三轴剪切试验

实验十 三轴剪切试验

一、概述

三轴剪切试验是测定土的抗剪强度的主要方法之一。它通常用3~4个圆柱形试样分别在不同的围压下施加轴向压力对试样进行剪切，直至破坏，然后根据摩尔——库伦理论，求得土的抗剪强度指标φ和c 。根据排水条件的不同，三轴剪切试验可分为不固结不排水剪(UU)、固结不排水剪(CU)和固结排水剪(CD)三种试验方法。不固结不排水剪试验，在施加周围压力σ3和轴向偏应力（σ1-σ3），直至试样剪坏的整个过程中，均不允许试样排水固结，即不让孔隙水压力消散。固结不排水剪试验，在施加周围压力时，允许试样充分排水固结；在施加偏应力时，不允许排水至试样剪坏。固结排水剪试验，在施加周围压力和轴向偏应力，直至试样剪坏的整个过程中，使试样充分排水固结。这里只介绍饱和试样的固结不排水剪试验。

二、试验原理

三轴试验采用圆柱形试样，对试样在空间三个坐标方向上施加压力。试验时先通过压力室有压液体，使试样在三个轴向受到相同的周围压力σ3，并维持整个试验过程不变。然后通过活塞杆向试样施加垂直轴向压力，直到试样剪坏。

若由活塞杆所加的试样破坏时的压力强度为q ＝σ1-σ3，小主应力是周围压力σ3。由一

个试样所得的σ1和σ3，可以绘制一个极限

应力圆。若干个试样，可得在不同周围压力作用下，试样剪坏时的最大主应力，从而可绘制若干个极限应力圆，作这些应力圆的公切线，便是土的抗剪强度包线，由此包线可求得强度指标c 和φ，附图10.1所示。 三、仪器设备

1、常用的三轴剪切仪，按施加轴向

压力方式的不同，分为应变控制式和应力控制式两种。

2、应变控制式三轴仪见附图10.9所示。包括压力室、轴向加压设备、施加周围压力系统、体积变化和孔隙压力量测系统等。

3、附属设备：击实筒、饱和器、切土盘、切土器和切土架、分样器、承膜筒、天平、量表、橡皮膜等。

附图10.1 抗剪强度包线

附图10.2 原状土分样器 1.钢丝架；2一滑杆；3一底座

附图10.3 对开圆膜 1.压力室底座；2.透水石；3.制样圆模；

4.圆箍；

5.橡皮膜；

6.橡皮圈

1 2

7 6 5

4 3

附图10.4 承膜筒 1.压力室底座；2.透水石；3.试样； 4.承膜筒；5.橡皮膜；6.上帽

1 2 3

4 5 附图10.5 击实器

1.环；

2.位螺丝；

3.杆；

4.击锤；

5.底板 附图10.6 饱和器 1.土样筒；2.紧箍；3.夹板； 4一拉杆；5.透水石 1 2 3 4 5 1

2

3

附图10.7 切土盘 1.轴 2.上盘 3.下盘 1

2 3 附图10.8 切土器 1.土样 2.切土器 3.支架 附图10.9 应变控制式三轴剪切仪

l.调压筒；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.量力环；9.排气孔；10.轴向

四、试验步骤

1、使用前三轴剪切仪应进行检查

(1)周围压力的精度要求达到最大压力的土1％，测读分值一般应为5kPa ，根据试样强度的大小，选择不同量程的量力环，使最大轴向压力的精度不小于1％。

(2)排除孔隙压力量测系统的气泡。其方法是将零位指示器中水银移人贮槽，关闭量管阀，用调压筒或三轴压力室(三轴压力室充满无气水)对孔隙压力量测系统中的无气水(煮沸冷却后的蒸馏水)施加压力，小心打开量管阀，让管路中气泡从量管排出。可反复几次，直到气泡完全冲出为止。必须注意，不要使贮槽水银冲出指示器。排气完毕后，从贮槽中移回水银，关闭孔隙压力阀和量管阀，用调压筒施加压力，检查孔隙压力量测系统的体积因数，要求该体积因数小于1.5⨯10-5cm 3/kPa 。孔隙压力也可用传感器量测。

(3)检查排水管路是否通畅；活塞在轴套滑动是否正常；连接处有无漏水现象。仪器检查完毕，关周围压力阀、孔隙压力阀和排水阀，以备使用。

(4)橡皮膜在使用前应作仔细检查。其方法是在膜充气，扎紧两端，然后在水下检查有无漏气。

2、试样制备

原状试样，可从钻孔原状土柱或试坑原状土块中切取。 试样尺寸应符合下列要求：直径3.91cm 的试样，允许最大粒径为2.0mm ；直径6.18cm 的试样，允许最大粒径为5.0mm ；直径10.1cm 的试样，允许最大粒径为10.0mm ，但也允许个别超径颗粒存在。超径颗粒的粒径不应超过试样直径的1/5。

对于较软的土样，先用钢丝锯或削土刀切取一稍大于规定尺寸的土柱，放在切土盘上、下圆盘之间，再用钢丝锯或削土刀紧靠侧板，由上往下细心切削，边切削边转动圆盘，直到土样被削成规定直径为止。然后按试验要求的试样高度，截取试样，并削平上下两端，见附图10.7。

对于较硬的土样，先用削土刀或钢丝锯切取一稍大于规定尺寸的土样，上下两端削平，按试样的要求层次方向，放在切土架上，用切土器切削。先在切土器环刀口壁涂上一层薄的油或凡士林，将切土器的刀口对准土样，边削土边压切土器，一直切削到比要求的试样高度约高2cm 为止，然后拆开切土器，将试样取出，按要求的高度将两端削平，见附图10.8。

将切削好的试样称重，准确到0.1g 。试样高度和直径用卡尺量测，并按下式计算试样的平均直径：

4

23

210D D D D ++=

式中：D 1、D 2、D 3分别为试样上、中、下部位的直径。

取切下的余土，平行测定含水量，取其平均值作为试样的含水量(同一组原状试样，含水量差值不宜大于2％)。

3、试样饱和

根据试样的性质有抽气饱和、水头饱和和反压力饱和等几种饱和方法。

⑴抽气饱和：将试样装人饱和器(附图6.6)置于抽气缸，盖紧后进行抽气，当真空度接近一个大气压后，对于粉质土(壤土)再继续抽半小时以上，粘质土抽1小时以上，密实的粘质土抽2小时以上，然后徐徐注入清水，并使真空度保持稳定。待饱和器完全淹没在

附10.1