1、實驗五 土的三軸剪切試驗學 時：2學時實驗性質：綜合型實驗一、目的要求：土的三軸剪切試驗是綜合性試驗，通過對試驗的設計，能獲得在不同的排水條件下土的應力與應變的關系和強度參數。通過試驗加深對土力學基本理論的理解，培養學生的動手能力和創新能力。掌握土的三軸剪切試驗基本原理和試驗方法，了解試驗的儀器設備，熟悉試驗的操作步驟，掌握三軸剪切試驗成果的整理方法，根據試驗成果繪制應力與應變的關系曲線，計算土的內聚力和摩擦角。二、試驗原理：一般認為，土體的破壞條件用莫爾庫侖（Mohr-Coulomb）破壞準則：土體在各向主應力作用下，作用在某一應力面上的剪應力t與法向應力s之比達到某一比值，土體將沿該面發生

2、剪切破壞。莫爾一庫侖破壞準則的表達式為： 3 C cos 3 sin 。.大2 2 1主應力，3小主應力，C 土的粘聚力，土的內摩擦角。三軸剪切試驗就是根據莫爾-庫侖破壞準則測定土的強度參數粘聚力c和內摩擦角三、試驗方法：根據加載類型的不同，三軸剪切試驗又可分為三種試驗方法：不固結不排水剪（UU）；固結不排水剪（CU）;固結排水剪（CU）。四、儀器設備：1 .應變控制式三軸儀（圖5. 1 1）:由壓力室、軸向加壓設備、周圍壓力系統、反壓 力系統、孔隙水壓力量測系統、軸向變形和體積變化量測系統組成。2 .附屬設備：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，應符合下圖要求

3、：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. Olg ;稱量1000g，最小分度值 0. 1g。4 .橡皮膜：應具有彈性的乳膠膜，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. 20. 3為宜。可編輯圖5.1 1應變控制式三軸儀1一周圉應力系統_周藺壓力閥泊_排水閥詔一侔變管尹5_排水管；6輸內惶贏表計-側力計曲 排氣扎沖一輔向加樂設備訂0-壓力室；II-孔壓

4、閥扌】2壘管聘：13孔壓悄感器訂4_量管；15_孔壓遂韜系,16X合器門7_手輪圖5.1 2擊樣器圖5.1 3飽和器1 套環；2定位螺絲；3 導桿；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d?（-）切土童（w初土豪和切士舉圖5.1 4原裝土和土盤分樣器(3) 11一軸:2上盤;3下盤切土嶠皿一土樣皿一切土架U)：l 一鋼繪架皿一滑桿;3-底盤圖5.1 5承膜筒圖5.1 6對開圓模1-B力室廳座皿一透水板！3試樣沖一承膜證*5-柚皮膜*6上帽;丁 -吸氣孔1f力室底崖諾一透水扳*3制樣詞模兩片合成h4一緊錐諱一橡皮膜淖一橡皮圏全自動

5、三軸儀TSZ10-1.0 應變控制式三軸儀可編輯11土樣飽和器QI-1型切土機五、試驗步驟：（一）不固結不排水剪試驗步驟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。n將壓力室罩頂部活塞提高，放下壓力室罩，將活塞對準試樣中心，并均勻地擰緊底 座連接螺母。向壓力室內注滿純水，待壓力室頂部排氣孔有水溢出時，擰緊排氣孔，并將活塞對準測力計和試樣頂部。川 將離合器調至粗位， 轉動粗調手輪；當試樣帽與活塞及測力計接近時， 將離合器調 至細位，改用細調手輪， 使試樣帽與活塞及測力計接觸， 裝上變形指示

6、計，將測力計和變形 指示計調至零位。w關排水閥，開周圍壓力閥，施加周圍壓力。2 剪切試樣應按下列步驟進行：I剪切應變速率宜為每分鐘應變0. 5 %1. 0 %。n 啟動電動機，合上離合器，開始剪切。試樣每產生0. 3 %0. 4 %的軸向應變（或0. 2mm 變形值），測記一次測力計讀數和軸向變形值。 當軸向應變大于 3%時，試樣每產生 0. %0. 8 %的軸向應變（或0.5mm 變形值），測記一次。川 當測力計讀數出現峰值時，剪切應繼續進行到軸向應變為15 %20 %。W 試驗結束，關電動機，關周圍壓力閥，脫開離合器，將離合器調至粗位，轉動粗 調手輪，將壓力室降下，打開排氣孔，排除壓力室內

7、的水，拆卸壓力室罩，拆除試樣，描述 試樣破壞形狀，稱試樣質量，并測定含水率。3軸向應變應按下式計算：1h 1 100。式中，1軸向應變（%）; h1剪切過程中h 0A。a試樣的高度變化(mm) ； h0試樣初始高度(mm)。4 試樣面積的校正應按下式計算：。式中，Aa試樣的校正斷面積(cm2);Ao試樣的初始斷面積(cm2)。CR “c3冗10。式中，13主應力差(kPa);5 主應力差應按下式計算：11大總主應力(kPa) ;3小總主應力(kPa) ; C測力計率定系數(N/0.01mm 或N/mV) ; R 測力計讀數(0. 01mm) ； 10單位換算系數。圖5.2主應力差與軸向應變關系

8、曲線1 !100200300400500圖5.3不固結不排水剪強度包線6 以主應力差為縱坐標，軸向應變為橫坐標；繪制主應力差與軸向應變關系曲線(圖5.2)。取曲線上主應力差的峰值作為破壞點，無峰值時，取15 %軸向應變時的主應力差值作為破壞點。1 f 3 f7 以剪應力為縱坐標，怯向應力為橫坐標，在橫坐標軸以破壞時的一2一 為圓心，以2釘為半徑，在應力平面上繪制破損應力圓，并繪制不同周圍壓力下破損應力圓的包線，求出不排水強度參數 (圖5. 3)。(二) 固結不排水剪試驗步驟1試樣的安裝步驟：I 開孔隙水壓力閥和量管閥，對孔隙水壓力系統及壓力室底座充水排氣后，關孔隙 水壓力閥和量管閥。壓力室底座

9、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 79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，使管內水面位于試樣中心以下2040cm ,吸除試樣與橡皮膜之間的余水，關排水閥。需要測定土的應力應變關系時，應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，膜中間應留有直徑為lcm的圓孔排水。n 壓力室罩安裝、充水及測力計調整應按不固結不排水的步驟進行

10、。2試樣排水固結應按下列步驟進行：I 調節排水管使管內水面與試樣高度的中心齊平，測記排水管水面讀數。n 開孔隙水壓力閥，使孔隙水壓力等于大氣壓力，關孔隙水壓力閥，記下初始讀數。川 將孔隙水壓力調至接近周圍壓力值，施加周圍壓力后，再打開孔隙水壓力閥，待 孔隙水壓力穩定測定孔隙水壓力。w 打開排水閥。固結完成后，關排水閥，測記孔隙水壓力和排水管水面讀數。v 微調壓力機升降臺，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 結時的高度變化。3 剪切試樣應按下列步驟進行：I 剪切應變速率粘土宜為每分鐘應變0. 05 %0. 1 %;粉土為每分鐘應變 0. 1 %0. 5 %。n 將測力計、軸向變

11、形指示計及孔隙水壓力讀數均調整至零。川 啟動電動機，合上離合器，開始剪切。測力計、軸向變形、孔隙水壓力應按不固結不排水中的步驟進行測記。w 試驗結束，關電動機，關各閥門，脫開離合器+將離合器調至粗位，轉動粗調手輪，將壓力室降下，打開排氣孔，排除壓力室內的水，拆卸壓力室罩，拆除試樣，描述試樣破壞形狀，稱試樣質量，并測定試樣含水率。V 134 試樣固結后的高度，應按下式計算：hc h（1） 3。式中，入試樣固結后的V。高度（cm） ；V試樣固結后與固結前的體積變化（cm3）。5 試樣固結后的面積，應按下式計算:AcA。(1V 23V) 3。式中,V。Ac試樣固結后可編輯的斷面積（cm2）。6 試樣

12、面積的校正，應按下式計算:Aa也。式中,1 1Oh7主應力差按不固結不排水試驗中給出的公式計算。8 有效主應力比應按下式計算：I有效大主應力：11 1u。式中，1有效大主應力（kPa） ; u孔隙水壓力（kPa）。n有效小主應力：133u。式中，3有效大主應力 （kPa）。I有效主應力比：1 1 -13 。339 孔隙水壓力系數，應按下式計算:I 初始孔隙水壓力系數：B0。式中,3B初始孔隙水壓力系數；U0施加周圍壓力產生的孔隙水壓力（kPa）。n 破壞時孔隙水壓力系數：UfAf。式中，Af破壞時的孔隙水壓力系數；B( 13)u f試樣破壞時，主應力差產生的孔隙水壓力（kPa）。10 主應力差

13、與軸向應變關系曲線，應按不固結不排水中的規定繪制11 以有效應力比為縱坐標， 軸向應變為橫坐標， 繪制有效應力比與軸向應變曲線 （圖 5.4）。12 以孔隙水壓力為縱坐標，軸向應變為橫坐標，繪制孔隙水壓力與軸向應變關系曲 線（圖5.5）。13 以13 2為縱坐標，13 2為橫坐標，繪制有效應力路徑曲線（圖5. 6）。并計算有效內摩擦角和有效粘聚力。利向應變（輻）1-JT1 ij-/1圖5.4有效應力比與軸向應變關系曲線圖5.5孔隙水壓力與軸向應變關系曲線卞 Eru-r需1015- ,1“、)/11 !* /1*/ 1300400(kPa)圖5.6 應力路徑曲線I有效內摩擦角：sin 1tg。式

14、中，有效內摩擦角（）;應力路徑圖上破壞點連線的傾角（）。n 有效粘聚力：c ;。式中，c有效粘聚力（kPa） ; d應力路徑上破壞點連線cos在縱軸上的截l（kPa）。14以主應力差或有效主應力比的峰值作為破壞點，無峰值時，以有效應力路徑的密集點或軸向應變15%時的主應力差值為破壞點，按固結不排水中的規定繪制破損應力圓及不同圍壓力下的破損應力圓包線，并求出總應力強度參數； 有效內摩擦角和有效粘聚力，應以 二為圓心， 丄L為半徑繪制有效破損應力圓確定（圖5. 7）。2 2fl圖5.7固結不排水剪強度包線但在剪切過程中應打開排（三）固結排水剪試驗步驟1試樣的安裝、固結、剪切應按固結不排水中的步驟進行。水閥。剪切速率采用每分鐘應變0. 003 %0. 012 %。2 試樣固結后的高度、面積，應按固結不排水給出的公式進行計算。V V3 剪切時試樣面積的校正，應按下式計算：Aa 丁L。式中，Vi剪切過程中