实验六：三轴试验 一、基本原理 三轴剪切试验是用来测定试件在某一固定周围压力下的抗剪强度，然后根据 三个以上试件，在不同周围压力下测得的抗剪强度，利用莫尔-库仑破坏准则确 定土的抗剪强度参数。 三轴剪切试验可分为不固结不排水试验(UU)、固结不排水试验(CU)以 及固结排水剪试验(CD)。 1、不固结不排水试验：试件在周围压力和轴向压力下直至破坏的全过程中 均不允许排水，土样从开始加载至试样剪坏，土中的含水率始终保持不变，可测 得总抗剪强度指标Cu和中： 2、固结不排水试验：试样先在周围压力下让土体排水固结，待固结稳定后， 再在不排水条件下施加轴向压力直至破坏，可同时测定总抗剪强度指标C和 p或有效抗剪强度指标C和'及孔隙水压力系数： 3、固结排水剪试验：试样先在周围压力下排水固结，然后允许在充分排水 的条件下增加轴向压力直至破坏，可测得总抗剪强度指标C,和中· 二、试验目的 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 三、试验设备 1、三轴剪力仪（分为应力控制式和应变控制式两种）。 ()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简组成的密闭容器，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
实验六：三轴试验 一、基本原理 三轴剪切试验是用来测定试件在某一固定周围压力下的抗剪强度，然后根据 三个以上试件，在不同周围压力下测得的抗剪强度，利用莫尔 -库仑破坏准则确 定土的抗剪强度参数。 三轴剪切试验可分为不固结不排水试验（UU）、固结不排水试验（CU）以 及固结排水剪试验（CD）。 1、不固结不排水试验：试件在周围压力和轴向压力下直至破坏的全过程中 均不允许排水，土样从开始加载至试样剪坏，土中的含水率始终保持不变，可测 得总抗剪强度指标CU 和φU ； 2、固结不排水试验：试样先在周围压力下让土体排水固结，待固结稳定后， 再在不排水条件下施加轴向压力直至破坏，可同时测定总抗剪强度指标 CCU 和 φ CU 或有效抗剪强度指标C′和φ′及孔隙水压力系数； 3、固结排水剪试验：试样先在周围压力下排水固结，然后允许在充分排水 的条件下增加轴向压力直至破坏，可测得总抗剪强度指标Cd和φ d 。 二、试验目的 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。 三、试验设备 1、三轴剪力仪（分为应力控制式和应变控制式两种）。 （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。 四、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)土样两瑞放置的诱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
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。 四、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。 五、试样制备和饱和 1、扰动士和砂土的试样：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。 对干砂十，应牛在压力宝底成上依次放上秀水石、滤纸、违草和对开圆 模筒，然后根据 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5kPa的负压力或用量水管降低50m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24小时（粘士），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0.2kgcm2(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 入水和潜出水相为止 (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5kP 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>0,95时被认为是饱和，否则再增加反压力和侧压力使士体内气泡 继续缩小，然后再重复上述测定△/△c3是否大于0.95，即相当于饱和度为大于 95%. 六、试验操作步骤 1、固结不排水试验法(CU)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士 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
加荷。 五、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 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 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 3 ∆u / ∆σ ＞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 3 ∆u / ∆σ 是否大于 0.95，即相当于饱和度为大于 95%。 六、试验操作步骤 1、固结不排水试验法（CU）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 而定， 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 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。试样母产生0.3%~一0.4%的轴问应 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% ,关电动机，关各阀 脱 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。 十、成果整理 1、按下式计算孔隙水压力系数 B=-4 B=4 △o或 G △W W-u: 4=A,-)）或 4=R风A0y-0) 式中：B 各向等压作用下的孔隙水压力系数： △u,一一试样在周围压力增量下所出现孔隙水压力增量(kPa): △o3一一周用压力的增量(kPa):
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。 七、成果整理 1、按下式计算孔隙水压力系数： ∆σ 3 ∆ = ui B 或 i ui B σ 3 = ( ) ∆σ1 −σ 3 ∆ = B u A d 或 ( ) ∆σ1 −σ 3 − = f f i B u u A 式中：B——各向等压作用下的孔隙水压力系数； Δui——试样在周围压力增量下所出现孔隙水压力增量（kPa）； Δσ3——周围压力的增量（kPa）；
山，一一在周围压力下所产生的孔隙水压力(kPa): 一-周围压力(kP: 一偏压应力作用下的孔隙水压力系数： △1 主应力增量(kPa: u一一剪损时的孔隙水压力(kPa)力 △o1一一剪损时的大主应力增量(kPa): △一一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： 4-4--60-管40-爱 式中：、么、d一一固结前的体积、高度和直径： △v、△h、△d一一固结后体积、高度和直径的改变量： (、片一一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： 式中：A,一一剪切过程中平均断面积(cm2): 。一一剪切过程中轴向应变%： Σ△h一一剪切时轴向变形(mm)。 4、按下式计算主应力差： (a,-a,)-CR-CR-i) A。 式中：C一一测力环校正系数(N/0.01mm): R一一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： 63/=03-4 61y=01y-4=(o1-03)/+63 式中：可y可/一一破坏时有效主应力和有效小主应力(kPa): O、o,一一大主应力和小主应力(kPa): 4,一一破坏时孔隙水压力(kPa):
ui——在周围压力下所产生的孔隙水压力（kPa）； σ3i——周围压力（kPa）； A——偏压应力作用下的孔隙水压力系数； Δσ1——大主应力增量（kPa）； uf——剪损时的孔隙水压力（kPa）； Δσ1f——剪损时的大主应力增量（kPa）； Δud——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： ) 3 (1 ) (1 ) (1 0 0 1/ 3 0 0 0 0 0 v v h v v h h h ∆ ≈ − ∆ ′ = − ε = − ) 3 2 (1 ) (1 4 (1 ) 4 0 0 2 / 3 0 2 0 2 0 2 0 0 v v A v v A d d ∆ ≈ − ∆ ′ = − = − π ε π 式中： 0 v 、h0 、d0 ——固结前的体积、高度和直径； ∆v 、∆h、∆d ——固结后体积、高度和直径的改变量； A0 ′ 、h 0 ′ ——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： 0 0 1− ε ′ ′ = A Aa (cm2) 0 0 h h ′ Σ∆ ε ′ = 式中： Aa——剪切过程中平均断面积（cm2）； 0 ε ′——剪切过程中轴向应变%； Σ∆h——剪切时轴向变形（mm）。 4、按下式计算主应力差： ( ) (1 ) 0 0 1 3 σ σ − ε ′ ′ − = = A CR A CR a 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： f f = − u σ 3 σ 3 1 1 1 3 3 σ f = σ f − u f = (σ −σ ) f +σ 式中：σ1 f 、σ 3 f ——破坏时有效主应力和有效小主应力（kPa）； σ1、σ3 ——大主应力和小主应力（kPa）； f u ——破坏时孔隙水压力（kPa）；