土的静三轴剪切试验

一、基本原理

三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法。它通常用3-4个圆柱形试样，分别在不同的恒定周围压力（σ3）下，施加轴向压力，即主应力差（σ1-σ3），进行剪切直到破坏；然后根据摩尔-库伦理论，求得抗剪强度参数。

适用于测定细粒土及砂类土的总抗剪强度参数及有效抗剪强度参数。

本次试验主题词：周围压力；轴向压力；不固结不排水剪；固结不排水剪；固结排水剪。

二、仪器设备

1．三轴压缩议：应变控制式，由周围压力系统、反压力系统、孔隙水压力量测系统和主机组成。

2．附属设备：包括击实器、饱和器、切土器、分样器、切土盘、承膜筒和对开圆模。 

3．天平：称量200g，感量0.019；称量1000g，感量0.1g。 

4．橡皮膜：应具有弹性，厚度应小于橡皮膜直径的1／100，不得有漏气孔。 

三、操作步骤

试样的制备： 

（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

（2）试样饱和一般采用真空抽气饱和法，将切好的试样装入饱和器后，先浸没在带有清水的真空饱和缸内，连续真空抽气2-4小时（粘土），然后停止抽气，静置12小时左右即可。 

（3）原状试样制备，应将土切成圆柱形试样，试样两端应平整并垂直于试样轴，当试样侧面或端部有小石子或凹坑时，允许用削下的余土修整，试样切削时应避免扰动，并取余土测定试样的含水量。 

（4）扰动试样制备，应根据预定的干密度和含水量，在击实器内分层击实，粉质土宜为3一5层，粘质土宜为5一8层，各层土料数量应相等，各层接触面应刨毛。 

（5）对于砂性土应先在压力室底座．全依次放上不透水板，橡皮膜和对开圆膜。将砂料填入对开圆膜内，分三层按预定干密度击实。当制备饱和试样时，在对开圆膜内注入纯水至1／3高度，将煮沸的砂料分三层填入，达到预定高度。放上不透水板、试样帽，扎紧橡皮膜。对试样内部施加5KPa负压力使试样能站立，折除对开圆膜。 

（6）对制备好的试样，应量测其直径和高度。 

试样的安装： 

（1）检查压力管线，并连接管线。

（2）打开试样底座的开关，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，在放上试样，试样周围贴上滤纸条，关闭底座开关。

（3）把已检查过的橡皮薄膜套在膜筒上，两端翻起，用吸球从气嘴中不断吸气，使橡皮膜帖于筒壁，小心将它套在土样外面，然后让气嘴放气，使橡皮膜紧帖试样周围，翻起橡皮膜两端，扎紧橡皮膜。

（4）把土样装入压力室。

（5）安装轴向位移传感器。

试样排水固结步骤：

   1、施加周围压力；

 2、开孔隙水压力阀，测定孔隙水压力。开排水阀。当需测定排水过程时，测记排水管水面及孔隙水压力值，直至孔隙水压力消散95％以上。固结完成后，关排水阀，测记排水管读数和孔隙水压力读数。

试样剪切步骤： 

   1、关孔隙水压力阀，微调压力机升降台，使活塞与试样接触，此时轴向变形百分表的变化值为试样固结时的高度变化。

   2、将轴向测力计、轴向变形百分表及孔隙水压力读数均调整至零。选择剪切应变速率，进行剪切。粘质土每分钟应变为0.05～0.1％；粉质土每分钟应变为0.1～0.5％。 测记轴向压力、孔隙水压力和轴向变形。试验结束，关电动机和各阀门，开排气阀，排除压力室内的水，拆除试样，描述试样破坏形状。称试样质量并测定含水量。  

  3、破坏后的试样。

可分为三种具体的方法：

1．固结不排水试验（点击观看动画演示）

土样安装好后进行固结，在启动电动机开始剪切。剪切应变速率宜为每分钟应变0.5～1.0％。试样每产生0.3～0.4％的轴向应变，测计一次测力计读数和轴向变形值。当轴向应变大于3％，每隔0.7～0.8％的应变值测记一次读数。

2．不固结不排水试验（点击观看动画演示）

土样安装好后不进行固结，直接启动电动机开始剪切。剪切应变速率宜为每分钟应变0.5～1.0％。试样每产生0.3～0.4％的轴向应变，测计一次测力计读数和轴向变形值。当轴向应变大于3％，每隔0.7～0.8％的应变值测记一次读数。

3．固结排水试验（点击观看动画演示）

试样的安装、固结和剪切，与固结不排水试验的相应步骤相同，但在剪切过程中应打开排水阀，剪切速率采用每分钟应变 0.003～ 0.012％。

五、注意事项

1．不固结不排水试验

（1）轴向应变应按下式计算。

式中ε——轴向应变值（％）；

△hi——剪力过程中的高度变化（mm）；

h0——试样起始高度（mm）。

（2）试样面积的校正，应按下式计算：

式中Aa——试样的校正断面积（cm2）；

A0——试样的初始断面积（cm2）。

（3）主应力差应按下式计算：

式中σ1——大主应力(KPa）；

σ3——小主应力(KPa)；

C——测力计率定系数（ N／0.0lmm或N／mV）；

R——测力计读数（0.01mm或mV）；

10——单位换算系数。

（4）以（σ1－σ3）的峰值为破坏点，无峰值时，取15％轴向应变时的主应力差值作为破坏点。以法向应力为横坐标，剪应力为纵座标，在横坐标上以（σ1f+σ3f）/2为圆心，（σ1f－σ3f）/2为半径（f注脚表示破坏），在t～σ应力平面图上绘制破损应力图，并绘制不同周围压力下破损应力圆的包线，由破损应力圆的包线求出不排水强度参数c、j，下图所示。

不固结不排水剪强度包线

2．固结不排水试验

 （1）按下式计算试样固结后的高度： 

式中hc——试样固结后的高度（cm）； 

 △V——试样固结后与固结前的体积变化（cm3）。 

（2）试样固结后的面积，按下式计算： 

式中Ac——试样固结后的断面积(cm2)。 

（3）剪切时试样的校正面积，按下式计算。 

（4）主应力差与不固结不排水试验计算方法相同。 

（5）孔隙水压力系数，按下列公式计算： 

 初始孔隙水压力系数 

式中B——初始孔隙水压力系数； 

 ——施加周围压力产生的孔隙水压力（KPa）。 

 破坏时孔隙水压力系数 

式中Af——破坏时的孔隙水压力系数； 

 ——试样破坏时，主应力差产生的孔隙水压力（kPa）。 

 （6）绘制破损应力圆并确定摩擦角和粘聚力，如下图所示。 

  固结不排水剪强度包线 

3．固结排水试验

 剪切时试样的校正面积，应按下式计算。 

式中：△Vi ——剪切过程中试样的体积变化（cm3） 

△hi——剪切过程中试样的高度变化（cm） 

 其余如试样固结后的高度、面积，主应力差等按固结不排水试验的相应公式计算。 

 绘制破损应力圆并确定摩擦角和粘聚力，如下图所示。

固结排水剪强度包线

五、注意事项

 ．同一组的几个试样应是同一层土，密度值不应超过允许误差。

2．画τ-σ曲线时，纵横坐标分度值要统一（如1cm都代表100kPa）。