三轴剪切试验

实验十 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φ和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σ3和轴向偏应力（σ1-σ3），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

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σ3，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。

若由活塞杆所加的试样破坏时的压力强度为q ＝σ1-σ3，小主应力是周围压力σ3。由一

个试样所得的σ1和σ3，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 和φ，附图10.1所示。 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。

附图10.1 抗剪强度包线

附图10.2 原状土分样器 1.钢丝架；2一滑杆；3一底座

附图10.3 对开圆膜 1.压力室底座；2.透水石；3.制样圆模； 4.圆箍；5.橡皮膜；6.橡皮圈

1 2

7 6 5

4 3 附图10.4 承膜筒 1.压力室底座；2.透水石；3.试样； 4.承膜筒；5.橡皮膜；6.上帽 1

2

3 4

5

附图10.5 击实器

1.环；

2.位螺丝；

3.杆；

4.击锤；

5.底板

附图10.6 饱和器

1.土样筒；

2.紧箍；

3.夹板；

4一拉杆；5.透水石

1 2

3

4

5

1 2

3

1.轴

2.上盘

3.下盘 1

2 3

附图10.8 切土器

1.土样

2.切土器

3.支架

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，关闭量管阀，用调压筒或三轴压力室(三轴压力室充满无气水)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?10-5cm 3/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：

4

23

210D D D D ++=

附10.1

附图10.9 应变控制式三轴剪切仪 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

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(附图 6.6)置于抽气缸，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。解除抽气缸的真空，让试样在抽气缸静置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。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?u/?σ3>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σ3。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?h ，算出固结后试样高度h c 。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：

3

1

0)1(V V h h c ?-=

式中 h c ——试样固结后的高度，cm ； h 0——试样固结前的高度，cm ；

?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)，cm 3； V 0——试样固结前的体积，cm 3。 ⑵试样固结后的面积按下式计算：

附10.2

3

2

0)1(V V A A c ?-=

式中 A c ——试样固结后的面积，cm 2； A 0——试样固结前的面积，cm 2。

⑶剪切时试样的校正面积按下式计算：

1

1ε-=

c

a A A 式中 A a ——试样的校正面积，cm 2； ε1——轴向应变，％，ε1=?h i /h c 。

?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(σ1-σ3)的计算：

1031?=

-a

A CR

σσ 式中 σ1——大主应力，kPa ； σ3——小主应力，kPa ；

C ——量力环率定系数，N ／0.01mm ； R ——量力环量表读数，0.01mm ； A a ——试样剪切时的面积，cm 2； 10——单位换算系数。 ⑶有效主应力按下式计算：

u -='11

σσ u -='33

σσ 式中 σ'1——有效大主应力，kPa ；

σ'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：

3

31311σσσσσ''-'+=''

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 ：

30

σu B =

式中 u 0——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A f ：

)

(31σσ-=

B u A f

f

式中 u f ——试样破坏时，在主应力差(σ1-σ3)下产生的孔隙压力，kPa 。

2、制图

附10.8

附10.4

附10.3

附10.5

附10.6 附10.7

附10.9

附10.10

(1)绘制主应力差(σ1-σ3)与轴向应变ε1的关系曲线，如附图10.10。 (2)绘制有效主应力比σ'1/σ'3与轴向应变ε1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σ为横坐标，剪应力τ为纵坐标，在横坐标轴上以(σ1+σ3)/2为圆心，以(σ1-σ3)/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摩擦角φ，与纵轴的截距为粘聚力c 。

在横坐标轴上以 (σ'1+σ'3)/2为圆心，以(σ'1-σ'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

有效摩擦角φ'，与纵坐标轴的截距为有效粘聚力c '。

3、记录

固结不排水剪切试验记录格式如下：

土样编号 试验方法 试验者

计算者 试验日期 校核者

1 2.0 3.0

11.0

附图10.10 (σ1-σ3)~ε1的关系曲线 附图10·11 σ'1/σ'3~ε1的关系曲线 附图10.12 固结不排水剪强度包线 试样状态记录

周围压力：kPa 固结下沉量：?h＝cm 剪切速率：mm/min 固结后高度：h c＝cm

2