土力学三轴试验

土力学三轴试验
土力学三轴试验
三轴试验中土的剪切性状分析
摘要：按剪切前的固结状态和剪切时的排水条件分为三种：不固结不排水剪，固结不排水剪，固结排水抗剪。

文中将讨论正常固结饱和黏性土在剪切时将具有不同的强度特性。

关键词：不固结不排水抗剪强度，固结不排水抗剪强度，固结排水抗剪强度作者简介：
Triaxial shear Characters of Middle-earth
LI Jia-chun
（shanghai University，department of civil engineering，08124240）
Abstract: Consolidation by the state before shear and shear when the drainage is divided into three types: non-consolidated undrained shear, consolidation undrained shear, consolidated drained shear. This article will discuss the normally consolidated saturated clay in the shear strength will have different characteristics.
Key words: non-consolidated undrained shear, consolidation undrained shear, consolidated drained shear.
0 引言
广义黏性土包括粉土，黏性土。

黏性土的抗剪强度远比无粘性土复杂。

要准确掌握原状土的强度特性，也就非常困难。

对土的强度研究，大多数用均匀的重塑土。

原状土和重塑土之间在结构上和应力历史存在重大差异，且原状土的取样扰动对其实际强度也有较大影响。

按剪切前的固结状态和剪切时的排水条件分为三种：不固结不排水剪，固结不排水剪，固结排水抗剪。

下面将讨论正常固结饱和黏性土在剪切时将具有不同的强度特性。

固结排水试验（慢剪）:土样在竖向荷载下充分排水固结,然后缓慢（约40分钟或更长时间）地施加剪应力直至破坏。

以上三种试验,可以得到不同的强度参数,实际应用时要根据工程和土层的具体情况选用试验方法及其强度参数。

例如在深厚的高塑性黏土地基上,建筑物施工速度很快,预计动土层在施工期排水固结程度很小,就应当采用快剪的参数来分析地基的稳定性;又如施工期很长,预计土层能够充分排水固结,但竣工后可能有瞬时荷载,在这种情况下可以用固结快剪的参数。

1 三轴试验
饱和黏性土的抗剪强度试验有总应力法和有效应力法之分;相应的强度参数有总应力参数和有效应力参数之别。

由于直剪试验不能量测土样内的孔隙水应力,不能从定量上知道土样的排水固结的程度。

所以只能根据控制试验速度来求得不同的强度参数,规定了以下三种不同的试验方法: 不固结不排水试验（快剪）:在士样上下面上加一层塑料薄膜防止孔隙水排出,在竖荷载施加后立即（3~5分钟）进行剪切直至破坏;
固结不排水（固结快剪）:先让土样在竖荷载下充分排水固结（通常
恒压24小时）,然后快速地将土样剪坏;
1 不固结不排水抗剪强度（简称不排水抗剪强度）
如前所述，不固结不排水试验是在施加周围压力和轴向压力直至剪切破坏的整个试验过程中都不允许排水，如果有一组饱和粘性土试件，都先在某一周围压力下固结至稳定，试件中的初始孔隙水压力为静水压力，然后分别在不排水条件下施加周围压力和轴向压力至剪切破坏，试验结果如图1所示，图中三个实线半圆A、B、C分别表示三个试件在不同的
?3作用
下破坏时的总应力圆，虚线是有效应力圆。

试验结果表明，虽然三个试件的周围压力
?3不同，但破坏时的
主应力差相等，在
?f-?
3图上表现出三个总应力圆直
径相同，因而破坏包线是一条水平线，即
式中——不排水内摩擦角，度；
——不排水抗剪强度，kPa
在试验中如果分别量测试样破坏时的孔隙水压力，试验结果可以用有效应力整理，结果表明，三个试件只能得到同一个有效应力圆，并且有效应力圆的直径与三个总应力圆直径相等，即
这是由于在不排水条件下，试样在试验过程中含
水量不变，体积不变，饱和粘性土的孔隙压力系数＝1，改变周围压
力增量只能引起孔隙水压力的变化，并不会改变试样中的有效应力，各试件在剪切前的有效应力相等，因此抗剪强度不变。

如果在较高的剪前固结压力下进行不固结不排水试验，就会得出较大的不排水抗剪强度。

由于一组试件试验的结果，有效应力圆是同一个，
因而就不能得到有效应力破坏包线和
、
值，所
以这种试验一般只用于测定饱和土的不排水强度。

不固结不排水试验的“不固结”是在三轴压力室压力下不再固结，而保持试样原来的有效应力不变，如果饱和粘性土从未固结过，将是一种泥浆状土，抗剪强度也必然等于零。

一般从天然土层中取出的试样，相当于在某一压力下已经固结，总具有一定天然强度。

天然土层的有效固结压力是随深度变化的，所以不排水抗剪强度
也随深度变化，均质的正常固结不排水
强度大致随有效固结压力成线性增大。

饱和的超固结
粘土的不固结不排水强度包线也是一条水平线，即。

2 固结不排水抗剪强度
饱和粘性土的固结不排水抗剪强度在一定程度上受应力历史的影响，因此，在研究粘性土的固结不排水强度时，要区别试样是正常固结还是超固结。

将第5章提到的正常固结土层和超固结土层的概念应用到三轴固结
不排水试验中，如果试样所受到的周围固结压力
大于它曾受到的最大固结压力
，属于正常
固结试样；如果
＜
，则属于超固结试样。

试验
结果证明，这两种不同固结状态的试样，其抗剪强度性状是不同的。

饱和粘性土固结不排水试验时，试样在作用下
充分排水固结，
，在不排水条件下施加偏应
力剪切时，试样中的孔隙水压力随偏应力的增加而不
断变化，
，如图2所示，对正
常固结试样剪切时体积有减少的趋势（剪缩），但由于
不允许排水，故产生正的孔隙水压力，由试验得出孔隙压力系数都大于零，而超固结试样在剪切时体积有增加的趋势（剪胀），强超固结试样在剪切过程中，开始产生正的孔隙水压力，以后转为负值。

图3表示正常固结饱和粘性土固结不排水试验结
果，图中以实线表示的为总应力圆和总应力破坏包线，如果试验时量测孔隙水压力，试验结果可以用有效应力整理，图中虚线表示有效应力圆和有效应力破坏包线
，
为剪切破坏时的孔隙水压力，由
于
，
，
故
o～40o之间，超固结土的破坏包线略弯曲，实用上近似取为一条直线代替，如图5（b）所示，25kPa，
比正常固结土的内摩擦角要小
、
与固结不排水试验得到的
、
约为5～
试验证明，
，即有效应力圆与总应力圆直径相
很接近，由于固结排水试验所需的时间太长，故实等，但位置不同，两者之间的距离为
，因为正常固
结试样在剪切破坏时产生正的孔隙水压力，故有效应
力圆在总应力圆的左方。

总应力破坏包线和有效应力破坏包线都通过原点，说明未受任何固结压力的土（如泥浆状土）不会具有抗剪强度。

总应力破坏包线的倾角以
表示，一般在10o～20o之间，有效应力破坏
包线的倾角称为有效内摩擦角，比
大一倍左
右。

3 固结排水抗剪强度（简称排水抗剪强度）
固结排水试验在整个试验过程中，超孔隙水压力始终为零，总应
力最后全部转化为有效应力，所以总应力圆就是有效应力圆，总应力破坏包线就是有效应力破坏包线。

图4（a）和（b）分别为固结排水试验的应力-应变关系和体积变化，在剪切过程中，正常固结粘土发生剪缩，而超固结土则是先剪缩，继而主要呈现剪胀的特性。

图5为固结排水试验结果，正常固结土的破坏包线通过原点，如图5（a）所示，粘聚力＝0，内摩擦角
约在20
用上以
、
代替
、
，但是两者的试验条件是
有差别的，固结不排水试验在剪切过程中试样的体积保持不变，而固结排水试验在剪切过程中试样的体积一般要发生变化，
、
略大于
、。

在直接剪切试验中进行慢剪试验得到的结果常常偏大，根据经验可将慢剪试验结果乘以0.9。

图6表示同一种粘性土分别在三种不同排水条件
下的试验结果，由图可见，如果以总应力表示，将得出完全不同的试验结果，而以有效应力表示，则不论采用那种试验方法，都得到近乎同一条有效应力破坏包线（如图中虚线所示），由此可见，抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系。

4 三种结果比较
将上述三种三轴压缩试验的结果汇总于图中。

由图可见，对于同一种正常固
结的饱和粘
土，当采用三种不同的试验方法来测定其抗剪强度时，其强度包线是不同的。

其中UU试验结果是一条水平线，CU和CD试验各是一条通过坐标原点的直线。

三种方法所得到的强度指标间的关系是
c u ? c cu ? c
d ? 0 ，? d??cu??u?0
试验结果表明，当用有效应力表示试验结果时，三种剪切试验将得到基本相同的强度包线及十分接近的有效应力强度指标，这就意味着同一种土三种试验的试样将沿着同一平面剪破。

实测资料表明，?f通常约为60°，而粘性土的一般在30°左右，实测的?f角接近于 45 ? ? / 2 ，?
这也是有效应力概念下的理论剪破角。

正常固结土为应变硬化型，体变多表现为剪缩。

5 结论
由三种三轴试验结果可见，同一种粘土当以总应力表示试验结果时，由不同试验方式可得到不同的总应力强度指标。

当以有效应力表示试验结果时，三种剪切试验将得到十分接近的有效应力强度指标，这意味着粘土在三种试验中将沿同一平面剪破。

6 参考文献
[1] 张孟喜主编. 土力学原理[M], 武汉: 华中科技大学出版
社,2010.9: 101－113.（ Zhang Mengxi. Soil mechanics [M], Wuhan: Huazhong University of Science & Technology Press, 2010.9: 101-113.）。