土工试验-三轴剪切试验指导书

三轴剪切试验
第一节 概述
三轴剪切试验被认为是测定土的抗剪强度的一种较完善的方法。

与直剪试验相比，三轴剪节试验有以下优点：1、能控制试验过程中试样的排水条件；2、能量测试样固结和排水过程中的孔隙水应力；3、试样内应力分布均匀。

三轴剪切试验能得到不同条件下土的抗剪强度指标和变形参数。

根据试验过程中排水条件的不同，将三轴试验分为不固结不排水剪（UU ）、固结不排水剪（CU ）和固结排水剪（CD ）等三种类型。

第二节 试验原理和计算公式
三轴剪切试试样为圆柱状如图11-1。

试验过程中测量以下参数：1、周围压力，2、竖向应力增量q,3、竖向变形量或竖向应变ε1，4、试样底部的孔隙水应力u,5、试样顶部接排水管量测试样排水量，6、反压力。

不同类型的三轴剪切试验加载过程如下：
一、不固结不排水剪（UU ）
一组试验通常需四个试样，试验加载顺序如下：
1、在每个试样的周围施加相同的初始固结应力，待其固结完成后，量测试样轴向变形量和体积变化；
2、对各个试样分别施加不同的围压增量作用，在作用期间不允许试样固结排水，量测由产生的孔隙应力u=1u ∆；
3、施加竖向偏应q(q 自零开始增加，至试样破坏时达到最大值qmax)。

施加q 的过程中也不允许试样排水。

在加q 的过程中，量测q 的数值、由q 产生的轴向应变和孔隙水应力u=21u u ∆+∆（2u ∆为由q 产生的孔隙水应力）。

值得注意的是，《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）及其它土工试验标准中规定，对于原状土UU 试验步骤为：施加围压在不排水条件下，量测由产生的孔隙水应力u ，即试样的303σσσ∆+=一次施加，且在作用下不排水，然后施加竖向偏应力q 至试样破坏为止，在加q 的过程中量测q 、轴向应变和孔隙水应力u 。

UU 试验在剪切过程中试样的应力状态为：
总应力
303301σσσσσσ∆+=+∆+=q （11-1）
有效压力：
31333/u u u ∆-∆-=-=σσσ （11-2）
由UU 试验量测得到孔隙应力系数：
⎥⎦⎤⎢⎣
⎡∆∆-+==∆-=∆=
∆∆=
--
-131231)1(σσσA A B B B A A q u u q u A u B （11-3）上列各式中：;
,,,;
.,;
,,,2132133131u u u q u u q u ∆+∆=∆----∆∆+∆----∆∆---剪量过程中孔隙水应力产生的孔隙水应力增量分别为主应力增量分别为大主应力增量小小主应力和孔隙水应力分别为大主应力σσσσσσA ，.,,数分别为四个孔隙应力系
-----B B A
二、固结不排水剪（CU ）
先给四个试样施加不同的围压，让试样在作用下固结排水（该步骤为将施加初始固结应力和围压增量两步合并），在作用下试样固结完成后，施加轴向偏听偏应力q。

施加偏应力q 的过程中不允许试样排水，即试样在剪切过程中测得的孔隙水应力u 为q 产生的孔隙水应力2u ∆。

试样在剪切过程中的应力状态为：
总应力； 3331σσσσ=+=q
（11-4）
有效压力；
u u
-=-=33/11/σσσσ （11-5）
三、固结排水剪（CD ）
先给四个试样施加不同的围压，让试样在作用下固结排水，在作用下试样固结完成后，施加轴向偏应力q 。

施加偏应力q 的过程中让试样充分排水，使试样内始终不产生明显的孔隙水应力。

为此，对应变控制三轴仪要求施加偏应力q 的速度非常慢，以保证由q 产生的孔隙水应力能及时消散。

这样，CD 试验过程中总应力与CU 试验表达式完全相同，孔隙水应力为零，有效压力等于总应力。

第三节 试验仪器和试验步骤
一、试验仪器
1、三轴剪力仪常用的为应变控制式三轴剪力仪，见图11-2所示，还有一种为应力控制式三轴剪力仪，可参见文献[2]，除此以外，还有各种非常规三轴仪，如应力路径三轴仪、K0固结三轴仪等。

2、附属设备击实筒、饱和器、切土盘、切土器、切土架、分样器、承模筒、天平（称量200g/感量0.01g，称量1000g/感量0.1g，称量5000g/感量1g等）、量表（百分表）（量程30mm或10mm ，分度值0.01 mm）、橡皮膜等，除此以外还要用到含水率试验的所有设备。

三轴剪切试验的辅助设备较多，不能全部列出，也不可能描述出所有设备的形状和用途，须在试验过程中熟悉。

二、试验步骤
三轴剪切试验步骤较复杂，可分为仪器检查、试样制备、试样饱和、试样安装、加载试验等几大部分，下面分别介绍。

（一）仪器检查
三轴剪切试验仪器由多个部分组成，试验前必须保证仪器处于良好的工作状态，各测试仪表的精度满足要求。

检查工作包括：
1、校验周围压力和轴向压力量测装置。

周围压力（压力表或传感器）精度不低于±0.5%，轴向偏应力（量测钢环或传感器）精度不低于±0.5%，据试样抗剪强度的大小选用不同量程的仪表（传感器）；
2、检查孔压量测系统。

孔压系统管路中是否有气泡，若有一定要排净；
3、检查排水管路是否畅通。

排水管路中各连接处是否漏水及有无存在堵塞问题；
4、检查橡皮膜是否漏气。

特别注意橡皮膜必须完好。

（二）试样制备
1、原状土样对于较软的土样，先用钢丝锯或削土刀切取一稍大于规定尺寸的土柱，放在切土盘的上、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，边切边转动圆盘、直到被切成规定直径的试样为止，然后再按试样高度的要求，削平上下两端。

对于较硬的土样，先用钢丝锯或削土刀切取一稍大于规定尺寸的土柱，放在切土架上，用切土器切削。

将切土器的刀口对准土样，边削边压切土器，削好后将试样取出，按要求高度将两端削平；
2、扰动土样（1）选取一定质量的代表性土样（直径3.91cm试样取2kg土，直径6.18和10cm试样分别取10kg和20kg土）经风干、碾碎、过筛（筛孔径与试样允许土粒最大粒径相同）、测出风干含水率，按要求含水率算出需加水量；（2）将而加水量喷洒到土粒上，拌匀后装入塑料袋，然后置于密封容器内至少20小时，使含水率均匀。

取出土料复测含水率，若实测含水率与要求值的差值在1%以内，则符合要求，否则重新配土；（3）击样筒在使用前洗净、风干（烘干，擦干），内侧涂一薄层凡士林，然后分层击实。

一般分五层，每层中加入需要的土重（按试样干密度要求）击实到给定高度后，将表面刨毛，再加下一层土料击实。

击完后整平试样两端，取出称其质量。

一组试样间的干密度差值以及与要求干密度的差值均不得大于0.02g/cm3；
（三）试样饱和
常用的试样饱和方法有如下两种：
1、抽气饱和法将试样装入饱和器，置于抽气缸内盖紧后抽气。

当抽气缸内真空度达到接近一个大气压后，对粉土再抽30min以上，粘土再抽1小时以上，然后徐徐注入清水，并使真空度保持稳定。

待饱和器完全淹没水中后，解除真空，让试样在抽气缸内静置10小
时以上；
2、水头饱和法 对于粉土或砂土，可直接在仪器上用水头饱和。

方法是在试样安装完毕后，给试样施加20kpa 的围压，提高试样底部进水管（可用孔压管）的水面，降低顶部排水管的水面，使试样两端水位差在1米左右，水自下向上通过试样，从面使空气从顶部排出，达到饱和的目的。

（四）试样安装
1、从饱和器中取出试样（若不需饱和的试样即为切好或制好的试样），用游标卡尺量测试样直径和试样高度。

直径量测时，要量测试样的两端和中部三个位置的直径，按下式计算试样平均直径：
()3210241D D D D ++= （11-6）
式中；D1，D2，D3分别为试样上、中、下部位的直径。

2、将试样顶、底部放上滤纸，若有需要还可在试样四周贴上滤纸条，放好上、下透水石后，置于仪器底座上；
3、将橡皮膜套在承模筒内，两端向外翻出，用吸球从吸嘴吸气，使橡皮膜贴紧承模筒，然后将承模筒套在试样外，放气，翻起橡皮膜，取出承模筒。

用橡皮筋将橡皮膜分别扎紧在仪器底座和试样帽上；
4、装上压力室外罩，将轴压传力杆提高，然后使传力杆对准试样帽中心，均匀地旋紧压力室与底座连接螺丝，将量力环（轴力传感器）对准传力杆；
5、开排气孔，向压力室充水，当压力室内装满水时，关闭排气孔。

（五）不固结不排水剪（UU ）加载
1、四个试样加相同的初始围压σ0(原状超固结土样σ0等于自重应力σs ，原状正常固结土样σ0=0.75σs ，击实试样σ0=0或合适的值)。

待试样在σ0作用下固结完成后（由σ0产生的孔隙水应力u0=0时），关闭排水管，在四个试样上施加不同的围压增量(到4)，量测每个试样由围压增量产生的孔隙水应力《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）中规定，UU 试验不施加初始固结压力，即σ0=0；
2、继续关闭排水管，开动马达，接上离合器，对试样进行剪切，剪切速率取每分钟0.5%~1%应变，每隔一定垂直应变（一般取0.3%~0.4%）测记轴向量力环（或传感器）读数，垂直变形量表读数，孔隙水应力读数；
3、试验结束条件：当轴向量力环读数出现峰值，再剪3%~5%的垂直应变（或轴向应变达到20%）后，试验结束。

关闭马达、关闭围压控制阀、拔离合器、倒转手轮、打开排气孔、排出压力室中的水、拆除压力室外罩、擦干试样周围的水、脱去试样外橡皮膜、描述试样破坏后的形状。

（六）固结不排水剪（CU 加载）
1、完成装样步骤后，将排水管放置到使其管内水位与试样中心高度相同。

将孔压管连接的量管水面调至与试样中心高度相同的位置，用调压筒调整零位指示器的水银面于毛细管指示线（或压力传感器调零），记下孔压表超始读数，然后关与孔压管连接的量管阀；
2、关闭排水管阀，开围压阀，施加围压。

围压大小与工程实际荷载相适应，也可按100，200，300，400kpa 施加。

量测各试样由围压σ3i 产生的孔隙水应力u1i ，计算孔隙应力系数。

上升底座至测力钢环量表刚开始走动为止。

将轴向变形量调零（调到一个整数读数R0）；
3、关闭孔压管，记录排水量管初始读数，打开排水阀，使试样排水固结。

待孔隙水应力消散到零时，固结完成，测记排水量管系数υl 。

固结排水量即为：01υυυ-=∆。

上升
底座到轴力测力环量表开始走动时，记下轴向变形表读数R1，计算试样固结沉降量01R R h c -=，固结沉降量还可以用公式估算：)31(00V h h c υ∆-=，（V0,h0分别为试样初始体积和高度）；
4、若要量测固结过程中排水量、孔隙应力与固结时间的关系，则要用固结试验相似的方法记录不同时刻的排水管读数和孔隙应力读数；
5、试样剪切，按试样土性，设置合适的剪切应变速率（一般粘土取每分钟0.1~0.05%轴向应变，粘质土取每分钟0.1%~0.5%的应变）。

开动马达、接上离合器、每间隔一定的竖向变形测记一次轴力量力环（传感器）读数、轴向变形量表读数、孔隙应力读数；
6、试验结事：当试验进行到满足UU 试验的第3条规定的试验结束条件时，按UU 试验相同的规定结束试验并拆卸试样。

（七）固结排水剪加载
1、按固不排水剪的步骤1、
2、
3、4进行装样、施加围压和量测试样在围压作用下固结的各项读数；
2、固结完成后，继续打开排水管，采用很慢的轴向应变速率（每分钟0.012%~0.003%轴向应变），施加轴向偏应力剪切。

剪切过程中观测孔压表读数，要求在整个剪切过程中不产生明显的孔隙水应力（使孔隙应力始终小于0.05σ3）。

每隔一定轴向应变测读轴向力测钢环读数、轴向变形量读数。

三、主要计算公式
1、不固结不排水剪（UU ）：设不固结不排水剪安装试样时，试样高度为h 0,直径为d 0。

在初始固结应力σ0作用下固结完成后，试样的高度为h 01,直径为d 01（h 01,d 01计算可参见固结不排水剪的试样在σ3作用下固结后相应参数的计算）。

在施加轴向偏应力过程中，设任一时刻t i (自开始加偏应力的时刻开始计时)，轴向力量测钢环的百分表读数为R 1i ，轴向变形百分表读数为R 2i （钢环系数为C ，轴向变形百分表超始读数为0）。

有如下计算公式；
（1）任一时刻t i 试样面积S i ：
()()
i i i R h h d R h V S 201010122010141-⋅⋅=-= （11-7）
（2）任一时刻ti 试样竖向偏应力qi ； i i i S R C q 1⋅=
（11-8） 式中：V 01,d 01, h 01-------剪前试样体积、试样直径、试样高度；
R 1i 、R 2i -------剪切时轴村量测钢环量表和试样轴向变形量表读数；
C--------钢环系数。

2、固结不排水剪（CU ）：设试样初始高度为h 0,直径为d 0。

围压σ3i (一般至4)作用下固结完成后，试样竖向固结沉降量为，固结后试样高度和直径分别为：
ci ci ci ci
ci h v v d h h h ⋅∆-=
∆-=π)(400 （11-9） 式中：h ci 、d ci -------试样在围压σ3i 作用下固结完成后的高度和直径；
----∆∆ci ci v h 试样在围压σ3i
作用下固结过程中的沉降量和排水量。

在剪切过程中，设t j 时刻围压为σ3i 的试样轴向力量测钢环读数为R 1ij ,轴向变形量测百分表读数为R 2ij ,孔隙水应力为u ij 。

则t j 时刻围压为σ3i 的试样高度和面积为：
ij ci ij ci ci ij ij
ci ij h V R h V V S R h h =-∆-=
-=)(202 （11-10） 轴向偏应力和轴向应变为：
ci
ij ij ij
ij i ij h R S R C q //21=⋅=ε （11-11） 总应力： ij i ij i
ij q +==3133σσσσ
（11-12） 有效压力； ij ij ij ij
i ij u u -=-=11/33/σσσσ (11-13)
式中：S ij 、h ij ------围压为σ3i 固结后的试样i 剪切时任一时刻t j 面积和高度； εij 、q ij ------固结后试样i 剪切时任一时刻t j 的轴向应变和轴向偏应力； 、 -------固结后的试样i 剪切过程中任一时刻t j 的小、大主应力；
ij ij 1/3/.σσ--------固结后的试样i 剪切因在剪切过程中作一时刻t j 的小、大有效压
力。

3．固结排水剪（CD ）：固结排水剪因在剪切过程中不产生孔隙应力，所以计算公式与CU 试验计算公式（11-9）至（11-13）相同，只是u ij 为零，总应力与有效压力相等。