宜。圖5.1－1應(yīng)變控制式三軸儀圖5.1－2擊樣器圖5.1－3飽和器1－套環(huán)；2－定位螺絲；3－導(dǎo)桿；4－擊錘；1－圓模(3片)；2－緊箍5－底板；6－套筒；7－擊樣筒；8－底座3－夾板；4－拉桿；5－透水板圖5.1－4原裝土和土盤分樣器圖5.1－5承膜筒圖5.1－6對開圓模五、試驗(yàn)步驟：（一）不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)步驟1試樣的安裝步驟：I在壓力室的底座上，依次放上不透水板、試樣及不透水試樣帽，將橡皮膜用承膜筒套在試樣外，并用橡皮圈將橡皮膜兩端與底座及試樣帽分別扎緊。Ⅱ?qū)毫κ艺猪敳炕钊岣撸畔聣毫κ艺?，將活塞對?zhǔn)試樣中心，并均勻地擰緊底座連接螺母。向壓力室內(nèi)注滿純水，待壓力室頂部排氣孔有水溢出時，擰緊排氣孔，并將活塞對準(zhǔn)測力計和試樣頂部。Ⅲ將離合器調(diào)至粗位，轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪；當(dāng)試樣帽與活塞及測力計接近時，將離合器調(diào)至細(xì)位，改用細(xì)調(diào)手輪，使試樣帽與活塞及測力計接觸，裝上變形指示計，將測力計和變形指示計調(diào)至零位。Ⅳ關(guān)排水閥，開周圍壓力閥，施加周圍壓力。2剪切試樣應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：I剪切應(yīng)變速率宜為每分鐘應(yīng)變0.5％～1.0％。Ⅱ啟動電動機(jī)，合上離合器，開始剪切。試樣每產(chǎn)生0.3％～0.4％的軸向應(yīng)變(或0.2mm變形值)，測記一次測力計讀數(shù)和軸向變形值。當(dāng)軸向應(yīng)變大于3％時，試樣每產(chǎn)生0.％～0.8％的軸向應(yīng)變(或o．5mm變形值)，測記一次。Ⅲ當(dāng)測力計讀數(shù)出現(xiàn)峰值時，剪切應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行到軸向應(yīng)變?yōu)?5％～20％。Ⅳ試驗(yàn)結(jié)束，關(guān)電動機(jī)，關(guān)周圍壓力閥，脫開離合器，將離合器調(diào)至粗位，轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪，將壓力室降下，打開排氣孔，排除壓力室內(nèi)的水，拆卸壓力室罩，拆除試樣，描述試樣破壞形狀，稱試樣質(zhì)量，并測定含水率。3軸向應(yīng)變應(yīng)按下式計算：。式中，軸向應(yīng)變(％)；剪切過程中試樣的高度變化(mm)；試樣初始高度(mm)。4試樣面積的校正i應(yīng)按下式計算：。式中，試樣的校正斷面積()；試樣的初始斷面積()。5主應(yīng)力差應(yīng)按下式計算：。式中，主應(yīng)力差(kPa)；大總主應(yīng)力(kPa)；小總主應(yīng)力(kPa)；C測力計率定系數(shù)(N／0.01mm或N／mV)；R——測力計讀數(shù)(0.01mm)；10單位換算系數(shù)。圖5.2主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線圖5.3不固結(jié)不排水剪強(qiáng)度包線6以主應(yīng)力差為縱坐標(biāo)，軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)；繪制主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(圖5.2)。取曲線上主應(yīng)力差的峰值作為破壞點(diǎn)，無峰值時，取15％軸向應(yīng)變時的主應(yīng)力差值作為破壞點(diǎn)。7以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，怯向應(yīng)力為橫坐標(biāo)，在橫坐標(biāo)軸以破壞時的為圓心，以為半徑，在應(yīng)力平面上繪制破損應(yīng)力圓，并繪制不同周圍壓力下破損應(yīng)力圓的包線，求出不排水強(qiáng)度參數(shù)(圖5.3)。（二）固結(jié)不排水剪試驗(yàn)步驟1試樣的安裝步驟：Ⅰ開孔隙水壓力閥和量管閥，對孔隙水壓力系統(tǒng)及壓力室底座充水排氣后，關(guān)孔隙水壓力閥和量管閥。壓力室底座上依次放上透水板、濕濾紙、試樣、濕濾紙、透水板，試樣周圍貼浸水的濾紙條7～9條。將橡皮膜用承膜筒套在試樣外，并用橡皮圈將橡皮膜下端與底座扎緊。打開孔隙水壓力閥和量管閥，使水緩慢地從試樣底部流入，排除試樣與橡皮膜之間的氣泡，關(guān)閉孔隙水壓力閥和量管閥。打開排水閥，使試樣帽中充水，放在透水板上，用橡皮圈將橡皮膜土端與試樣帽扎緊，降低排水管，使管內(nèi)水面位于試樣中心以下20～40cm，吸除試樣與橡皮膜之間的余水，關(guān)排水閥。需要測定土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系時，應(yīng)在試樣與透水板之間放置中間夾有硅脂的兩層圓形橡皮膜，膜中間應(yīng)留有直徑為lcm的圓孔排水。Ⅱ壓力室罩安裝、充水及測力計調(diào)整應(yīng)按不固結(jié)不排水的步驟進(jìn)行。2試樣排水固結(jié)應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：Ⅰ調(diào)節(jié)排水管使管內(nèi)水面與試樣高度的中心齊平，測記排水管水面讀數(shù)。Ⅱ開孔隙水壓力閥，使孔隙水壓力等于大氣壓力，關(guān)孔隙水壓力閥，記下初始讀數(shù)。Ⅲ將孔隙水壓力調(diào)至接近周圍壓力值，施加周圍壓力后，再打開孔隙水壓力閥，待孔隙水壓力穩(wěn)定測定孔隙水壓力。Ⅳ打開排水閥。固結(jié)完成后，關(guān)排水閥，測記孔隙水壓力和排水管水面讀數(shù)。Ⅴ微調(diào)壓力機(jī)升降臺，使活塞與試樣接觸，此時軸向變形指示計的變化值為試樣固結(jié)時的高度變化。3剪切試樣應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：Ⅰ剪切應(yīng)變速率粘土宜為每分鐘應(yīng)變0.05％～0.1％；粉土為每分鐘應(yīng)變0.1％～0.5％。Ⅱ?qū)y力計、軸向變形指示計及孔隙水壓力讀數(shù)均調(diào)整至零。Ⅲ啟動電動機(jī)，合上離合器，開始剪切。測力計、軸向變形、孔隙水壓力應(yīng)按不固結(jié)不排水中的步驟進(jìn)行測記。Ⅳ試驗(yàn)結(jié)束，關(guān)電動機(jī)，關(guān)各閥門，脫開離合器+將離合器調(diào)至粗位，轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪，將壓力室降下，打開排氣孔，排除壓力室內(nèi)的水，拆卸壓力室罩，拆除試樣，描述試樣破壞形狀，稱試樣質(zhì)量，并測定試樣含水率。4試樣固結(jié)后的高度，應(yīng)按下式計算：。式中，試樣固結(jié)后的高度(cm)；試樣固結(jié)后與固結(jié)前的體積變化()。5試樣固結(jié)后的面積，應(yīng)按下式計算：。式中，試樣固結(jié)后的斷面積()。6試樣面積的校正，應(yīng)按下式計算：。式中，。7主應(yīng)力差按不固結(jié)不排水試驗(yàn)中給出的公式計算。8有效主應(yīng)力比應(yīng)按下式計算：Ⅰ有效大主應(yīng)力：。式中，有效大主應(yīng)力(kPa)；孔隙水壓力(kPa)。Ⅱ有效小主應(yīng)力：。式中，——有效大主應(yīng)力(kPa)。Ⅰ有效主應(yīng)力比：。9孔隙水壓力系數(shù)，應(yīng)按下式計算：Ⅰ初始孔隙水壓力系數(shù)：。式中，B初始孔隙水壓力系數(shù)；施加周圍壓力產(chǎn)生的孔隙水壓力(kPa)。Ⅱ破壞時孔隙水壓力系數(shù)：。式中，破壞時的孔隙水壓力系數(shù)；試樣破壞時，主應(yīng)力差產(chǎn)生的孔隙水壓力(kPa)。10主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線，應(yīng)按不固結(jié)不排水中的規(guī)定繪制11以有效應(yīng)力比為縱坐標(biāo)，軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，繪制有效應(yīng)力比與軸向應(yīng)變曲線(圖5.4)。12以孔隙水壓力為縱坐標(biāo)，軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，繪制孔隙水壓力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(圖5.5)。13以為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)，繪制有效應(yīng)力路徑曲線(圖5.6)。并計算有效內(nèi)摩擦角和有效粘聚力。圖5.4有效應(yīng)力比與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線圖5.5孔隙水壓力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線圖5.6應(yīng)力路徑曲線Ⅰ有效內(nèi)摩擦角：。式中，有效內(nèi)摩擦角()；應(yīng)力路徑圖上破壞點(diǎn)連線的傾角()。Ⅱ有效粘聚力：。式中，有效粘聚力(kPa)；d應(yīng)力路徑上破壞點(diǎn)連線在縱軸上的截I~(kPa)。14以主應(yīng)力差或有效主應(yīng)力比的峰值作為破壞點(diǎn)，無峰值時，以有效應(yīng)力路徑的密集點(diǎn)或軸向應(yīng)變15％時的主應(yīng)力差值為破壞點(diǎn)，按固結(jié)不排水中的規(guī)定繪制破損應(yīng)力圓及不同圍壓力下的破損應(yīng)力圓包線，并求出總應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)；有效內(nèi)摩擦角和有效粘聚力，應(yīng)以為圓心，為半徑繪制有效破損應(yīng)力圓確定(圖5.7)。圖5.7固結(jié)不排水剪強(qiáng)度包線（三）固結(jié)排水剪試驗(yàn)步驟1試樣的安裝、固結(jié)、剪切應(yīng)按固結(jié)不排水中的步驟進(jìn)行。但在剪切過程中應(yīng)打開排水閥。剪切速率采用每分鐘應(yīng)變0.003％～0.012％。2試樣固結(jié)后的高度、面積，應(yīng)按固結(jié)不排水給出的公式進(jìn)行計算。3剪切時試樣面積的校正，應(yīng)按下式計算：。式中，剪切過程中試樣的體積變化()；剪切過程中試樣的高度變化