土的力學性質(zhì)指標及其室內(nèi)測定課件

1、第七章 土的力學性質(zhì)指標及其室內(nèi)測定滲透試驗固結試驗三軸壓縮試驗第七章 土的力學性質(zhì)指標及其室內(nèi)測定滲透試驗滲透試驗滲透試驗試驗原理滲透是液體在多孔介質(zhì)中運動的現(xiàn)象。滲透系數(shù)是表達這一現(xiàn)象的定量指標，具有流速的單位。土的滲透是水在土體孔隙中的流動。若土中水在土體孔隙中的運動為層流時，則滲透水流的速率與水力坡降成正比，如下式。故滲透系數(shù)，即為水力坡降時的滲透速度。達西定律表達式為： v=ki式中：v滲流速度； i 水力坡降（在土中任意兩點間產(chǎn)生滲流時，則兩點的水頭差與兩點間滲 流長度之比，即i=H/L）； k 滲透系數(shù)。試驗原理滲透是液體在多孔介質(zhì)中運動的現(xiàn)象。滲透系數(shù)是表達這一由于影響滲透系數(shù)

2、的因素十分復雜，如土的顆粒組成，膠體含量、結構狀態(tài)、密度、土粒和水的礦物成分等，都足以影響它的正確測定。當前室內(nèi)和現(xiàn)場用的各種方法所測定的滲透系數(shù)仍然是個比較粗略的數(shù)值，實際上滲透系數(shù)的測定方法，仍處于研究和改進之中。 目前室內(nèi)滲透試驗方法有常水頭滲透試驗和變水頭滲透試驗。常水頭滲透試驗適用于粗粒土，變水頭滲透試驗適用于細粒土。由于影響滲透系數(shù)的因素十分復雜，如土的顆粒組成，膠體含量、結試驗方法滲透系數(shù)測定的方法的選用，是根據(jù)土樣的滲透性大小決定的。對于滲透系數(shù)（k）大于10-4cm/s的土采用常水頭法，滲透系數(shù)（k）為10-410-7cm/s的土采用變水頭法。試驗方法滲透系數(shù)測定的方法的選用

3、，是根據(jù)土樣的滲透性大小決定常水頭滲透試驗常水頭滲透試驗即水流在一恒定的水頭差作用下通過土樣，測定在規(guī)定時間內(nèi)的流量來計算土的滲透系數(shù)。試驗時土樣長度為固定值，這樣水力坡降為常數(shù)，根據(jù)達西定律，滲透流量為Q=kiAt=kHAt/L k=QL/HAt式中：Q滲透流量（cm3）； k滲透系數(shù)（cm/s）； i水力坡降； H水頭損失（cm）； L滲透路徑長度（cm）； A試樣截面積（cm2）； t時間（s）。常水頭滲透試驗常水頭滲透試驗即水流在一恒定的水頭差作用下通過1-金屬圓筒；2-滑動架；3-溢水孔；4-止水夾；5-供水管；6-供水管； 7-測壓管；8-溫度計；9-礫石層；10-測壓孔；11-金

4、屬孔板；12-滲水孔；13-量杯；14-試樣；15-調(diào)節(jié)管1-金屬圓筒；2-滑動架；3-溢水孔；4-止水夾；5-供水管變水頭滲透試驗變水頭滲透試驗是通過土樣的滲透在變化的水頭壓力影響下進行的。根據(jù)同一時間內(nèi)經(jīng)過土樣的滲流量與水頭量管流量相等推導得出變水頭滲透系數(shù)。變水頭滲透試驗裝置如下圖。 式中：2.3ln和lg的變換因數(shù)； a 變水頭管的斷面積（cm2）； t1、t2測讀水頭的起始和終止時間（s）； H1、H2起始和終止水頭（cm）。變水頭滲透試驗變水頭滲透試驗是通過土樣的滲透在變化的水頭壓力1-滲透容器；2-進水管；3-變水頭管；4-供水瓶5-水源管；6-排水管；7-出水管1-滲透容器；2

5、-進水管；3-變水頭管；4-供水瓶5-水源管儀器設備及試驗步驟1 常水頭滲透試驗1）常水頭滲透試驗所需用的主要儀器設備有常水頭滲透儀（70型滲透儀）、天平、溫度計等，儀器的量程、準確度及其他儀器設備可參閱SL237-014-1999。2）試驗步驟（1）按圖裝好儀器，并檢查各管路接頭處是否漏水。將調(diào)節(jié)處與供水管連通，由儀器底部充水至水位略高于金屬孔板，關止水夾。（2）取有代表性的風干試樣34kg，稱量準確至1.0g，并測定試樣的風干含水率。儀器設備及試驗步驟1 常水頭滲透試驗將試樣分層裝入圓筒，每層23cm，用木錘輕輕擊實到一定厚度，以控制其孔隙比。如試樣含粘粒較多，應在金屬孔板上加鋪厚約2cm

6、的粗砂過渡層，防止含試驗時細料流失，并量出過渡層厚度。（3）每層裝好后，連接供水管和調(diào)節(jié)管，并由調(diào)節(jié)管中進水，微開止水夾，使試樣逐漸飽和。當水面與試樣頂面齊平，關止水夾。飽和時水流不應過急，以免沖動試樣。（4）依上述步驟逐層裝試樣，至試樣高出上測壓孔34cm止。在試樣上端鋪厚約2cm礫石作緩沖層。待最后一層試樣飽和后，繼續(xù)使水位緩緩上升至溢水孔。當有水溢出時，關止水夾。（5）試樣裝好后量測試樣頂部至儀器上口的剩余高度，計算試樣凈高。稱剩余試樣質(zhì)量（準備至1.0g），計算裝入試樣總質(zhì)量。將試樣分層裝入圓筒，每層23cm，用木錘輕輕擊實到一定厚度（6）靜置數(shù)分鐘后，檢查各測壓管水位是否與溢水孔齊平

7、，如不齊平，說明試樣中或測壓管接頭處有集氣阻離，用吸水球進行吸水排氣處理。（7）提高調(diào)節(jié)管便其高于溢水孔，然后將調(diào)節(jié)管與供水管分開，并將供水管置于金屬圓筒內(nèi)。開止水夾，使水由上部注入金屬圓筒內(nèi)。（8）降低調(diào)節(jié)管口，使位于試樣上部1/3處，造成水位差，水即滲過試樣，經(jīng)調(diào)節(jié)管流出。在滲透過程中應調(diào)節(jié)供水管夾，使供水管流量略多于溢出水量。溢水孔應始終有余水溢出，以保持常水位。（9）測壓管水位穩(wěn)定后，記錄測壓管水位，計算各測壓管間的水位差。（6）靜置數(shù)分鐘后，檢查各測壓管水位是否與溢水孔齊平，如不齊（10）開動秒表，同時用量筒接取經(jīng)一定時間的滲透水量，并重復1次。接取滲透水量時，調(diào)節(jié)管口不可沒入水中。

8、（11）測記進水與出水處的水溫，取平均值。（12）降低調(diào)節(jié)管管口至試樣中部及下部1/3處，以改變水力坡降，按9至12規(guī)定重復進行測定。（13）根據(jù)需要，可裝數(shù)個不同孔隙比的試樣，進行滲透系數(shù)的測定。 （10）開動秒表，同時用量筒接取經(jīng)一定時間的滲透水量，并重復變水頭滲透試驗1）變水頭滲透試驗所需用的主要儀器設備有南55型滲透儀、天平、溫度計等。儀器的量程、準確度及其他儀器設備可參閱SL237-014-1999。2）試驗步驟（1）根據(jù)需要用環(huán)刀在垂直或平行土樣層面切取原狀試樣或擾動土制備成給定密度的試樣，并進行充分飽和。切土時，應盡量避免結構擾動，并禁止用削土刀反復涂抹試樣表面。（2）將容器套筒

9、內(nèi)壁涂一薄層凡士林，然后將裝有試樣的環(huán)刀推入套筒，并壓下止水墊圈。把擠出的多余心土林小心刮凈。裝好帶有透水板的上、下蓋，并用螺絲擰緊，不得漏氣漏水。變水頭滲透試驗1）變水頭滲透試驗所需用的主要儀器設備有南55（3）把裝好試樣的滲透容器與水頭裝置連通。利用供水瓶中的水充滿進水管，并注入滲透容器。開排氣閥，將容器側立，排除滲透容器底部的空氣，直至溢出水中無氣泡，關排氣閥，放平滲透容器。（4）在一定水頭作用下靜置一段時間，待出水管口有水溢出時，再開始進行試驗測定。（5）將水頭管充水至需要高度后，關止水夾，開動秒表同時測記起始水頭h1。經(jīng)過時間t后，再測記終了水頭h2。如此連續(xù)測記23次后，再使水頭管

10、水位升至需要高度，再連續(xù)測記數(shù)次，需6次以上，試驗終止，同時測記試驗開始與終止時的水溫。（3）把裝好試樣的滲透容器與水頭裝置連通。利用供水瓶中的水充計算及成果整理按公式計算常水頭滲透系數(shù)及變水頭滲透系數(shù)。并按下式計算標準溫度下的滲透系數(shù)。式中：k20標準溫度時試樣的滲透系數(shù)（cm/s）； k試驗溫度時試樣的滲透系數(shù)（cm/s）； T 、 20分別為T和20時水的動力粘滯系數(shù)（kPas），可查表 水的動力粘滯系數(shù)、粘滯系數(shù)比，校正溫度表。計算及成果整理按公式計算常水頭滲透系數(shù)及變水頭滲透系數(shù)。并按影響試驗成果的幾個問題滲透試驗設備簡單，技術難度看似不大，但是影響因素較多，稍不注意則容易引起較大測

11、量誤差。具體注意事項如下：1 試驗方法的選擇常水頭試驗適用于滲透性較大的土，變水頭試驗適用于滲透性較小的土。對于常水頭試驗其試樣容器的內(nèi)徑應大于試樣中最大粒徑的10倍，以避免因沿試樣容器周圍部分試樣的孔隙較大而使周圍部分流量變大引起的試驗誤差。影響試驗成果的幾個問題滲透試驗設備簡單，技術難度看似不大，但2 試樣的選擇和切取試樣要有一定的代表性，能較準確反應工程實際。同于天然地基土，在不同程度上都存在非均質(zhì)和各向異性，因此試驗中應考慮滲流方向。用原狀樣進行試驗時，環(huán)刀切樣操作至關重要。只有土樣側面保持為直順的圓柱面時，才能杜絕試樣邊界的繞滲現(xiàn)象。一般來說，直接用手按壓環(huán)刀的做法是不可取的，切樣時

12、應該使用保證環(huán)刀垂直下壓的輔助工具。2 試樣的選擇和切取3 試驗用水 水中含氣對滲透系數(shù)的影響主要由于水中氣體分離，形成氣泡堵塞土的孔隙，致使?jié)B透系數(shù)逐漸減小。因此，試驗中要求用無氣水，最好利用實際作用于土中的天然水，這一點較難做到。試驗要求所用的純水先進行脫氣，脫氣的方法先將水煮沸。然后降低壓力，冷卻，也可用抽氣方法。試驗時規(guī)定水溫應高于試樣的溫度，一般試驗時水溫宜高于室溫34oC，目的也是避免低溫水進入較高溫度的試樣時，水將因溫度升高而分解出氣泡，而堵塞孔隙。有些試驗人員嫌麻煩，未按此要求執(zhí)行，將引起測得的滲透系數(shù)偏低。 3 試驗用水4 試樣的飽和土樣的飽和度愈小，土的孔隙內(nèi)殘留氣體愈多，

13、使土的有效滲透面積減小，同時，由于氣體因孔隙水壓力的變化而脹縮，使飽和度的影響成為一個不定的因素，為了保持試驗精度，要求試樣必須充分飽和。實踐證明真空抽氣飽和法是有效的方法。為了使試樣充分飽和，可在三軸儀中用反壓力方法進行滲透試驗。試驗系統(tǒng)的管路及透水石中的氣泡要排除干凈，容器及管路連接要保持密封良好，不得有漏水。4 試樣的飽和5 關于試驗成果的取值一個試樣多次測定的取值應在連續(xù)測定6次后，取同次方的A值最大和最小之差值不大于2.0的四個以上的結果，取其平均值作為試樣在某一孔隙比下的平均滲透系數(shù)。試驗時應將試樣控制在設計要求的孔隙比下測定其滲透系數(shù)，否則試驗結果無實用意義。若試樣孔隙比控制在需

14、要值有困難時，可進行不同孔隙比下的滲透試驗，測得孔隙比與滲透系數(shù)的關系曲線，供查取任意孔隙比下的滲透系數(shù)。5 關于試驗成果的取值6 異常情況處理對于滲透系數(shù)低于10-7cm/s的情況，會遇到兩個問題。一是試驗開始數(shù)日后，仍不見出水口出水，解決的方法是可用注射器自滲透儀的出水口向滲透儀內(nèi)注入一些水，以減少等待出水的時間。另一是室內(nèi)空氣很干燥時，變水頭管中水份快速蒸發(fā)會明顯加快變水頭管水位下降速度，致使測得的滲透系數(shù)偏大，解決的辦法是可在變水頭管的上端裝一個透氣的小塞或干棉花球。6 異常情況處理固結試驗固結試驗試驗原理土的壓縮是指土體在壓力作用下體積縮小的現(xiàn)象。土的固結則是指飽和土在外力作用下，隨

15、土的排水，體積逐漸減小的全過程。土的固結試驗方法是基于太沙基固結理論建立的，目的是測定試樣在側限與軸向排水條件下的在壓力作用下的壓縮特性，以便計算土的壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)、壓縮模量、固結系數(shù)以及原狀土的先期固結壓力等，所得的各項指標用以判斷土的壓縮性壓縮過程和計算土工建筑物與地基的沉降及沉降過程。試驗原理土的壓縮是指土體在壓力作用下體積縮小的現(xiàn)象。土的固結太沙基在推導固結方程時，作了以下假定：（1）土是完全飽和的，而且是均勻的；（2）土粒和孔隙水不可壓縮，土的體積變化完全是孔隙水的排出而產(chǎn)生的；（3）變形只在垂直加壓的方向發(fā)生，孔隙水的流動與變形方向相同，側向變形受限制；（4）水的流動

16、服從達西定律，邊界面上是自由面，對水的流出沒有阻力；（5）在固結過程中，不考慮土層厚度的變化；（6）土的體積壓縮系數(shù)為常數(shù)；土的滲透系數(shù)在固結過程中也沒有變化，所以固結系數(shù)也是常數(shù)。太沙基在推導固結方程時，作了以下假定：固結試驗適用于飽和的粘性土。當只進行壓縮指標測定時，允許用于非飽和土，但不能測定值。試驗中參數(shù)計算如下： 1）按下式計算試樣的初始孔隙比及各級壓力下的孔隙比：固結試驗適用于飽和的粘性土。當只進行壓縮指標測定時，允許用于2）某一壓力范圍內(nèi)的壓縮系數(shù)按下式計算:3）某一壓力范圍內(nèi)的壓縮模量按下式計算:2）某一壓力范圍內(nèi)的壓縮系數(shù)按下式計算:4）某一壓力范圍內(nèi)的體積壓縮系數(shù)按下式計算

17、：5）壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)按下式計算: 4）某一壓力范圍內(nèi)的體積壓縮系數(shù)按下式計算：以上式中： e0試樣初始孔隙比； ei各級壓力下試樣的孔隙比； h0 試樣初始高度（mm）； h某級壓力下試樣固結穩(wěn)定后的總變形量（mm）； av壓縮系數(shù)（MPa-1）； pi某級壓力值（MPa）； Es壓縮模量（MPa）； mv體積壓縮系數(shù)（MPa-1）； Cc(Cs)壓縮指數(shù)（回彈指數(shù)）。以上式中：試驗方法固結試驗的試驗方法可分為標準固結試驗法、快速固結試驗法、應變控制加荷固結試驗法。試驗方法固結試驗的試驗方法可分為標準固結試驗法、快速固結試驗標準固結試驗為增量分級加荷法。該法規(guī)定標準加荷時間為變形至穩(wěn)定（如

18、不需要測定沉降速率時，則加荷時間可為24h）一級，加荷率為1，即每級壓力為前級壓力的一倍?？焖俟探Y試驗規(guī)定試樣在各級壓力下的固結時間為1h，僅在最后一級壓力下，除測記1h的量表讀數(shù)外，還應測讀達壓縮穩(wěn)定時的量表讀數(shù)。穩(wěn)定標準為量表讀數(shù)每小時變化不大于0.005mm。根據(jù)最后一級壓力下穩(wěn)定變形量與1h變形量的比值分別乘以前各級壓力下1h的變形量，即可得到修正后的各級壓力下的變形量。應變控制加荷固結試驗法是試樣在側限和軸向排水條件下，采用應變速率控制連續(xù)加荷確定試樣的固結量和固結速率。標準固結試驗為增量分級加荷法。該法規(guī)定標準加荷時間為變形至穩(wěn)試驗儀器及試驗步驟1）試驗儀器儀器設備主要為固結儀，見

19、下圖。由環(huán)刀、護環(huán)、透水板、水槽、加壓上蓋組成。1-位移計架；2-位移計導桿；3-加壓上蓋；4-透水板；5-導環(huán)；6-環(huán)刀；7-試樣；8-護環(huán)；9-水槽試驗儀器及試驗步驟1）試驗儀器（1）環(huán)刀：內(nèi)徑為61.8mm和79.8mm，高度為20mm，環(huán)刀應具有一定的剛度，內(nèi)壁應保持較高的光潔度，宜涂一薄層硅脂或聚四氟乙稀。（2）透水板：氧化鋁或不受腐蝕的金屬材料制成，其滲透系數(shù)應大于試樣的滲透系數(shù)。用固定式容器時，頂部透水板直徑應小于環(huán)刀內(nèi)徑0.20.5mm。用浮環(huán)式容器時，上下端透水板直徑相等，均應小于環(huán)刀內(nèi)徑。儀器的量程、準確度及其他儀器設備可參閱SL237-015-1999（1）環(huán)刀：內(nèi)徑為6

20、1.8mm和79.8mm，高度為20mm標準固結試驗步驟（1）根據(jù)工程需要，切取原狀土試樣或制備給定密度與含水率的擾動土試樣。試樣制備按SL237-1999第三章方法進行。（2）如系沖填土，先將土樣調(diào)成液限或1.21.3倍液限的土膏，拌合均勻，在保濕器內(nèi)靜置24h。然后把環(huán)刀倒置于小玻璃板上，用調(diào)土刀把土膏填入環(huán)刀，排除氣泡刮平，稱量。（3）測定試樣的密度、含水率及土粒比重。試樣需要飽和時，進行抽氣飽和。標準固結試驗步驟（1）根據(jù)工程需要，切取原狀土試樣或制備給定4）在固結容器內(nèi)放置護環(huán)、透水板和薄型濾紙，將帶有環(huán)刀的試樣小心裝入護環(huán)內(nèi)，放上導環(huán)，然后在試樣頂面依次放上薄型濾紙、透水板、加壓上

21、蓋，并將固結容器置于加壓框架下，對準加壓框架的正中，安裝量表。注：如試樣為飽和土，上、下透水板應事先浸水飽和；對非飽和狀態(tài)的試樣，透水板的濕度應盡量與試樣濕度接近。（5）施加1kPa的預壓力，使試樣與儀器上下各部件之間接觸良好，調(diào)整變形量測裝置的零點，測記初讀數(shù)。 4）在固結容器內(nèi)放置護環(huán)、透水板和薄型濾紙，將帶有環(huán)刀的試樣（6）確定需要施加的各級壓力。加壓等級一般為12.5、25.0、50.0、100、200、400、800、1600、3200kPa。最后一級壓力應大于上覆土層的計算壓力100200kPa。（7）需要確定原狀土的先期固結壓力時，加壓率宜小于1，可采用0.5或0.25倍。最后一

22、級壓力應使曲線下段出現(xiàn)較長的直線段。（8）第一級壓力視土的軟硬程度而定，宜用12.5、25.0或50kPa。（9）如系飽和試樣，則在施加第1級壓力后，立即向水槽中注水至滿。如系非飽和試樣，須用濕棉圍住加壓蓋板四周，避免水分蒸發(fā)。（6）確定需要施加的各級壓力。加壓等級一般為12.5、25.（10）需要測定沉降速率、固結系數(shù)時，施加每一級壓力后應按時間順序測記量表讀數(shù)：6s、15s、1、2、4、6、9、12、16、20、25、30、36、42、49、64、100、240min、23h、24h。直至穩(wěn)定為止，一般為24h。（11）當不需要測定沉降速率時，穩(wěn)定標準規(guī)定為每級壓力下固結24h。測記穩(wěn)定讀

23、數(shù)后，再加第2級壓力。依次逐級加壓至試驗結束。注：當試樣的滲透系數(shù)大于10-5cm/s時，允許以主固結完成作為相對穩(wěn)定標準；對某些高液限土，24以后尚有較大的壓縮變形時，以試樣變形每小時變化不大于0.005mm認為穩(wěn)定。（10）需要測定沉降速率、固結系數(shù)時，施加每一級壓力后應按時（12）需要作回彈試驗時，可在某級壓力（大于上覆壓力）下固結穩(wěn)定后卸荷，直至卸至要求的壓力。每次卸荷后的回彈穩(wěn)定標準與加壓相同，并測記每級壓力及最后一級壓力時的回彈量。（13）只需測定壓縮系數(shù)時，施加每級壓力后，每小時變形達0.01mm時，測定試樣高度變化作為穩(wěn)定標準。逐步加壓，最大壓力不小于400kPa。需要確定原狀

24、土的先期固結壓力時，初始段的荷重率可小于1，可采用0.5或0.25，施加的壓力應使測得的曲線下段出現(xiàn)直線段。對超固結土應進行卸荷，再加荷來評價其壓縮特性。（14）試驗結束后，迅速拆除儀器各部件，取出帶環(huán)刀的試樣。如系飽和試樣，則用干濾紙吸去試樣兩端表面上的水，取出試樣，測定試驗后的含水率。（12）需要作回彈試驗時，可在某級壓力（大于上覆壓力）下固結計算及成果整理用作圖法確定原狀土的先期固結壓力?？紫侗扰c壓力關系曲線見下圖。在曲線上找出最小曲率半徑的點0，過0點作水平線OA，切線OB及AOB的平分線OD，OD與曲線下段直線段延長線交于E點，對應于E點的壓力值即為原狀土試樣的先期固結壓力。計算及成

25、果整理用作圖法確定原狀土的先期固結壓力。孔隙比與壓力土的力學性質(zhì)指標及其室內(nèi)測定課件固結系數(shù)按下列方法確定時間平方根法：繪制變形與時間平方根關系曲線；見下圖。延長曲線開始段的直線，交縱坐標于為理論零點，過作一直線，令其橫坐標為前一直線橫坐標的1.15倍，則后一直線與曲線交點所對應的時間的平方即為試樣固結度達90%所需的時間，該級壓力下的固結系數(shù)按下式計算：式中：Cv固結系數(shù)（cm2/s）； h 最大排水距離，等于某級壓力下試樣的初始和終了高度平均值的一半 （cm）。固結系數(shù)按下列方法確定時間平方根法：繪制變形與時間平方根關系圖時間平方根法求t90土的力學性質(zhì)指標及其室內(nèi)測定課件影響試驗成果的幾

26、個問題1）試樣尺寸試樣尺寸包括試樣大小和徑高比。天然沉積土層通常是非均質(zhì)而成層的，因此在水平方向有較大的透水性，其固結速率和孔隙水壓力的消散較均質(zhì)土要快。如試樣較薄時，成層性起的作用就顯著，這樣用時間平方根法推求的Cv可能變小。2）環(huán)刀側壁摩擦 試樣側面與環(huán)刀間的摩擦是這種試驗的主要機械誤差，該摩擦抵消了部分上覆荷載，使試樣上的有效應力減小而導致一定的試驗誤差。因此，可在環(huán)刀內(nèi)壁涂潤滑油減小摩擦。影響試驗成果的幾個問題1）試樣尺寸3）試樣的擾動 原狀試樣被擾動，會模糊土的應力歷史，因此除取土及運送過程中要盡可能減少振動，制備試樣時要特別仔細。不允許直接將環(huán)刀壓入土樣，應用鋼絲鋸按略大于環(huán)刀的尺

27、寸沿土樣外緣切削，待土樣直徑接近環(huán)刀內(nèi)徑時，再輕輕地壓下環(huán)刀。在削兩端余土時，不要用刀反復來回涂抹，最好用鋼絲鋸慢慢地一次削去。3）試樣的擾動4）加荷等級試驗中采用荷載比為1不符合現(xiàn)場實際加荷情況。固結試驗計算所得的沉降量通常與實測沉降量相差較大。對塑性較大的粘土或結構強度小密度低的軟土，表現(xiàn)明顯。5）加荷時間加荷時間取決于試樣的透水性。加荷時間不同，試驗所得的壓縮指數(shù)是接近的，但是對先期固結壓力的影響較大。 4）加荷等級三軸壓縮試驗三軸壓縮試驗試驗原理三軸壓縮試驗是測定土的抗剪強度的一種方法。目的就是根據(jù)莫爾庫侖破壞準則測定土的強度參數(shù)：凝聚力和內(nèi)摩擦角。通常是用34個圓柱形試樣，分別在不同

28、的恒定周圍壓力下，施加軸向壓力，進行剪切至破壞；然后根據(jù)莫爾庫侖理論，求得抗剪強度參數(shù)。土的抗剪強度是土體抗破壞的極限能力。當土體內(nèi)的剪應力達到土體的抗剪強度，必然引起土體的破壞，因此，如何確定土體的強度就很重要。土的強度受許多因素影響，如土的類型、密度、含水率及受力條件、應力歷史等。試驗原理三軸壓縮試驗是測定土的抗剪強度的一種方法。目的就是根一般認為：土體的破壞條件用莫爾庫侖（Mohr-Coulomb）破壞準則表示比較符合實際情況。根據(jù)莫爾庫侖破壞準則，土體在各向主應力的作用下，作用在某一應力面上的剪應力與法向應力之比達到某一比值（即土的內(nèi)摩擦角正切值），土體就將沿該面發(fā)生剪切破壞，而與作用

29、的各向主應力的大小無關。莫爾庫侖破壞準則的表達式為：式中：1 、3 大、小主應力（kPa）； c 土的凝聚力（kPa）； 土的內(nèi)摩擦角（）。一般認為：土體的破壞條件用莫爾庫侖（Mohr-Coulo根據(jù)破壞時的大主應力與小主應力分別繪制莫爾圓、各莫爾圓的公切線就是剪應力與法向應力的關系曲線，通常以近似的直線表示，其傾角為 ，在縱軸上的截距為，剪應力與法向應力的關系用庫侖方程表示： 式中： 、分別為作用在破壞面上的剪應力與法向應力。 根據(jù)破壞時的大主應力與小主應力分別繪制莫爾圓、各莫爾圓的公切土體是由固體顆粒及其孔隙內(nèi)的水（或水和氣體）所組成的，土體受荷重后，其中剪應力由固體顆粒骨架所承受，而任何

30、面上的法向應力為固結顆粒骨架和孔隙水或氣體所承受即，稱有效應力，稱孔隙壓力。土的抗剪強度主要取決于有效應力的大小，故上式可寫成土體是由固體顆粒及其孔隙內(nèi)的水（或水和氣體）所組成的，土體受試驗方法根據(jù)排水條件不同，三軸壓縮試驗可分為：不固結不排水試驗（UU）、固結不排水試驗（CU）和固結排水試驗（CD），以適用不同工程條件而進行強度指標的測定。試驗方法根據(jù)排水條件不同，三軸壓縮試驗可分為：不固結不排水試不固結不排水試驗本試驗是對試樣施加周圍壓力后，即施加軸向壓力，使試樣在不固結不排水條件下剪切，該方法適用的條件是土體受力而孔隙壓力不消散的情況，當建筑物施工速度快，土的滲透系數(shù)較低，而排水條件又差

31、時，為考慮施工期的穩(wěn)定，可采用UU試驗。對于天然地層的飽和粘土，用這種方法所測定的，所以在總應力的穩(wěn)定分析中采用的分析法。對非飽和土，如壓實填土、未飽和的天然地層，這種土的強度是隨增加而增加，當增加到一定值，空氣逐漸溶解于水而達到飽和時，強度不再增加。強度包線并非直線，因此，用總應力方法分析時，應按規(guī)定的壓力范圍選用、。如非飽和的天然地層預計施工期可能有雨水滲入或地下水位上升，會使試樣飽和，則試樣應在試驗前予以飽和。不固結不排水試驗本試驗是對試樣施加周圍壓力后，即施加軸向壓力固結不排水試驗本試驗是使試樣先在某一周圍壓力作用下排水固結，然后在保持不排水的條件下，增加軸向壓力直至破壞。在固結不排水

32、試驗中不測孔隙壓力時，求得總應力強度參數(shù)、，可作為總應力分析的強度指標。若測得土體破壞時的孔隙壓力，則可求得土的有效強度參數(shù)、，以便進行土體穩(wěn)定的有效應力分析。該方法相當于地基或土工建筑物建成后，本身已基本固結，但考慮到使用期間荷載的突然增加或水位驟降引起土體自重的驟增，或當土層較薄，滲透性較大，施工速度較慢的竣工工程以及先施加垂直荷載，而后施加水平荷載的建筑物地基（例如擋土墻，船塢、船閘等擋水建筑物）。 正常固結粘土的不排水強度與土層固結壓力的比值，對某種土來講是一常數(shù)。因此，正常固結粘土的不排水強度的參數(shù)也可用表示。在穩(wěn)定分析中可直接用代替，在地基加固工程中，如知道土層固結壓力，即可估算天

33、然土層的強度。固結不排水試驗本試驗是使試樣先在某一周圍壓力作用下排水固結，固結排水試驗本試驗是使試樣先在某一周圍壓力作用下排水固結，然后在排水條件下緩緩增加軸向壓力直至破壞，主要是為了求得土的有效強度參數(shù)。排水試驗所需時間較長，實用中常用C 、代替Cd、d。實際上兩種指標，嚴格來說是有區(qū)別的，前者在不排水條件下施加軸向壓力的過程中測量孔隙壓力，試樣體積保持不變，而后者在剪切過程中，試樣排水而導致體積變化，所以兩者的應力應變關系是不會相同的，為此，應用有限元計算土工問題時，為了模擬實際工程的排水條件，需用固結排水試驗成果。此法可用于研究砂土地基的承載力或穩(wěn)定性，也可用于研究粘土地基的長期穩(wěn)定問題

34、。實踐證明，用應力控制式三軸儀作固結排水試驗比用應變控制式三軸儀簡便。除求得Cd、d 外，還能用于測定變形指標。固結排水試驗本試驗是使試樣先在某一周圍壓力作用下排水固結，然試驗儀器及試驗步驟常用的三軸儀依施加軸向荷載的方式不同，可分的應變控制式和應力控制式兩類。（a）應變式控制三軸儀試驗儀器及試驗步驟常用的三軸儀依施加軸向荷載的方式不同，可分（b）應力控制式三軸儀裝置土的力學性質(zhì)指標及其室內(nèi)測定課件三軸儀由軸向加壓系統(tǒng)、壓力室、周圍壓力系統(tǒng)、孔隙壓力測量系統(tǒng)和試樣變形量測系統(tǒng)等組成。附屬設備有擊實筒、飽和器、切土盤（切土器和切土架）、分樣器、承膜筒等。1）軸向加壓系統(tǒng)即三軸試驗機，通常由電動馬

35、達和變速箱進行傳動的螺旋千斤頂、通過儀器臺架上的固定橫梁的反作用，將荷載直接加到貫通壓力室的頂蓋活塞桿上，最后施加于試樣上。軸向壓力的大小反映在橫梁下的測力計上。2）壓力室是安裝試樣并使周圍壓力和軸向荷載作用下試樣的重要部分。壓力室由金屬上蓋、有機玻璃筒和底座組成。用拉桿加以連接構成一體。上蓋中央有不銹鋼活塞傳遞軸向壓力。3）周圍壓力系統(tǒng)和反壓力系統(tǒng)即液壓或氣壓穩(wěn)定裝置，要求對所施加的周圍壓力和反壓力能長期恒壓，以保證試樣在固結和剪切過程中，周圍壓力不變。 三軸儀由軸向加壓系統(tǒng)、壓力室、周圍壓力系統(tǒng)、孔隙壓力測量系統(tǒng)4）孔隙壓力量測裝置，量測孔隙水壓力較理想的是通過零位指示器，用調(diào)壓筒在壓力表

36、上反映，由于限制用水銀，目前多數(shù)采用壓力傳感器加測量箱顯示。關于孔隙水壓力量測系統(tǒng)除不能殘留氣泡外，還應有一定的靈敏度，測量時應基本上不允許孔隙水流動，試樣內(nèi)孔隙水的流動會導致兩種不良后果，一是不能準確地測定孔隙水壓力數(shù)值，這種影響對低壓縮性的土顯得特別重要。另一是在透水性低的土中會產(chǎn)生嚴重的時間滯后現(xiàn)象，使得孔隙水壓力數(shù)值難以穩(wěn)定。為此，無論用零位指示器或者用壓力傳感器進行測量時，都要求有較小的體積因數(shù)。對毛管直徑為1mm的零位指示器，孔隙壓力系統(tǒng)加壓至500kPa時，毛細管內(nèi)水銀面上升要求小于9mm，這一數(shù)值與英國帝國學院、挪威土工所、美國墾務局等使用的儀器的體積因數(shù)基本一致。對于孔隙壓力

37、系統(tǒng)采用的傳感器，要求體積因數(shù)小、線性誤差和重復性誤差小，時漂要滿足試驗要求。體積因數(shù)可用內(nèi)管為毛細管的體變管與傳感器連接后施加壓力，測得壓力與體變的關系曲線，可求出傳感器的體積因數(shù)。4）孔隙壓力量測裝置，量測孔隙水壓力較理想的是通過零位指示器5）變形量測裝置：軸向變形的量測通常采用固定在活塞頂端或量力環(huán)下端的百分表量測。試樣體積變化量的測定對確定固結和剪切過程中，試樣改變后真實斷面積有直接關系。雖然在實用中按等應變原理間接推算固結后的高度和面積，計算體積變化，但試驗中應盡量直接測定，減少誤差。目前常用的是體變管，最簡單的是量管，而更可靠的應該是用內(nèi)外兩管的體變管。管內(nèi)裝中性油，當壓力水流經(jīng)體

38、變管時，推動油與水，使其分界面發(fā)生變動，即可測出試樣的體積變化。 5）變形量測裝置：軸向變形的量測通常采用固定在活塞頂端或量力試驗步驟1）試驗前檢查（1）周圍壓力控制系統(tǒng)和反壓力控制系統(tǒng)的儀表的誤差應小于全量程的1%，采用傳感器時，其誤差應小于全量程的0.5%。根據(jù)試樣強度的大小，選用不同量程的測力計或傳感器，最大軸向壓力的準確度不小于1%。（2）孔隙壓力量測系統(tǒng)的氣泡應排除，其方法是量測系統(tǒng)中充以無氣水，并施加壓力，小心打開孔隙壓力閥，讓管路中的氣泡從壓力室底座排出。應反復幾次，直至氣泡完全沖出為止。（3）排水管路應通暢，各連接處應無漏水漏氣現(xiàn)象。壓力室活塞在軸套內(nèi)應能自動滑動。俟儀器檢查完

39、畢，關閉周圍壓力閥、孔隙壓力閥和排水閥，以備使用。試驗步驟1）試驗前檢查2）試樣制備和飽和三軸試驗采用的試樣最小直徑為mm，最大直徑為mm，試樣高度為試樣直徑的2 2.5倍，試樣的最大粒徑可參照下表。對于有裂縫、軟弱面和構造面的試樣，直徑宜大于60mm。試樣的最大允許粒徑試樣直徑 （mm）允許最大粒徑100試樣直徑的1/10100試樣直徑的1/52）試樣制備和飽和試樣直徑 （mm）允許最大粒徑100試（1）原狀試樣的制備對于較軟的土樣，先用鋼絲鋸或切土刀切取一稍大于規(guī)定尺寸的土柱，放在切土盤上下圓盤之間，用鋼絲鋸或切土刀緊靠側板，由上往下細心切削，邊切削邊轉(zhuǎn)動圓盤，直至土樣被削成規(guī)定的直徑為止

40、。切削時應避免擾動，當試樣表面遇有礫石或凹坑時，允許用削下的余土填補。對較硬的土樣，先用切土刀切取一稍大于規(guī)定尺寸的土柱，放在切土架上，用切土器切削土樣，邊削邊壓切土器，直到切削到比要求的試樣高度約高2cm為止。取出試樣，按規(guī)定的高度將兩端削平、稱量。并取余土測定試樣的含水率。試樣的兩端面應平整，互相平行，側面垂直，上下均勻。（1）原狀試樣的制備(2)擾動土試樣制備應根據(jù)設計預定的干密度和含水率備樣后，在擊樣器內(nèi)分層擊實，各層土樣數(shù)量應相等，各層接觸面應刨毛，擊完最后一層，將擊樣器內(nèi)的試樣兩端整平，取出試樣稱量。然后量測試樣的高度和直徑，試樣的平均直徑可按下式計算： 式中：D1、D2、D3分別

41、為試樣上、中、下部位的直徑。(2)擾動土試樣制備（3）砂類土試樣制備應先在壓力室底座依次放上透水板、橡皮膜和對開圓模。根據(jù)試驗要求的干密度和試樣體積，稱取所需的砂樣，分三等分，在水中煮沸，冷卻后待用。在模內(nèi)注入純水至試樣高度的三分之一，將煮沸冷卻后的一份砂樣按預定的干密度填入橡皮膜內(nèi)，填至該層要求的高度。然后繼續(xù)注入純水至試樣高度的三分之二，再裝第二份砂樣。如此繼續(xù)裝樣直至模內(nèi)裝滿為止。如果要求的干密度較大時，在填砂過程中，輕輕敲打?qū)﹂_圓模，使所稱的砂樣填滿規(guī)定的體積。整平砂面，放上透水板、試樣帽、扎緊橡皮膜。對試樣內(nèi)部施加5kPa負壓力，使試樣能站立，拆除對開圓模。 注：對含有細粒土或要求高

42、密度的試樣，可采用干砂制備，用水頭飽和或反壓力飽和。 （3）砂類土試樣制備（4）試樣飽和可采用以下方法抽氣飽和：將試樣裝入飽和器內(nèi)，放入真空缸內(nèi)，真空缸與抽氣機接通，進行抽氣。當真空度接近一個大氣壓力后，應繼續(xù)抽氣，抽氣時間對粉質(zhì)土大于0.5h，粘質(zhì)土大于1h，堅硬的粘質(zhì)土可大于2h。然后向真空缸注入清水，試樣在水中靜止10h以上，取出試驗。水頭飽和：將試樣裝入壓力室內(nèi)，試樣周圍不貼濾紙條，可施加20kPa的周圍壓力，提高試樣底部量管的水位、降低試樣頂部量管的水位，使兩管水位差在1m左右，打開所有閥門，使純水從底部進入試樣，從頂部溢出，直至流入水量和溢出水量相等為止。當需要提高試樣的飽和度時，

43、宜在水頭飽和前，從底部將二氧化碳氣體通入試樣，置換孔隙中的空氣，二氧化碳的壓力以510kPa為宜。然后再進行水頭飽和。 （4）試樣飽和可采用以下方法反壓力飽和：反壓力的作用可以使試樣達到完全飽和狀態(tài)。目前國內(nèi)外已把試樣施加反壓力作為一種常用的飽和方法。關于反壓力在什么時候施加，有的認為在固結前施加，有的認為在固結后施加，一般認為固結前施加較好。反壓力應分級施加，并分級施加周圍壓力，以盡量減少對試樣的擾動。在施加反壓力的過程中，周圍壓力宜略大于反壓力，以防止試樣可能因膨脹而破壞結構，該差值在施加反壓力的整個過程中應保持常數(shù)。在操作時，先調(diào)周圍壓力至50kPa，將反壓力調(diào)至30kPa，同時打開周圍

44、壓力閥和反壓力閥，再緩緩打開孔隙壓力閥，待孔隙壓力穩(wěn)定后，測記孔隙壓力和體變管讀數(shù)，再施加下一級周圍壓力和反壓力，算出本級周圍壓力下的孔隙壓力增量，并與周圍壓力增量相比，如1，則表示試樣尚未飽和，此時關閉所有閥門，繼續(xù)按上述步驟施加下一級周圍壓力和反壓力。當試樣在某級壓力下達到=1時，保持反壓力不變，增大周圍壓力，若試樣內(nèi)增加的孔隙壓力等于周圍壓力的增量，表明試樣完全飽和。反壓力飽和：反壓力的作用可以使試樣達到完全飽和狀態(tài)。目前國內(nèi)不固結不排水試樣安裝和剪切（1）在壓力室底座上依次放上不透水板、試樣、不透水板和試樣帽，在試樣外套上橡皮膜，并將橡皮膜兩端與底座及試樣帽用橡皮圈扎緊。放上壓力罩，將

45、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(nèi)注滿純水，擰緊排氣孔，并將活塞對淮測力計和試樣頂部。（2）施加周圍壓力，其大小應與工程實際荷載相適應。（3）轉(zhuǎn)動手輪并轉(zhuǎn)動活塞，當測力計有微讀數(shù)時，表示活塞與試樣帽接觸，將測力計和軸向位移計讀數(shù)調(diào)至零位。（4）選擇剪切應變速率，每分鐘應變0.51.0%為宜。啟動馬達，合上離合器，開始剪切。試樣每產(chǎn)生0.30.4%的軸向應變（或0.2mm變形量）測記一次測力計和軸向變形值。當測力計讀數(shù)出現(xiàn)峰值時，剪切應繼續(xù)進行到軸向應變?yōu)?5%20%。（5）試驗結束，關電動機，關周圍壓力閥，打開排氣孔，排除壓力室內(nèi)的水，拆除試樣，稱量、測定試樣含水率。 不固

46、結不排水試樣安裝和剪切（1）在壓力室底座上依次放上不透水固結不排水試樣安裝、固結和剪切（1）開孔隙壓力閥和量管閥，使壓力室底座充水排氣，并關閥。在底座上依次放上透水板、濕濾紙、試樣、濕濾紙和透水板，在試樣周圍貼上濾紙條，并套上橡皮膜，將橡皮膜下端扎緊在底座上。打開孔隙壓力閥和量管閥，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，關孔隙壓力閥和量管閥。打開排水閥，使試樣帽充水，放在透水板上，將橡皮膜與試樣帽扎緊，降低排水管，吸除試樣與橡皮膜之間的余水，關排水閥。加上壓力罩、充水、調(diào)整測力計讀數(shù)與不固結不排水試驗相同。（2）調(diào)整排水管水面與試樣高度的中心齊平，測記水面初讀數(shù)。開孔隙壓力閥，

47、使孔隙壓力等于大氣壓力，關閥，記下初讀數(shù)。需要施加反壓力時，按前面所述進行。固結不排水試樣安裝、固結和剪切（1）開孔隙壓力閥和量管閥，使（3）將孔隙壓力調(diào)至接近周圍壓力值，施加周圍壓力后，打開孔隙壓力閥，待孔壓穩(wěn)定后，測記孔隙壓力值。打開排水閥和孔隙壓力閥，直至孔隙壓力消散至95%以上。固結完成后，關排水閥，測記孔隙壓力和排水量。（4）轉(zhuǎn)動手輪，并轉(zhuǎn)動活塞，使活塞與測力計接觸，測讀軸向變形值。將測力計調(diào)至零位。（5）選擇剪切應變速率，粘土每分鐘應變0.05%0.1%；粉土每分鐘應變0.1%0.5%為宜。啟閉馬達，合上離合器，開始剪切，過程中按一定變形量測記測力計、軸向變形和孔隙水壓力，剪切至軸

48、向變形量達15%20%停止試驗，關電動機，關各閥門，拆樣、稱量，測定試樣含水率。（3）將孔隙壓力調(diào)至接近周圍壓力值，施加周圍壓力后，打開孔隙固結排水試樣安裝、固結和剪切試樣的安裝、固結與固結不排水試驗相同，但剪切過程中應將排水閥門打開，剪切速率采用每分鐘應變0.003%0.012%。固結排水試樣安裝、固結和剪切試樣的安裝、固結與固結不排水試驗計算及成果整理1）試樣固結后的高度、面積、體積及剪切時的面積可按表7.4.2中的公式計算。 高度、面積、體積計算表 項目 起始 固結后 剪切時校正值 按實測固結下沉等應變簡化式試樣高度(cm)h0hc=h0-h hc=h0(1-V/V0)1/3試樣面積(c

49、m2)A0A0=A0(1-V/V0)2/3 Aa=A0/(1-0.011)(不固結不排水剪、固結不排水剪)A0（VcVi）/(hc-hi)（固結排水剪）試樣體積（cm3）V0Vc=hcAc 表中：h固結下沉量（cm）； V 固結排水量（ml）； Vi排水試驗中剪切時的試樣體積變化（ml）； 1 軸向應變，%。（不固結不排水試驗；固結不排水和固結排水試驗）； h i 剪切時試樣的軸向變形（cm）。計算及成果整理1）試樣固結后的高度、面積、體積及剪切時的面積2）主應力差（ ）的計算：式中： 大主應力（kPa）； 3小主應力（kPa）； C測力計率定系數(shù)（N/0.01mm或N/mv）； R測力計讀數(shù)

50、（0.01mm或mv）； A 試樣剪切時的校正面積（cm2）； 10單位換算系數(shù)。2）主應力差（ ）的計算：3）有效主應力比的計算 式中： 有效大主應力（kPa）； 有效小主應力（kPa）； 孔隙水壓力（kPa）。3）有效主應力比的計算4）孔隙水壓力系數(shù)的計算 式中：B初始孔隙水壓力系數(shù)； u0施加周圍壓力后產(chǎn)生的孔隙水壓力（kPa）； Af破壞時的孔隙水壓力系數(shù)； ui試樣破壞時，主應力差產(chǎn)生的孔隙水壓力（kPa）。4）孔隙水壓力系數(shù)的計算5）根據(jù)需要分別繪制主應力差與軸向應變的關系曲線、有效主應力比與軸向應變的關系曲線、孔隙水壓力與軸向應變的關系曲線、用 與 作坐標的應力路徑關系曲線。主應力差與軸向應變的關系曲線 5）根據(jù)需要分別繪制主應力差與軸向應變的關系曲線、有效主應力有效主應力比與軸向應變的關系曲線 土的力學性質(zhì)指標及其室內(nèi)測定課件孔隙水壓力與軸向應變的關系曲線土的力學性質(zhì)指標及其室內(nèi)測定課件應力路徑關系曲線土