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3~4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\phi 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 {\sigma _3}和轴向偏应力({\sigma _1} - {\sigma _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

若由活塞杆所加的试样破坏时的压力强度为q{\sigma _1} - {\sigma _3},小主应力是周围压力 {\sigma _3}。由一个试样所得的
 {\sigma _1} {\sigma _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 \phi ,附图10.1所示。

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s3,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。

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。

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.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,检查孔隙压力量测系统的体积因数,要求该体积因数小于1.5´10-5cm3/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:

{D_0} = \frac{{{D_1} + 2{D_2} + {D_3}}}{4}              附10.1

式中:D1、D2、D3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。

⑴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。

⑵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。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5~10kPa为宜,再进行水头饱和。

⑶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10~50kPa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\Delta u/\Delta {\sigma _3}>0.98时,认为试样饱和。

4、试样安装

⑴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7~9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。

⑵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。

⑶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,使水徐徐流人试样与橡皮膜间,以排除夹气,然后关阀。

⑷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。

⑸降低排水管,使其水面降至试样中心高程以下20~40cm,吸出试样与橡皮膜之间多余水分,然后关闭排水阀。   

⑹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。

⑺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。

⑻开周围压力阀,施加所需的周围压力{\sigma _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。

⑼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

⑴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,减去孔隙水压力表起始读数,即为周围压力下试样的孔隙水压力u

⑵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\Delta 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

⑴选择剪切速率。粉质土每分钟应变为0.1~0.5%,一般粘质土每分钟应变为0.1~0.05%。

⑵开动马达,合上离合器进行剪切。试样每产生垂直应变0.3~0.4%,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0.7~0.8%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3~5%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15~20%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,重复上述步骤进行。

五、计算与记录

1、计算

⑴试样固结后的高度按下式计算:

{h_c} = {h_0}{(1 - \frac{{\Delta V}}{{{V_0}}})^{\frac{1}{3}}}    附10.2

式中  hc——试样固结后的高度,cm;
         h0——试样固结前的高度,cm;
          \Delta {\rm{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),cm3;
          V0——试样固结前的体积,cm3。

⑵试样固结后的面积按下式计算:

{A_c} = {A_0}{(1 - \frac{{\Delta V}}{{{V_0}}})^{\frac{2}{3}}}  附10.3

式中  Ac——试样固结后的面积,cm2

          A0——试样固结前的面积,cm2

⑶剪切时试样的校正面积按下式计算:

{A_a} = \frac{{{A_c}}}{{1 - {\varepsilon _1}}}                附10.4

式中  Aa——试样的校正面积,cm2

 {\varepsilon _1}——轴向应变,%,
{\varepsilon _1} = \Delta {h_i}/{h_c}
\Delta {h_i}]——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{\sigma _1} - {\sigma _3}的计算:

{\sigma _1} - {\sigma _3} = \frac{{CR}}{{{A_a}}} \times 10 附10.5

式中  {\sigma _1}——大主应力,kPa;
          {\sigma _3}——大主应力,kPa;
          C——量力环率定系数,N/0.01mm;
          R——量力环量表读数,0.01mm;
         Aa——试样剪切时的面积,cm2;
         10——单位换算系数。

⑶有效主应力按下式计算:

{\sigma '_1} = {\sigma _1} - u                           附10.6
{\sigma '_3} = {\sigma _3} - u                           附10.7

式中  {\sigma '_1}——有效大主应力,kPa;
          {\sigma '_3}——有效小主应力,kPa;
          u——孔隙水应力,kPa。

⑷有效主应力比按下式计算:

\frac{{{{\sigma '}_1}}}{{{{\sigma '}_3}}} = 1 + \frac{{{{\sigma '}_1} - {{\sigma '}_3}}}{{{{\sigma '}_3}}}                             附10.8

⑸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:

B = \frac{{{u_0}}}{{{\sigma _3}}}               附10.9

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

{A_f} = \frac{{{u_f}}}{{B({\sigma _1} - {\sigma _3})}}    附10.10

式中  uf——试样破坏时,在主应力差({\sigma _1} - {\sigma _3})下产生的孔隙压力,kPa。

2、制图

(1)绘制主应力差(s1s3)与轴向应变e1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e1的关系曲线,如附图10.11。

(3)绘制固结不排水剪强度包线,如附图10.12。

以法向应力\sigma 为横坐标,剪应力\tau 为纵坐标,在横坐标轴上以\frac{{({\sigma _1} + {\sigma _3})}}{2}为圆心,以\frac{{({\sigma _1} -{\sigma _3})}}{2}为半径绘制破损总应力圆。在绘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\phi ,与纵轴的截距为粘聚力c

在横坐标轴上以 (\sigma _1' + \sigma _3')/2为圆心,以
 (\sigma _1' - \sigma _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\phi ',与纵坐标轴的截距为有效粘聚力c’

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