设计性实验指导书

实验名称：三轴剪力试验

实验项目性质：设计性

所属课程名称：土力学与地基基础

计划学时：2学时

一、实验目的

1．了解三轴剪切试验的基本原理；

   2．掌握三轴剪切试验的基本操作方法；

   3．了解三轴剪切试验不同排水条件的控制方法和孔隙压力的测量原理；

   4．进一步巩固抗剪强度的基本理论。

二、预习与参考

[1]《土力学与地基基础》，赵明华主编，武汉理工大学出版社，2000。

[2]《土木工程测试技术手册》，唐益群主编，同济大学出版社，1999。

[3]《基础工程》，张明义主编，北京建材工业大学出版社，2002。

三、设计指标

三轴剪切试验是测定土体抗剪强度的一种方法，通常用3～4个圆柱形试样，分别在不同的恒定围压力下（即小主应力σ₃）施加轴向压力（即主应力差σ₁－σ₃）进行剪切直至破坏，然后根据摩尔—库仑理论，求得土的抗剪强度参数c、φ值。同时，试验过程中若测得了孔隙水压力还可以得到土体的有效抗剪强度指标c′、φ′和孔隙水压力系数等。

四、实验要求（设计要求）

1．实验中的具体操作应按任务书的规定进行，如遇问题要及时向指导教师提出；
   2．实验中出现的仪器故障必须及时向指导教师报告，不可随意自行处理；

3．在学习了土力学与地基基础的相关理论和实验后，能独立完成本实验；

4．实验前，学生应查阅参考文献，理解本实验的目的要求，制定出本实验的设计方案，经指导老师可行性分析后，再修改、确定实验方案；

5．根据实验结果写出实验报告，并分析、讨论，得出结论。

五、实验（设计）仪器设备和材料清单

1．三轴剪力仪（分为应力控制式和应变控制式两种）。

   应变控制式三轴剪力仪有以下几个组成部分（图1）：

图1 应变控制式三轴剪切仪

1－调压桶；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－测力环；9－排气孔；10－轴向加压设备；11－压力室；12－量管阀；13－零位指标器；14－孔隙压力表；15－量管；16－孔隙压力阀；17－离合器；18－手轮；19－马达；20－变速箱。

   （1）三轴压力室   压力室是三轴仪的主要组成部分，它是由一个金属上盖、底座以及透明有机玻璃圆筒组成的密闭容器，压力室底座通常有3个小孔分别与围压系统以及体积变形和孔隙水压力量测系统相连。

   （2）轴向加荷传动系统   采用电动机带动多级变速的齿轮箱，或者采用可控硅无级调速，根据土样性质及试验方法确定加荷速率，通过传动系统使土样压力室自下而上的移动，使试件承受轴向压力。

   （3）轴向压力测量系统   通常的试验中，轴向压力由测力计（测力环或称应变圈等等）来反映土体的轴向荷重，测力计为线性和重复性较好的金属弹性体组成，测力计的受压变形由百分表测读。轴向压力系统也可由荷重传感器来代替。

   （4）周围压力稳压系统   采用调压阀控制，调压阀当控制到某一固定压力后，它将压力室的压力进行自动补偿而达到周围压力的稳定。

   （5）孔隙水压力测量系统   孔隙水压力由孔隙水压力传感器测得。

   （6）轴向应变（位移）测量装置   轴向距离采用大量程百分表（0～30mm百分表）或位移传感器测得。

   （7）反压力体变系统   由体变管和反压力稳定控制系统组成，以模拟土体的实际应力状态或提高试件的饱和度以及测量试件的体积变化。

   2．附属设备

   （1）击实器和饱和器；

   （2）切土器和原状土分样器；

   （3）砂样制备模筒和承模筒；

   （4）托盘天平和游标卡尺；

   （5）其它如乳膜薄、橡皮筋、透水石、滤纸、切土刀、钢丝锯、毛玻璃板、空气压缩机、真空抽气机、真空饱和抽水缸、称量盒和分析天平等。

六、调试及结果测试

（一）试验前的检查和准备

1．仪器性能检查应包括如下几个方面：

   （1）周围压力和反压力控制系统的压力源；

   （2）空气压缩机的稳定控制器（又称压力控制器）；

   （3）调压阀的灵敏度及稳定性；

   （4）监视压力精密压力表的精度和误差；

   （5）稳压系统有否漏气现象；

   （6）管路系统的周围压力、孔隙水压力、反压力和体积变化装置以及试样上下端通道节头处是否存在漏气或阻塞现象；

   （7）孔压及体变的管道系统内是否存在封闭气泡，若有封闭气泡可用无气水进行循环排水；

   （8）土样两端放置的透水石是否畅通和浸水饱和；

   （9）乳胶薄膜套是否有漏气的小孔；

   （10）轴向传压活塞是否存在磨擦阻力等。

   2．试验前的准备工作

   除了上述仪器性能检查外，还应根据试验要求作如下的准备：

   （1）根据工程特点和土的性质确定试验方法和测定哪些参数；

   （2）根据土样的制备方法和土样特性决定饱和方法和设备；

   （3）根据试验方法和土的性质，确定剪切速率；

   （4）根据取土深度和应力历史以及试验方法，确定周围压力的大小；

   （5）根据土样的多少和均匀程度确定单个土样多级加荷还是多个土样分级加荷。

（二）试样制备和饱和

    1．扰动土和砂土的试样

   根据要求可按一定的干容重和含水量将扰动土拌匀，粉质土分3～5层，粘质土分5～8层，分层装入击实筒击实（控制一定密度），并在各层面上用切土刀刨毛以利于两层面之间结合。

   对于砂土，应先在压力室底座上依次放上透水石、滤纸、乳胶薄膜和对开圆模筒，然后根据一定的密度要求，分三层装入圆模筒内击实。如果制备饱和砂样，可在圆模筒内通入纯水至1/3高，将预先煮沸的砂料填入，重复此步骤，使砂样达到预定高度，放在滤纸、透水石、顶帽，扎紧乳胶膜。为使试样能站立，应对试样内部施加0.05kg/cm²(5kPa)的负压力或用量水管降低50cm水头即可，然后拆除对开圆模筒。

   2．原状试样

   将原状土制备成略大于试样直径和高度的毛坯，置于切土器内用钢丝锯或切土刀边削边旋转，直到满足试件的直径为止，然后按要求的高度切除两端多余土样。

   3．试样饱和

   （1）真空抽气饱和法  将制备好的土样装入饱和器内置于真空饱和缸，为提高真空度可在盖缝中涂上一层凡士林以防漏气。将真空抽气机与真空饱和缸接通，开动抽气机，当真空压力达到一个大气压力，微微开启管夹，使清水徐徐注入真空饱和缸的试样中，待水面超过土样饱和器后，使真空表压力保持一个大气压力不变，即可停止抽气。然后静置一段时间，粉性土大约10小时左右，使试样充分吸水饱和。另一种所抽气饱和办法，是将试样装入饮和器后，先浸没在带有清水注入的真空饱和缸内，连续真空抽气2～4小时（粘土），然后停止抽气，静置小时左右即可。

   （2）水头饱和法  将试样装入压力室内，施加0.2kg/cm²(20kPa)周围压力，使无气泡的水从试样底座进入，待上部溢出，水头高差一般在1m左右，直至流入水量和溢出水量相等为止。

   （3）反压力饱和法  试件在不固结不排水条件下，使土样顶部施加反压力，但试样周围应施加侧压力，反压力应低于侧压力的0.05kg/cm²(5kPa)，当试样底部孔隙压力达到稳定后关闭反压力阀，再施加侧压力，当增加的侧压力与增加的孔隙压力其比值＞0.95时被认为是饱和，否则再增加反压力和侧压力使土体内气泡继续缩小，然后再重复上述测定是否大于0.95，即相当于饱和度为大于95%。

（三）固结不排水试验法（CU）试验

根据排水条件不同，三轴剪切试验分为不固结不排水试验（UU）、固结不排水剪切(CU)和固结排水试验（CD）。此处只介绍固结不排水剪切试验。拟作其他不同围压实验时可多做几个试样（3~4个），在不同围压条件下实验操作步骤略有不同。

   1．操作步骤

   （1）将制备成大于试样直径和高度的毛坯，放在切土器内用钢丝锯和修土刀，制备成所要求规格的试样，最后量其直径、高度、称其重量，并选择代表性的土样测定含水量。

   （2）安装试样前，事先应全面检查三轴仪的各部分是否完好。

   ①打开试样底座的开关（孔隙水压力阀和量管阀），使量管里的水缓缓地流向底座，并依次放上透水石和滤纸，待气泡排除后，再放上试样，试样周围贴上滤纸条，关闭底座开关。

   ②把已检查过的橡皮薄膜套在承膜筒上，两端翻起，用吸球从气嘴中不断吸气，使橡皮膜紧贴于筒壁，小心将它套在土样外面，然后让气嘴放气，使橡皮膜紧贴试样周围，翻起橡皮两端，用橡皮紧圈将橡皮膜下端扎紧在底座上。

   ③打开试样底座开关，让量管中水（有时采取高量管所产生的水头差）从底座流入试样与橡皮膜之间，排除试样周围的气泡，关闭开关。

   ④打开与试样帽连通的排水阀，让量水管中的水流入试样帽，并连同透水石，滤纸放在试样的上端，排尽试样上端及量管系统的气泡后关闭开关，用橡皮圈将橡皮膜上端与试样帽扎紧。

   ⑤装上压力筒拧紧密封螺帽，并使传压活塞与土样帽接触。

   （3）试样排水固结按下列步骤进行：

   ①向压力室施加试样的周围压力（水压力或气压力），周围压力的大小根据土样的覆盖压力而定，一般应等于和大于覆盖压力，但由于仪器本身限定，目前最大压力不宜超过0.6MPa（低压三轴仪）和2.0MPa（高压三轴仪）。

   ②同时测定土体内与周围压力相应的起始孔隙水压力，施加周围压力后，在不排水条件下静止15～30分钟后，记下起始孔隙水压力读数。

   ③打开排水阀，固结完成后，并排水阀，测计孔隙水压力和排水管读数。

   ④转动细档手轮，微调压力机升降台，使活塞与试样接触，此时轴向变形指示计的变化值为试样固结时的高度变化。

   （4）试样剪切按下列步骤进行：

   ①剪切速率：粘土宜为0.05～0.1%/每分钟，粉质土或轻亚粘土为0.1～0.5%/每分钟。

   ②将轴向变形的百分表、轴向压力测力环的百分表及孔隙水压力计读数均调速至零点。

   ③启动电动机，合上离合器，开始剪切。试样每产生0.3%～0.4%的轴向应变（或0.2mm变形值），测读一次测力计读数和轴向变形值。当轴向应变大于3%时，试样每产生0.7%～0.8%的轴向应变（或0.5mm变形值），测读一次。当测力计读数出现峰值时，剪切应继续进行到轴向应变量为15%～20%。

   ④试验结束，关电动机，关各阀门，脱开离合器，转动手轮，将压力室降下，打开排气孔，排除压力室内的水，拆卸压力室罩，取出试件，描绘试样破坏时形状并称其质量，并测定土样含水率。

   2．成果整理

（1）按下式计算孔隙水压力系数：

 或  

 或  

式中：B—各向等压作用下的孔隙水压力系数；

     —试样在周围压力增量下所出现孔隙水压力增量（kPa）；

     —周围压力的增量（kPa）；

     —在周围压力下所产生的孔隙水压力（kPa）；

     —周围压力（kPa）；

     —偏压应力作用下的孔隙水压力系数；

     —大主应力增量（kPa）；

     —剪损时的孔隙水压力（kPa）；

     —剪损时的大主应力增量（kPa）；

     —试样在主应力差下所产生的孔隙水压力增量（kPa）。

   （2）按下式修正试样固结后的高度和面积：

式中：、、—固结前的体积、高度和直径；

     、、—固结后体积、高度和直径的改变量；

     、—固结后平均断面积和高度。

   （3）按下式计算剪切过程中的平均断面积和应变值：

(cm²)    

式中：—剪切过程中平均断面积（cm²）；

     —剪切过程中轴向应变%；

     —剪切时轴向变形（mm）。

   （4）按下式计算主应力差：

式中：C—测力环校正系数（N/0.01mm）；

     R—测力环百分表读数差（0.01mm）。

   （5）按下式计算破坏时有效主应力：

   

   

式中：、—破坏时有效主应力和有效小主应力（kPa）；

     、—大主应力和小主应力（kPa）；

     —破坏时孔隙水压力（kPa）；

   （6）主应力差与轴向应变关系曲线（图2）：以主应力差为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制关系曲线，取曲线上主应力差的峰值作为破坏点，无峰值时，取15%轴向应变时的主应力差值作为破坏点。

（7）有效应力比与轴向应变关系曲线（图3）：以有效应力比为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制关系曲线。

图2 主应力差与轴向应变关系曲线     图3 有效应力比与轴向应变关系曲线

   （8）孔隙水压力u与轴向应变关系曲线（图4）：以孔隙水压力u为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制关系曲线。

（9）固结不排水剪强度包线（图5）：以剪应力为纵坐标，法向应力为横坐标，在横坐标轴以破坏时的为圆心，以为半径，绘制破坏总应力圆，并绘制不同周围压力下破坏应力圆的包线，包线的倾角为内摩擦角，包线在纵轴上的截距为粘聚力。对于有效内磨擦角和有效粘聚力，应以为圆心，以为半径绘制有效破坏应力圆确定。

                                                                                       

图4 孔隙压力与轴向应变关系曲线           图5 固结不排水剪强度包线

（ 10 ）有效应力路径曲线（图 6 ）：若各应力圆无规律，难以绘制各应力圆强度包线，可按应力路径取值，即以 为纵坐标，以 为横坐标，绘制有效应力路径曲线并按下式计算有效内磨擦角 和有效粘聚力 。

图6 应力路径曲线

有效内摩擦角：

   有效粘聚力：

式中：—应力路径图上破坏点连线的倾角（°）；

     d—应力路径图上破坏点连线在纵轴上的截距（kPa）。                    

七、考核形式

1．考核的方式

指导教师与各组组长对实验每一个成员共同进行考核，考核成绩分为：优秀、良好、中等、及格、不及格五等。

2．成绩评定标准

（1）认真、正确完成实验，实验报告写的字迹秀美，条理阐述清楚、得当，程序完善，顺理成章。实验结果正确，能够熟练掌握各种测量仪器的应用，考核成绩定为优秀。

（2）认真、正确完成实验，实验报告写的字迹工整，条理阐述清楚，程序完善。实验结果正确，能够比较熟练掌握各种测量仪器的应用者，考核成绩定为良好。

（3）较为认真地完成实验，实验报告写的比较好，条理阐述比较清楚，符合程序规定。实验结果基本正确，能较好的掌握各种测量仪器的应用者，考核成绩定为中等。

（4）较为认真地完成实验，实验报告写的字迹比较潦草，但条理阐述还算清楚。实验结果基本正确，会使用各种测量仪器者，考核成绩定为及格。

（5）不认真做实验或抄袭别人的实验报告，实验结果不正确，不能正确的使用各种测量仪器者，考核成绩定为不及格。

八、实验报告要求

1．认真完成实验报告，报告要用攀枝花学院实验报告纸，作图要用坐标纸。

2．报告中出现的图、表格必须用直尺画。

3．应在理解的基础上简单扼要的书写实验原理，不提倡大段抄书。

4．应结合具体的实验现象和问题进行讨论，不提倡纯理论的讨论，更不要从其它参考资料中大量抄录。

5．实验报告的分数与报告的篇幅无关。

九、思考题

1．三轴剪力试验与直接剪切试验有何区别？

2．不固结不排水试验（UU）、固结不排水试验(CU)、固结排水剪试验(CD)分别指什么？有何区别？

记录表：

三轴试验记录表（固结不排水剪）

试验名称                    试样编号                    试验日期                  

试验者                    计算者                    校核者                  

1、含水率                                           2、密度

3、反压力饱和

4、固结排水

周围压力       kPa     反压力       kPa      孔隙水压力       kPa

5、不排水剪切

测力环系数        N/0.01mm    剪切速率      mm/min  周围压力        kPa

 反压力        kPa         孔隙水压力       kPa   温    度        ℃