第一章土工试验及测试 (1)各向等压(静水压缩)(HC, Hydrostatic compression)试验 在这种试验中,在三轴压力室中用静水压力通过橡皮膜向试样施加室压σ。这时试样应力状态 为σ1=σ2=σ3=σ。不断增加室压,同时量测试样的体积变化。在承德中密砂上进行的静水压 缩试验结果见图1.17 可见这种试验中随着围压σ。=P的增加,同样应力增量引起的体应变增量越来越小,这是由 于土逐渐被压密的结果,常被称为土的压硬性。在卸载时试样发生回弹,再加载的曲线并不完全与 卸载曲线重合,产生滞回圈。当进行不排水试验时,可量测试样孔压,试样孔压与施加室压之比 △G 就是孔压系数B,B的大小表示土的饱和程度 (2)常规三轴压缩(CTc: Conventional triaxial compression)试验 有时也简称为三轴试验。在这种试验中,一般试样是首先等向固结(HC)到一定围压σ_,然 后保持σ不变,增加轴向应力直至破坏。试验中b=0或=-30° (3)常规三轴伸长( CTE: Conventional Triaxial Extension)试验 在这种试验中,试样一般首先被等向固结,然后在保持轴向应力¤a不变的情况下,逐渐增加 室压使σ。=σ1=σ2,σa=σ3,试样被挤长,所以有时也被称为“挤长试验”。这种试验中,轴向加 载活塞与试样帽之间要有一定连接。尽管试样帽上部施加的是拉力,但试样帽下部受压,实际上σ 仍然是正值。在试验中,b=1.0或=30°。 (4)平均主应力P为常数的三轴压缩( TC: Triaxial compression)和三轴伸长(TE: Triaxial extension)试验。 由于保持平均主应力P=常数,所以在TC试验中轴向为大主应力G=O1,在O增加同时,围 压σ减少:Δσ。=-Δσa12。从而使P保持不变(见式1.1.1)。最后试样被压缩而破坏。在这种 试验中日=-30°或b=0 在TE试验中,轴向应力Ga=O3为小主应力,在减小轴向应力的同时,增加室压G。,使 Δσ,=-2Δσ,使P保持不变。试样被挤长,最后伸长破坏。试验中θ=30°或b=1.0。 (5)减压的三轴压缩(RTC: Reduced triaxial compression)试验 试样一般首先在一定应力状态下被固结。试验中轴向应力为大主应力σa=O1,并保持不变 围压σ逐渐减小,即△a2=△a3=△。<0。试样由于围压减小而被轴向压缩,对于粘土,当初 始σ_足够大时,试样可被压缩破坏。对于砂土则与初始围压大小无关,都会发生减压压缩破坏。试 验中日=-30°或b=0 6
第一章 土工试验及测试 6 (1) 各向等压（静水压缩）（HC，Hydrostatic compression）试验 在这种试验中，在三轴压力室中用静水压力通过橡皮膜向试样施加室压σ c 。这时试样应力状态 为σ 1 = σ 2 = σ 3 = σ c 。不断增加室压，同时量测试样的体积变化。在承德中密砂上进行的静水压 缩试验结果见图 1.1.7。 可见这种试验中随着围压σ c = p 的增加，同样应力增量引起的体应变增量越来越小，这是由 于土逐渐被压密的结果，常被称为土的压硬性。在卸载时试样发生回弹，再加载的曲线并不完全与 卸载曲线重合，产生滞回圈。当进行不排水试验时，可量测试样孔压，试样孔压与施加室压之比 c u ∆σ ∆ 就是孔压系数 B，B 的大小表示土的饱和程度。 (2) 常规三轴压缩（CTC:Conventional triaxial compression）试验 有时也简称为三轴试验。在这种试验中，一般试样是首先等向固结（HC）到一定围压σ c ，然 后保持σ c 不变，增加轴向应力直至破坏。试验中b = 0 或θ = −30°。 (3) 常规三轴伸长（CTE:Conventional Triaxial Extension）试验 在这种试验中，试样一般首先被等向固结，然后在保持轴向应力σ a 不变的情况下，逐渐增加 室压使σ c = σ 1 = σ 2 , σ a = σ 3 ,试样被挤长，所以有时也被称为“挤长试验”。这种试验中，轴向加 载活塞与试样帽之间要有一定连接。尽管试样帽上部施加的是拉力，但试样帽下部受压，实际上σ a 仍然是正值。在试验中，b=1.0 或 o θ = 30 。 (4) 平均主应力 p 为常数的三轴压缩（TC:Triaxial compression）和三轴伸长（TE:Triaxial extension）试验。 由于保持平均主应力 p=常数，所以在 TC 试验中轴向为大主应力σ a = σ 1 ,在σ a 增加同时，围 压σ c 减少： ∆σ c = −∆σ a / 2 。从而使 p 保持不变（见式 1.1.1）。最后试样被压缩而破坏。在这种 试验中 o θ = −30 或 b=0。 在 TE 试验中，轴向应力σ a = σ 3 为小主应力，在减小轴向应力的同时，增加室压σ c ，使 ∆σ a = −2∆σ c ，使 P 保持不变。试样被挤长，最后伸长破坏。试验中 o θ = 30 或 b=1.0。 (5) 减压的三轴压缩（RTC：Reduced triaxial compression）试验 试样一般首先在一定应力状态下被固结。试验中轴向应力为大主应力σ a = σ 1 ，并保持不变， 围压σ c 逐渐减小，即 ∆σ 2 = ∆σ 3 = ∆σ c < 0。试样由于围压减小而被轴向压缩，对于粘土，当初 始σ c 足够大时，试样可被压缩破坏。对于砂土则与初始围压大小无关，都会发生减压压缩破坏。试 验中 o θ = −30 或 b=0
第一章土工试验及测试 (6)减载的三轴伸长(RTE: Reduced triaxial extension)试验 试样首先在σ下等向压缩固结,然后保持室压G不变,轴向σ减小,即△a3= Δσ1=Δσ2=Δσ。=0,试样被轴向伸长,可达到破坏。由于室压不变,试样伸长,所以这种试验 也被称为三轴伸长试验。这时=30°或b=10。当σ3<0时,试样中实际上存在拉应力,可引起 拉伸破坏。 7)等比加载(PL: Proportional loading)试验 用三轴试验可进行等比加载压缩试验。一般情况是:σ,/=△,/△o=k,其中k一般 为不小于1.0的常数。等比加载试验中最普遍的是静水压缩试验(HC,k=1.0)和k固结试验 (k=1/k)。在这类试验中,试样总是加载压缩(△E>0)和卸载回弹(△En<0)的 CTE CTC TE TC, TE. SS: p=136kpa CTC,CTE:0=81. 6kpa 图11.8不同应力路径三轴试验 各种三轴试验的应力路径见图118,各应力状态特性见表1-1。 7
第一章 土工试验及测试 7 (6) 减载的三轴伸长（RTE：Reduced triaxial extension）试验 试样首先在σ c 下等向压缩固结，然后保持室压σ c 不变，轴向σ a 减小，即 ∆σ 3 = ∆σ a < 0， ∆σ 1 = ∆σ 2 = ∆σ c = 0 ，试样被轴向伸长，可达到破坏。由于室压不变，试样伸长，所以这种试验 也被称为三轴伸长试验。这时 o θ = 30 或b = 1.0 。当σ 3 < 0时，试样中实际上存在拉应力，可引起 拉伸破坏。 (7) 等比加载（PL:Proportional loading ）试验 用三轴试验可进行等比加载压缩试验。一般情况是： k σ a /σ c = ∆σ a / ∆σ c = ，其中 k 一般 为不小于 1.0 的常数。等比加载试验中最普遍的是静水压缩试验（HC，k=1.0）和 a k 固结试验 （ 0 k = 1/ k ）。在这类试验中，试样总是加载压缩（ ∆ε v > 0 ）和卸载回弹（ ∆ε v < 0 ）的。 各种三轴试验的应力路径见图 1.1.8，各应力状态特性见表 1‐1
第一章土工试验及测试 表1-1不同应力路径的三轴试验应力特点(加载时 验 HC CTC CTE TC RTC RTE 名称|静水压缩常规三常规三轴三轴压缩|三轴伸长|减压三轴减压三轴三轴等比 (各向等)轴压缩伸长挤(p=e) 主要应三个主应围压不轴向应力平均主应平均主应轴向应力围压不变常应力比 力特点力相等 力不变力不变不变 o/o =k d。"ok △ △o/k b() 0°1(30°)0(-30°)|1630°0(30°)|130°0(309 2.三轴试验的一些问题 尽管三轴试验应力状态比较简单,边界影响也不是很严重,但仍存在一些问题。 (1)边界条件的影响 由于顶帽和底座与试样间的摩擦力,使试样两端存在剪应力,从而形成对试样的附加约束,这 样在压缩试验中试样破坏时呈鼓形而拉伸试验时试样呈腰鼓形(颈缩)。这使试样中应力、应变不均 匀,同时使周围压力σ变化。有人对此进行专门研究和采用滚珠、润滑来消除端部约束。改变顶帽 和底座形状消除变形不均匀。另一个约束来自于橡皮膜对试验的约束,它也等于增加了室压σ。另 外,当进行很小室压三轴试验时,试样与顶帽的自重,压力室静水压力加压活塞的自重及它与活塞 轴套间摩擦等因素的影响也都应考虑。像制样时过度拉伸橡皮膜,也可产生对试样的附加轴向应力 砂土制样施加真空增加有效围压。 (2)关于体应变及孔压量测 对于饱和土试样的排水试验,可通过与试样连通的量水管量测试样体积变化。而对于非饱和土, 可以通过量测压力室的体积变化(扣除加压活塞移动引起的体积变化)。这时,一般压力室分为内外 两室,充满相同压力的水,量测内筒内体积的变化可推算试样体积的变化 对于粗粒土,压力室的压力水会使橡皮膜嵌入试样表面,形成麻面,亦即膜嵌入的影响 ( Membrane penetration)对于均匀的粗粒土,在室压变化情况下,它对试验的体变量测影响很大 使量测的试样体积压缩量放大了。这一影响与试样的密度、颗粒尺寸和形状及土的级配有关;与膜 厚度和模量有关;也与室压σ的变化有关。人们力图用不同方法率定或消除这一影响。对于常规三
第一章 土工试验及测试 8 2. 三轴试验的一些问题 尽管三轴试验应力状态比较简单，边界影响也不是很严重，但仍存在一些问题。 (1) 边界条件的影响 由于顶帽和底座与试样间的摩擦力，使试样两端存在剪应力，从而形成对试样的附加约束，这 样在压缩试验中试样破坏时呈鼓形而拉伸试验时试样呈腰鼓形（颈缩）。这使试样中应力、应变不均 匀，同时使周围压力σ c 变化。有人对此进行专门研究和采用滚珠、润滑来消除端部约束。改变顶帽 和底座形状消除变形不均匀。另一个约束来自于橡皮膜对试验的约束，它也等于增加了室压σ c 。另 外，当进行很小室压三轴试验时，试样与顶帽的自重，压力室静水压力加压活塞的自重及它与活塞 轴套间摩擦等因素的影响也都应考虑。像制样时过度拉伸橡皮膜，也可产生对试样的附加轴向应力； 砂土制样施加真空增加有效围压。 (2) 关于体应变及孔压量测 对于饱和土试样的排水试验，可通过与试样连通的量水管量测试样体积变化。而对于非饱和土， 可以通过量测压力室的体积变化（扣除加压活塞移动引起的体积变化）。这时，一般压力室分为内外 两室，充满相同压力的水，量测内筒内体积的变化可推算试样体积的变化。 对于粗粒土，压力室的压力水会使橡皮膜嵌入试样表面，形成麻面，亦即膜嵌入的影响 （Membrane penetration）。对于均匀的粗粒土，在室压变化情况下，它对试验的体变量测影响很大， 使量测的试样体积压缩量放大了。这一影响与试样的密度、颗粒尺寸和形状及土的级配有关；与膜 厚度和模量有关；也与室压σ c 的变化有关。人们力图用不同方法率定或消除这一影响。对于常规三
第一章土工试验及测试 轴排水试验,由于室压a=G3是不变化的,所以它对剪切过程中试验体积量测影响不大。但对于 三轴不排水试验,因为其有效围压随孔压变化而变化,它对量测的孔压有较大影响。 图1.1.9(a)表示在试样固结之后情况,其中阴影的部分表示的是膜嵌入造成的附加的体积压缩 由于膜嵌入,使量测的体变比实际体变大。图1.1.9(b)则表示在施加偏差应力σ1-σ3之后,试样 内产生正孔压△,作用在膜上的有效围压为σ3'=σa-△,与图(a)相比,则膜嵌入深度减少了(即 膜向后回弹),这就意味着试样发生膨胀,骨架的这种膨胀趋势使量测的孔压Δu变小。所以膜嵌入 一般使量测的正孔压偏小。反之在试样发生较强烈剪胀性的情况,会使量测的负孔压加大(绝对值 减小)。 为减小三轴试验的误差,人们采用了各种措施来消除或者量测以率定以上的影响。 △u<0 图1.1.9膜嵌入对孔压量测的影响 3.动三轴试验 为了模拟循环加载情况下土的动力特性,人们在常规静三轴仪基础上,在轴向増加激振系统 其激振方式有电磁力、气(液)压力、惯性力等。后来发展可以在轴压和室压两向分别激振。动三 轴试样的应力状态和典型试验曲线见图1.1.10。用这种试验可从确定土的动模量、阻尼比、动强度 和确定饱和土的抗液化剪应力等。 9
第一章 土工试验及测试 9 轴排水试验，由于室压 ' σ c = σ 3 是不变化的，所以它对剪切过程中试验体积量测影响不大。但对于 三轴不排水试验，因为其有效围压随孔压变化而变化，它对量测的孔压有较大影响。 图 1.1.9(a)表示在试样固结之后情况，其中阴影的部分表示的是膜嵌入造成的附加的体积压缩。 由于膜嵌入，使量测的体变比实际体变大。图 1.1.9（b）则表示在施加偏差应力σ 1 −σ 3 之后，试样 内产生正孔压 ∆u ，作用在膜上的有效围压为σ 3 '= σ c − ∆u ，与图(a)相比，则膜嵌入深度减少了（即 膜向后回弹），这就意味着试样发生膨胀，骨架的这种膨胀趋势使量测的孔压 ∆u 变小。所以膜嵌入 一般使量测的正孔压偏小。反之在试样发生较强烈剪胀性的情况，会使量测的负孔压加大（绝对值 减小）。 为减小三轴试验的误差，人们采用了各种措施来消除或者量测以率定以上的影响。 3. 动三轴试验 为了模拟循环加载情况下土的动力特性，人们在常规静三轴仪基础上，在轴向增加激振系统。 其激振方式有电磁力、气（液）压力、惯性力等。后来发展可以在轴压和室压两向分别激振。动三 轴试样的应力状态和典型试验曲线见图 1.1.10。用这种试验可从确定土的动模量、阻尼比、动强度 和确定饱和土的抗液化剪应力等
第一章土工试验及测试 d^A∽ 骨干曲线 0 样 饱和、不排水条件 m 回曲线 (a)试样应力状态 图1110动三轴试验 4.大型高压三轴仪 近年来在深覆盖层上的高土石坝发展很快,尤其大型混凝土面板堆石坝应用广泛。这种坝型对 于坝体的变形十分敏感,其数值计算需要用三轴试验确定堆石料的模型参数。这种坝料最大粒径可 达一米以上,并且由于最大坝高可为200米或更高,因而需要大型高压的三轴仪。根据研究三轴试 样的直径应大于最大粒径4-6倍。即dm=(-)D,D为试样直径。这样需要试样直径达几米 的三轴仪。目前这么大三轴仪是不现实的。我国的大型三轴仪试样直径有300mm、600mm和700mn 最大室压a3达到几MPa 这种三轴试验的关键问题是如何模拟原型料。通常采用的方法有: 1.相似模拟。它是将原型粒的每一粒组按固定的比例缩小若干倍,保持与原型料几何相似 使最大粒径为试样直径的1/5左右。其缺点是常会将堆石料变成砂砾料,甚至将粗粒土变 成细粒土。 2.剔除法。是将大于dm部分的土料剔除掉。而把剩余的部分作为试验材料。一般只有超过 dm的粒径所占比例很小时(小于10%)才使用此法。 3.替代法。亦称等量替代法。它是以dα以下的一定范围的粒组按比例等量替代超过d-的 部分。它保持了细粒土的含量不变 4.混合法。可将以上方法混合使用 图1.1.11是对某种原型料用三种方法进行模拟得到的级配曲线。用不同方法模拟的土料一般较 难达到堆石坝的现场密度。常需用相对密度来模拟
第一章 土工试验及测试 10 4. 大型高压三轴仪 近年来在深覆盖层上的高土石坝发展很快，尤其大型混凝土面板堆石坝应用广泛。这种坝型对 于坝体的变形十分敏感，其数值计算需要用三轴试验确定堆石料的模型参数。这种坝料最大粒径可 达一米以上，并且由于最大坝高可为 200 米或更高，因而需要大型高压的三轴仪。根据研究三轴试 样的直径应大于最大粒径 4－6 倍。即 d )D 6 1 4 1 ( max = − ，D 为试样直径。这样需要试样直径达几米 的三轴仪。目前这么大三轴仪是不现实的。我国的大型三轴仪试样直径有300mm、600mm和700mm。 最大室压σ 3达到几 MPa。 这种三轴试验的关键问题是如何模拟原型料。通常采用的方法有： 1. 相似模拟。它是将原型粒的每一粒组按固定的比例缩小若干倍，保持与原型料几何相似。 使最大粒径为试样直径的 1/5 左右。其缺点是常会将堆石料变成砂砾料，甚至将粗粒土变 成细粒土。 2. 剔除法。是将大于 dmax 部分的土料剔除掉。而把剩余的部分作为试验材料。一般只有超过 dmax 的粒径所占比例很小时（小于 10%）才使用此法。 3. 替代法。亦称等量替代法。它是以 dmax 以下的一定范围的粒组按比例等量替代超过 dmax 的 部分。它保持了细粒土的含量不变。 4. 混合法。可将以上方法混合使用。 图 1.1.11 是对某种原型料用三种方法进行模拟得到的级配曲线。用不同方法模拟的土料一般较 难达到堆石坝的现场密度。常需用相对密度来模拟