三軸壓縮實驗

1、實驗四 三軸壓縮實驗（實驗性質(zhì)：綜合性實驗）一、概述1910年摩爾（Mohr）提出材料的破壞是剪切破壞，并指出在破壞面上的剪應(yīng)力是為該面上法向應(yīng)力的函數(shù)，即這個函數(shù)在坐標(biāo)中是一條曲線，稱為摩爾包線，如圖4-1實線所示。摩爾包線表示材料受到不同應(yīng)力作用達(dá)到極限狀態(tài)時，滑動面上法向應(yīng)力與剪應(yīng)力的關(guān)系。土的摩爾包線通?？梢越频赜弥本€表示，如圖4-1虛線所示，該直線方程就是庫侖定律所表示的方程（）。由庫侖公式表示摩爾包線的土體強度理論可稱為摩爾庫侖強度理論。圖4-1摩爾包線當(dāng)土體中任意一點在某一平面上的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強度時，就發(fā)生剪切破壞，該點也即處于極限平衡狀態(tài)。根據(jù)材料力學(xué)，設(shè)某一土體單元上

2、作用著的大、小主應(yīng)力分別為和，則在土體內(nèi)與大主應(yīng)力作用面成任意角的平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，可用坐標(biāo)系中直徑為的摩爾應(yīng)力圓上的一點（逆時針旋轉(zhuǎn)2,如圖4-2中之A點）的坐標(biāo)大小來表示，即將抗剪強度包線與摩爾應(yīng)力畫在同一張坐標(biāo)紙上，如圖4-3所示。它們之間的關(guān)系可以有三種情況：整個摩爾應(yīng)力圓位于抗剪強度包線的下方（圓），說明通過該點的任意平面上的剪應(yīng)力都小于土的抗剪強度，因此不會發(fā)生剪切破壞；摩爾壓力圓與抗剪強度包線相割（圓），表明該點某些平面上的剪應(yīng)力已超過了土的抗剪強度，事實上該應(yīng)力圓所代表的應(yīng)力狀態(tài)是不存在的；摩爾應(yīng)力圓與抗剪強度包線相切（圓），切點為A點，說明在A點所代表的平面上，剪應(yīng)力正

3、好等于土的抗剪強度，即該點處于極限平衡狀態(tài)，圓稱為極限應(yīng)力圓。圖4-2用摩爾圓表示的土體中任意點的應(yīng)力圖4-3摩爾圓與抗剪強度包線之間的關(guān)系三軸壓縮實驗（亦稱三軸剪切實驗）是以摩爾庫侖強度理論為依據(jù)而設(shè)計的三軸向加壓的剪力試驗，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，據(jù)此可作出一個極限應(yīng)力圓。用同一種土樣的34個試件分別在不同的周圍壓力下進(jìn)行實驗，可得一組極限應(yīng)力圓，如圖4-4中的圓、圓和圓。作出這些極限應(yīng)力圓的公切線，即為該土樣的抗剪強度包絡(luò)線，由此便可求得土樣的抗剪強度指標(biāo)。圖4-4三軸實驗基本原理a)試樣承受作用；b)破壞時土樣應(yīng)力狀態(tài)；c)土樣的極限應(yīng)力圓與抗剪強度包

4、線三軸壓縮實驗是測定土體抗剪強度的一種比較完善的室內(nèi)實驗方法，可以嚴(yán)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(yīng)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?zāi)菢酉薅ㄔ谏舷潞兄g，同時三軸壓縮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(shè)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(wù)等工程有特別重要的意義。二、實驗方法 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)不排水剪實驗（UU）、固結(jié)不排水剪實驗（CU）、固結(jié)排水剪實驗（CD）以及Ko固結(jié)三軸實驗等。 1不固結(jié)不排水

5、剪實驗（UU） 試樣在施加周圍應(yīng)力和隨后施加偏應(yīng)力直至破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(yīng)力抗剪強度指標(biāo)，。 2固結(jié)不排水剪實驗（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，測得土體的孔隙水壓力，可以測得總應(yīng)力抗剪強度強度指標(biāo)，和有效應(yīng)力抗剪強度指標(biāo)，。 3固結(jié)排水剪實驗（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的體積變化，可以測得有效應(yīng)力

6、抗剪強度指標(biāo) ，。 4Ko固結(jié)三軸實驗 常規(guī)三軸試驗是在等向固結(jié)壓力（）條件下排水固結(jié)，而K0 固結(jié)三軸試驗是按施加周圍壓力，使試樣在不等向壓力下固結(jié)排水，然后再進(jìn)行不排水剪或排水剪試驗。三、實驗設(shè)備 1三軸儀 三軸儀根據(jù)施加軸向荷載方式的不同，可以分為應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種，目前室內(nèi)三軸試驗基本上采用的是應(yīng)變控制式三軸儀。應(yīng)變控制式三軸儀由以下幾部分組成（如圖4-5）：（1）三軸壓力室。壓力室是三軸儀的主要組成部分，它是由一個金屬上蓋、底座以及透明有機玻璃筒組成的密閉容器，壓力室底座通常有3個小孔分別與圍壓系統(tǒng)、體積變形以及孔隙水壓力量測系統(tǒng)相連。（2）軸向加荷系統(tǒng)。采用電動機帶動多級變

7、速的齒輪箱，或者采用可控硅無級變速，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)和試驗方法確定。（3）軸向壓力測量系統(tǒng)。施加于試樣上的軸向壓力由測力計量測，測力計由線性和重復(fù)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。 （4）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(jìn)行自動補償而達(dá)到穩(wěn)定的周圍壓力。 （5）孔隙水壓力量測系統(tǒng)?？紫端畨毫τ煽讐簜鞲衅鳒y得。（6）軸向變形量測系統(tǒng)。軸向變形長距離百分表（030mm百分表）或位移傳感器測得。 圖4-4應(yīng)變控制式三軸儀1-調(diào)壓筒；2-周圍壓力表；3-周

8、圍壓力閥；4-排水閥；5-體變管；6-排水管；7-變形量表；8-量力環(huán)；9-排氣孔；10-軸向加壓設(shè)備；11-壓力室；12-量管閥；13-零位指示器；14-孔隙壓力表；15-量管；16-孔隙壓力閥；17-離合器；18-手輪；19-馬達(dá)；20-變速箱 （7）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(yīng)力狀態(tài)或提高試件的飽和度以及量測試件的體積變化。 2附屬設(shè)備（1）擊實筒和飽和器 （2）切土盤、切土器、切土架和原狀土分樣器 （3）承膜筒和砂樣制備模筒 （4）天平、卡尺、乳膠膜等四、試樣的制備與飽和1試樣制備試樣應(yīng)切成圓柱性形狀，試樣直徑為39.1mm、61.8mm、101

9、mm、相應(yīng)的試樣高度分別為80mm、150mm、200mm，試樣高度與直徑的關(guān)系一般為22.5倍，試樣的允許最大粒徑與試樣直徑之間的關(guān)系見表4-1。表4-1試樣的允許最大粒徑與試樣直徑之間的關(guān)系見表試樣直徑D(mm)允許最大粒徑d(mm)39.1dD/1061.8dD/10101.0dD/5 對于較軟的土樣，用鋼絲鋸或切土刀在切土盤上制樣；對于較硬的土，用切土刀和切土器在在切土架上制樣。稱取切削好試樣的質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.1g，試樣的高度和直徑用卡尺量測，并按下式計算平均直徑式中 D1 D2 D3分別為試樣上、中、下部位的直徑。與此同時，取切下的余土，平行測得含水量，取其平均值為試樣的含水量。2試

10、樣飽和（1）真空抽氣飽和：將試樣裝入飽和器，置于真空缸內(nèi)，進(jìn)行抽氣，當(dāng)真空壓力達(dá)到1個大氣壓時，開啟管夾，使清水注入真空缸內(nèi)，待水面超過飽和器后，即可停止抽氣，然后靜止大約10h左右，使試樣充分吸水飽和。（2）水頭飽和：將試樣裝入壓力室內(nèi)，施加20kPa的周圍壓力，使無氣泡的水從試樣底座進(jìn)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。（3）反壓力飽和：試樣飽和度要求較高時采用（祥見實驗規(guī)程）。五、操作步驟 這里只介紹不固結(jié)不排水剪。1對儀器各部分進(jìn)行全面檢查，周圍壓力系統(tǒng)、反壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力系統(tǒng)、軸向壓力系統(tǒng)是否能正常工作，排水管路是否暢通，管路閥門連接處有無漏水

11、漏氣現(xiàn)象。乳膠膜是否有漏水漏氣現(xiàn)象。 2拆開壓力室的有機玻璃罩子，將試樣方在試樣底座的不透水圓板上，在試樣的頂部放置不透水試樣帽。 3將乳膠膜套在承膜筒上，兩端翻過來，用吸咀吸氣，使乳膠膜貼緊承膜筒內(nèi)壁，然后套在試樣外放氣，翻起乳膠膜，取出承膜筒，用橡皮圈將乳膠膜分別扎緊在試樣底座和試樣帽上，4裝上受壓室外罩，安裝時應(yīng)先將活塞提高，以防碰撞試樣，然后將活塞對準(zhǔn)試樣帽中心，并旋緊壓力室密封螺帽，再將測力環(huán)對準(zhǔn)活塞。5向壓力室充水，當(dāng)壓力室快注滿水時，降低進(jìn)水速度，當(dāng)水從排水孔溢出時，關(guān)閉排水孔。6開空壓機和周圍壓力閥，施加所需的周圍壓力，周圍壓力的大小應(yīng)根據(jù)土樣埋深和應(yīng)力歷史來決定，也可按100

12、、200300kPa施加。7旋轉(zhuǎn)手輪，當(dāng)測力環(huán)的量表微動，表示活塞與試樣接觸，然后將測力環(huán)的量表和和軸向位移量表的指針調(diào)整到零位。8啟動電動機開始剪切，剪切速率宜為每分鐘應(yīng)變0.5%1.0%。80mm高的試樣速率為0.40.8mm/min。開始階段，試樣每產(chǎn)生垂直應(yīng)變0.30.4%時記測力環(huán)量表讀數(shù)和垂直位移量表讀數(shù)各一次。當(dāng)接近峰值時應(yīng)加密讀數(shù)，如果試樣特別松軟和硬脆，可酌情減少或加密讀數(shù)。9當(dāng)出現(xiàn)峰值后，再進(jìn)行3%5%的垂直應(yīng)變或剪至總垂直應(yīng)變的15%后停止試驗，若測力環(huán)讀數(shù)無明顯減少則垂直應(yīng)變應(yīng)進(jìn)行到20%。10試驗結(jié)束后，關(guān)閉電動機，關(guān)周圍應(yīng)力閥，拔開離合器，倒轉(zhuǎn)手輪，然后打開排氣孔，

13、排去壓力室內(nèi)的水，拆去壓力室外罩，取出試驗，描述試樣破壞的形狀，并測得試驗后的密度和含水量 。11重復(fù)以上步驟分別在不同的圍壓下進(jìn)行第二、三、四個試樣的試驗。六、成果整理1計算軸向應(yīng)變式中 軸向應(yīng)變（）； 軸向變形(mm)； 土樣初始高度（mm）。 2計算剪切過程中試樣的平均面積：式中 剪切過程中平均斷面積（cm2）土樣初始斷面積（cm2）軸向應(yīng)變（）3. 計算主應(yīng)力差式中 主應(yīng)力差（kPa） 大主應(yīng)力（kPa） 小主應(yīng)力（kPa） 測力計率定系數(shù)（N/0.01mm） 測力計讀數(shù)（0.01mm） 10單位換算系數(shù)。4繪制主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線 以主應(yīng)力差（）為縱坐標(biāo)，軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，繪制

14、主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線（圖4-5），若有峰值時，取曲線上主應(yīng)力差的峰值作為破壞點；若無峰值時，則取15軸向應(yīng)變時的主應(yīng)力差值作為破壞點。圖4-5主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線圖4-6不固結(jié)不排水剪強度包線5繪制強度包線以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)，在橫坐標(biāo)軸上以破壞時的 為圓心，以為半徑，在坐標(biāo)系上繪制破壞總應(yīng)力圓，并繪制不同周圍應(yīng)力下諸破壞總應(yīng)力圓的包線（圖4-6），包線的傾角為內(nèi)摩擦角，包線在縱坐標(biāo)上的截距為粘聚力。八、實驗報告1 試驗?zāi)康?、原理及意義：試驗?zāi)康模?理解三軸試驗與直剪試驗的特點，增加感性認(rèn)識，學(xué)會整理三軸試驗數(shù)據(jù)，并求出砂土的固結(jié)排水剪強度指標(biāo) 2 試驗原理： 采用34個圓柱形試樣，分別在不同的恒定周圍壓力（即小主應(yīng)力）下，施加軸向壓力即產(chǎn)生主應(yīng)力，進(jìn)行剪切直至破壞；然后根據(jù)摩爾-庫倫理論求得抗剪強度參數(shù)。3 意義：根據(jù)實際的工程需要選擇合適的試驗方法，提供合理的強度指標(biāo)。為有限元等數(shù)值分析提供所需的參數(shù)4 實驗設(shè)備（如上）5 實驗記錄及成果分析（1） 三軸實驗記錄（2） 試樣直徑d=3.98cm試樣高度h=7.8cm試樣面積A=12.44cm2試樣體積V=97.04cm3（3） 試樣質(zhì)量m=g鋼環(huán)系數(shù)C=7.45N/0.01mm剪切速率=mm/min周圍壓力(