三轴试验与应力路径(1)
三轴实验设计
三轴实验设计一、实验目的：研究卸荷条件下软土破坏标准与屈服准则。
二、实验主要仪器设备：① GDS 三轴仪；②GDSLAB 软件及PC ；③切土盘或切土器、钢丝锯及切土刀；④真空饱和装置及土样饱和器；⑤乘膜筒；⑥对开圆模；⑦除气水设备；⑧电子称（最小分度值0.01g ）；⑨乳胶模、滤纸及透水石；⑩游标卡尺。
三、实验类型：（1）三轴压缩试验（CU ），6组，4个试样/组；（2不同围压（50 kPa 、100kPa 、200 kPa 、400 kPa 、600 kPa 、800 kPa ）下等向固结，各向同性固结压力下三轴压缩试验，6组，4个试样/组。
图1 不同应力路径示意图四、实验试样信息：土样来自深圳地铁深基坑淤泥质地层，现场薄壁取土器取样，取样深度6～12m ，工程勘察单位出具的基坑勘察资料，土样密封储运、固定湿度、温度保存，室内原状土试样制备依据现行土工试验规程要求制成试验标准试样。
图2 基坑示意图五、实验操作步骤：（一）三轴压缩试验（固结不排水剪切试验）地 面 地 面坑壁 中 心 坑壁坑 脚 pq o1. 检查实验仪器性能2.原状土试样制备及饱和2.1 试样制备1）开启原状土样，按包装上标识的上下方向放置，开启原状土样包装皮，将土样取出放正，整平两端，观察原状土样的颜色、气味、结构、夹杂物和均匀性及其他情况，并填写原状土样开土记录表。
2）将原状土样先用钢丝锯或切土刀切取一稍大于规定尺寸的土柱，然后放置于所需切削直径规格的切土盘上，用钢丝锯紧靠侧板，一边旋转土样，一边用钢丝锯由上往下细心进行切削，当上下切削完后，将土样装入标准尺寸两半对开模，用切土刀切去两端多余土柱，制成标准试样。
试样切削时应注意避免扰动，当试样表面遇有砾石或凹坑时，用切削下的余土补填。
切削过程应注意观察原状土样的情况，对其层次、气味、有无杂质、裂缝等进行描述。
对于直径为10cm 的软粘土土样可先用分样器分成3个土柱然后再按上述的方法切削成直径为38mm 的试样。
GDS三轴试验技术与方法第一部分
UU试验最为简单快捷，试验过程中土样只需进行总应力的 控制和记录。可以测试不排水情况下土体抗剪强度，用来评估短 期状态下土体稳定性（例如用于施工项目进行期间测试，或者跟 随测试）。注意：该试验一般用于粘性土中。
CD试验另一方面适用于长时间荷载加载下的反应，在有效 应力下可得到其力学参数（如c、Φ值），试验需要消耗大量时 间来完成，因为对于粘性土，需要施加足够慢的剪切速率才能对 孔隙水压力产生微小变化。
图1 三轴试验的工程应用
三轴试验组成
三轴试验一般需要一个直径38mm~100mm的圆柱形土样，放 进压力室内受压。大多数试样高径比约2:1，且用橡胶模包裹。
图 2 三轴压力室的土体试样一般配置
三轴试验的类型
以下三种为主要的实验室分析方法，不同的工程应用都能得 到相应的力学参数。
• (UU) 不固结不排水 • (CU) 固结不排水 • (CD) 固结排水
2
一般三轴试验过程
本报告简要介绍下这个部分，三轴试验，作为室内岩土试 验的标准（BS1377 第8部分，1990年）主要包括4个步骤：试 样和系统准备过程、饱和、固结和剪切（注意，UU试验中不 要饱和及固结，详见BS1377 第7部分，1990年）。以下基于 GDS三轴自动化系统来简要介绍每个步骤。
三轴试验技术与方法 1
Sean Rees 博士 2 （1．本系列第 1 部分，2. GDS 岩土试验研究专家）
综述：这三部系列主要用于介绍岩土工程试验中最为通用的方法之——三轴试验。该报告对三轴试验这个课题提供的详尽的介绍，包括许 多衍生可以用于评估土体响应范围内的工程应用。
Overview: This three part series has been written to introduce one of the most versatile tests in the geotechnical laboratory – the triaxial test. The papers provide a detailed introduction to the subject of triaxial testing, including the many variations available for assessing soil response across a range of engineering applications.
三轴试验
剪切试样按下列步骤进行： （1）将轴向测力计、轴向变形百分表及孔隙 水压力读数均调整至零民。 （2）选择剪切应变速率，进行剪切。粘质土 每分钟应变为0.05%～0.1%；粉质土每分钟应变 0.1%～0.5%。 （3）测记轴向压力、孔隙水压力和轴向变形。 （4）试验结束，关电动机和各阀门，开排气 阀，排除压力室内的水，拆除试样，描述试样破 坏形状。称试样质量并测定含水量。
破坏后的试样
1.不固结不排水试验
（1）剪切应变速率宜为每分钟应变0.5%～ 1.0％。 （2）启动电动机，开始剪切。试样每产生 0.3%～0.4％的轴向应变，测记一次测力计读数和 轴向变形值。当轴向应变大于3％，每隔0.7%～ 0.8％的应变值测记一次读数。 （3）当测力计读数出现峰值时，剪切应继续 进行，超过5%的轴向应变为止。当测力计读数无 峰值时，剪切进行到轴向应变为15%～20%。 （4）试验结束，关电动机，关周围压力阀， 开排气阀，排除压力室内的水，拆除试样，描述 试样破坏形状。称试样质量，并测定含水量。
4.3.2 三轴压缩试验
横梁
试样应力特点
与试验方法
百分表
量力环
量 水 管
试 样
强度包线 试验类型 优缺点
孔压 量测
围压 力 3 阀门
马达
阀门
二、试验方法：
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c 和φ ； 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 和 或有效抗剪强度 指标 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和 。
三轴试验相关理论知识
三轴试验相关理论知识一、基本概念 1.常用术语法向力——垂直于滑动面上的应力，也叫正应力σ。
σ=N/A （N ：作用于滑动面的力；A ：滑动面的面积）剪应力——与法向力垂直的切向应力τ。
τ=F/A （F ：与法向力相垂直的摩擦力） 主平面——没有剪应力的平面。
主应力——主平面上的法向应力（正应力）。
在相互垂直的立方体上(图1)又分成：大主应力（σ1）——轴向应力； 小主应力（σ3）——径向应力；中主应力（σ2）——界于大、小主应力之间的径向应力。
(常规三轴试验的试样呈圆柱形，中、小主应力相等，即σ2=σ3，谓之轴对称条件下的试验。
)偏应力——轴向应力与径向应力（或大、小主应力）之差，即（σ1-σ3）。
摩檫角——剪应力达到极限（土体开始滑动）时的剪破角Φ，此时Φ=α（tan Φ为摩檫系数） 图1 主应力与主应力面抗剪强度——随着剪应力的增加，剪阻力亦相应增加。
而剪阻力达到一定限度就不再增大这个强度称为土的抗剪强度。
2.摩尔圆摩尔圆源自材料力学之应力圆，由于是科学家摩尔首先提出的，故叫摩尔圆。
（图2）通过土体内某微小单元的任一平面，一般都作用着一个合应力，并可分解为法向应力（σ）和剪应力（τ）两个分量。
如图3，沿圆柱体轴线取一个垂直面作应力分析，可得如下的关系式：将两式平方后相加，整理后得出 图2 摩尔应力园上式的几何意义是，在σ-τ坐标系里以（σ1+σ3）/ 2，0为圆心、（σ1-σ3）/ 2为半径的圆。
ασστασσσσσ2sin )(212cos )(21)(21313131-=-++=2312231)2()2(σστσσσ-=++-在三轴试验轴对称时的平面上，当试样给定σ1和σ3，如果已知试样上的大、小主应力面的方向，就可以从摩尔圆上确定试样内任一斜面上的剪应力τ和法向应力σ。
摩尔圆在σ-τ坐标系里的应力关系如图4所示。
图的右边为一三轴试样，左边为相应的摩尔圆。
过圆的D 点（σ1）作平行于试样大主应力面AB 线，交圆上Op 点；过圆E 点（σ3）作平行于小主应 力面AC 线，必通过Op 点（∵AB 与AC 正交，∠DEOp 是半圆的圆周角）。
粘性土三轴剪切试验的实质应力和破坏条件分析
粘性土三轴剪切试验的实质应力和破坏条件分析摘要：粘性土具有压缩强度大、拉锁强度小的突出特征。
作为粘性土实质特性研究的重要方式，三轴剪切实验能过实现其实质应力和破坏条件的有效分析。
本文在阐述三轴剪切实验应用原理的基础上，从总应力表示和实质应力表示两个角度对三轴剪切实验的应力路径的进行分析；以期有利于人们对粘性土实质应力和破坏条件把握水平的提升，进而推动相关工程建设的规范发展。
关键词：粘性土；三轴剪切实验；实质应力；破坏条件粘性土是工程建设的常见土体材料之一，其在压硬性和剪胀性等方面的力学特征尤为突出。
然天然沉积的粘性土在应力状态上处于不等压固结状态，一旦受到外部作用，其必然在初始应力各向异性的影响下，产生一定的强度改变和变形破坏，对工程的建设造成影响。
基于此，进行粘性土实质应力和破坏条件的分析已成为粘性土基础工程建的重要问题。
目前，三轴剪切试验是实现这些特性分析的有效手段，本文就此展开分析。
一、三轴剪切实验的应用原理作为一种抗剪强度实验，三轴剪切实验以三轴仪为基础，通过对某一固定试样增加轴向压力，探究其实质应力强度和破坏条件的实践过程中。
实践过程中，人们也将其称为三轴压缩实验，其中摩尔-库伦强度理论是其实验设计的重要支撑。
具体而言，在三轴剪切实验中，其假定某一土体试样处于平衡状态，则其必然存在三种相互垂直的应力δ1、δ2和δ3，且其受力方向分别为x、y和z，同时与三个主应力垂直垂直的作用面分别称为大主应力面、中主应力面和小主应力面。
此时，在试样上进行轴向主应力δ1的增强，再不改变其它应力的状况下，使得土样的剪应力不断增大，直至破坏；由此，破坏时刻的应力值为土块试样的最大抗剪强度值，同时，实验人员也实现了试样破坏条件的具体把握。
二、通过总应力进行三轴实验应力路径表达初始应力状态标准下，重塑土和原状土试样的三轴剪切试验是三轴实验的两种基本形态[1]。
相比而言，原始场地转移和初始应力状态缺失是重塑土的基本特征；而原状土试样的三轴剪切实验以原始场地为基本载体，即其处于不等压固结状态，静止侧压力的系数Ｋ0不等于1。
三轴 应力路径 平均主应力 广义剪应力
在地球科学和地质工程领域中，岩石和土壤的力学行为一直是研究的重点。
本文将围绕三轴试验、应力路径、平均主应力和广义剪应力展开深入探讨。
一、三轴试验1. 三轴试验的定义和意义三轴试验是岩土力学领域中常用的一种试验方法，通过对岩土样本施加不同的压力和剪切力，来模拟不同应力状态下岩土体的力学特性，从而研究岩土的变形和破坏规律，为工程实践提供依据。
2. 三轴试验的基本原理在三轴试验中，岩土样本会受到三个轴向的应力作用：径向应力、周向应力和轴向应力。
通过改变这三个应力的大小和方向，可以实现不同的应力路径，从而模拟岩土体在不同地质条件下的受力状态。
二、应力路径1. 应力路径的概念应力路径是指岩土体在受力过程中，应力状态随时间的变化轨迹。
不同的应力路径会导致岩土体不同的变形和破坏特性，因此对岩土工程而言，应力路径的选择和控制至关重要。
2. 应力路径的分类一般来说，应力路径可以分为固定应力路径和变动应力路径两种。
固定应力路径是指在试验或工程过程中，应力状态沿着固定的轨迹变化，而变动应力路径则是指应力状态随时间或其他因素而变化的轨迹。
三、平均主应力1. 平均主应力的定义在三轴试验中，平均主应力是指在三轴应力状态下，样本中心处受到的平均应力。
平均主应力的大小和方向对岩土体的变形和破坏具有重要影响，因此平均主应力的确定是岩土力学研究的重点之一。
2. 平均主应力对岩土体性质的影响平均主应力的大小和变化会直接影响岩土体的强度、变形和破坏特性。
对于不同类型的岩土体，其受到的平均主应力的承受能力和变形特性也各不相同，因此在岩土工程设计中需要充分考虑平均主应力的影响。
四、广义剪应力1. 广义剪应力的概念广义剪应力是指岩土体在三轴应力状态下受到的主应力和剪应力之间的复合应力状态。
广义剪应力的存在使得岩土体的变形和破坏行为更加复杂，因此在岩土力学研究和工程实践中备受关注。
2. 广义剪应力与变形行为的关系广义剪应力对岩土体的变形和破坏过程有着重要影响，特别是在复杂应力状态下，广义剪应力的作用更加显著。
三轴应力路径分析
u
Kf
C
B
(1) σ3=常数 σ1增大
u=A σ1
ESP
TSP
ε1
A
D σ(p)
图2-16 三轴极限状态及其应力路径
(2) 1, 3均增加
• 先等向固结至A点 • ，然后保持3不变， • 增加1,令其排水固 • 结，路径为AD，再 • 在不排水条件下， • 增大1 , 3 ,总应力 • 路径，达B点破坏， • B与Kf之间水平距 • 离为uf,ED为uB, • CE为uA
σ1
τ(q)
σ3
Cu
C
Kf'
AB(1-3) E
ESP
B3 Kf
B
TSP
A
பைடு நூலகம்
σ(p)
图2-17 三轴极限状态及其应力路径
结论
• 图表明了不同的总应 力路径，代表了不同 的试验方法，所以 TSP线可以直接用来 说明外荷载的施加过 程。但土样内部骨架 上有效应力的变化与 孔隙水应力系数A,B 密切关系。
• 有两点加以说明
2 . 三轴压缩试验应力路径分析
• 下面分析二种典型的固结不排水试验应 力路径
• (1) 常规三轴试验应力路径，先在均匀压力下 固结此点，然后保持3不变，不排水下增加1 至破坏，TSP线为与横轴成４５°斜线，若此 时孔隙水应力为u,量得CB= u ,连接AC 点得 ESP线
σ1
τ(q)
σ3
Kf'
Cu
• ２）A除对ESP形状有影 响外，还对土的强度有 影响.A愈小的土，强度 愈高，超高压密土，A很 小，强度很高，
• １）上述分析认为A,B是 常数，事实上A不是常数， 随偏应力的变化而变化，
取破坏时的孔隙水应力 系数Af来代替全过程方 便得多，且不会造成太 大的误差
土的三轴试验研究及土的应力路径.
3 稳定土三轴剪切试验研究
对掺入不同稳定剂的粉土进行了UU 和CU 试验，以研究在 变掺量、变龄期条件下土体的强度和变形特性。试样的制备 采用击实制样，掺稳定剂的粉土分别进行7，14，28 d 标准 养护[3,4]。为方便与前面试验结果的对比，同时也为合理地 选择稳定剂提供更充分的依据，分别选用了不同种类的稳定 剂： 4 %石灰、2 %水泥+2 %石灰、4 %SEU-2 型固化剂、 8 %SEU-2 型固化剂。
引言
稳定土[2]是采用一定的物理化学方法及其相应的技术措施使土 的物理力学性能得到改善以适应工程技术的需要。稳定土的方 法有多种，但目前国内外仍以无机结合料稳定为主，改善土性 质的产品主要有石灰、水泥、粉煤灰或这些材料的混合物，在 几十年的发展过程中，已形成了比较成熟的无机结合料稳定方 法，但从实践效果来看，不同的结合料，其稳定的效果有着明 显的差异。针对江苏地区粉土的特殊性，从提高粉土体系本身 的强度着手，同时考虑水稳定性、抗收缩性等性能进行研究。 使掺入到粉土中的固化材料不仅起到胶凝和填充的作用，最好 能激发粉土自身的活性，或者与土粒发生相互作用，基于这样 的研究思路，提出粉土固化材料的可能组分，研制成功SEU-2 型固化剂，并将其应用到高速公路的路基填筑中[5]。本文一方 面借鉴以往的研究成果，采用传统的无机结合料（石灰、水泥 +石灰）的方法；另一方面采用SEU-2 型固化剂的稳定方法， 从力学性能的角度出发，研究粉土作为路基填料的可行性。
3.1 掺4 %石灰的粉土三轴剪切试验结果
3.1 掺4 %石灰的粉土三轴剪切试验结果
3.2 掺2 %水泥+2 %石灰的粉土三轴剪切试验结果
经验表明，用水泥固化稳定土体能有效增加土体的内摩擦角和凝聚力，用 一部分水泥代替石灰也能起比单纯掺石灰更好的固化稳定效果，这在稳定 粉土的直剪试验和无侧限强度试验中已有所体现，三轴剪切的结果进一步 说明了这一点。图7 和图8分别是掺2 %水泥+2 %石灰的UU 和CU 试验结 果，试样干密度1.72 g/cm3，标准养护7 d， u c =114.75 kPa，u φ =29°； cu c =91.1 kPa， cu φ =29°。CU 试验土样在围压下固结的效 果在总应力指标上未体现出来，可由有效强度指标体现c′ =77.3 kPa，φ ′ =31°。
三轴试验ppt课件
4.3.2 三轴压缩试验
试样应力特点
与试验方法
强度包线 试验类型 优缺点
百分表
围压 力3
横梁 量力环
量 水 管
孔压
试
量测
样
阀门
马达
阀门
二、试验方法：
▪
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c 和φ ；
▪ 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 和 或有效抗剪强度 指标 和及孔隙水压力系数；
▪ 3、固结排水剪试验：试样先在周பைடு நூலகம்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和 。
应力特点与试验方法
常用试验类型
百分表
类型
固结 排水
施加 3
固结
施加 1-3
排水
量测 体变
固结 不排水
固结
不排水
孔隙水 压力
不固结 不排水
不固结
不排水
孔隙水 压力
围压 力3
阀门
横梁 量力环
量 水 管
孔压
试
量测
样
马达
阀门
破坏偏差应力取值方法
1-3
(1-3)f (1-3)f
密砂 松砂
15% 1
取曲线的最大偏差应力值
▪ （3）测记轴向压力、孔隙水压力和轴向变形。 ▪ （4）试验结束，关电动机和各阀门，开排气
三轴试验
试验条件与现场条件 的对应关系
固结排水试验
2 1
固结不排水试验
层固结后， 在1层固结后，快速施工 层 层固结后 快速施工2层
不固结不排水试验 粘土地基上的分层慢 速填方 软土地基上的快速填方
常规三轴试验优缺点
单元体试验， 单元体试验，试样内应力和应变相对均匀 应力状态和应力路径明确 排水条件清楚， 排水条件清楚，可控制 破坏面不是人为固定的 设备操作复杂 现场无法试验 常规三轴试验不能反映σ 常规三轴试验不能反映σ2的影响
4.3.2
横梁
力
百分表
量力环
量 水 管
试 样
量
力σ
二、试验方法： 试验方法：
三轴剪切试验可分为不固结不排水试验（UU）、固结 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） 不排水试验（CU）以及固结排水剪 试验（CD）。 试验（CD）。 不固结不排水试验： 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， 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， 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c 指标c 和φ ； 固结不排水试验： 2、固结不排水试验：试样先在周围压力下让土体排水固 待固结稳定后， 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， 至破坏，可同时测定总抗剪强度指标 和 或有效抗剪强度 和及孔隙水压力系数； 指标 和及孔隙水压力系数； 固结排水剪试验：试样先在周围压力下排水固结， 3、固结排水剪试验：试样先在周围压力下排水固结，然 轴向压力直至破坏， 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和 。
三轴试验与应力路径pp课件
+ 路径：某物通过或移动的路线 + Path：The route or course along which
something travels or moves。
Y
X
2
+ 应力路径：加载过程中应力点的轨迹。 + Stress Path: Trajectory of stress points
during loading.
库伦强度包线，计算该砂土的剪切强度参数（内摩擦角）； + 5. 确定孔隙水压力系数B的数值，绘制孔隙水压力系数A随轴向应
变变化的关系，确定土样破坏时孔隙水压力系数A的数值。
16
17
18
400
ESP
TSP
300
CSL
200
100
0
0
100
200
300
400
500
600
19
20
A Value A Value
q
P’
3
1） 直角坐标系统 2）1 3直角坐标系统
3） p q 直角坐标系统
4） s t 直角坐标系统
4
1( a )
3 ( r )
破坏线
o 3
1
三轴压缩试验
（排水）
坐标系统中的应力路径
5
1
3
3
3
破坏线
1
三轴压缩试验 （排水）
45
o
p q坐标系统中的应力路径
7
1
t
3
3
破坏线
t
1 3
t s
2
1 3
1
s
三轴试验与应力路径
应力路径与三轴试验• Path* The route or course along which something travels or moves•应力路径：加我过程中应力点的轨迹。
• Stress Path: Trajectory of stresspoints during loading.应力路径表示方法1)b-r 鹿角毋标系统 2)5-6 K 角塑标系统 3)p-q 肚角半标系统 4) $-f H角坐标系统- 6坐林系统小的应力路径丿 rnrn 二 pn 破坏线 ◎二二二■二二-r 二-二-二二二二（挥水）pWan normal半均疋应力Deviatoric stress -q坐标系统屮的应力路径1IHHIb- taBWB I I A 1I\ -1f'»•• • JfIIIHUO o匚袪兀妬试弊归坐标系统中的应力路栓三轴试验的应力路径旷，轴t 编(TrioxialComprQSSiQn > .三轴拉伸(Triaxial Extension)扌F 水试盼(Drained Test)< 4、摊水试验(Undrained Test)丿J 路衿(Total SlressPath) 〃效应力Kt 呂 < Effective StressRath)F 加裁方式-试4Q 掲水条件* 应力路径・半6 仇F Tq=((7(-11)-(^-u) = r/三釉伍第《不搏水，■y 6例题1 \• A consolidated-undrairved triaxial test on a specimen of saturated clay wos carried out under an all-reund pressure of 600 kN/m2. Consolidation took placeagainst a back pressure(反丿h 力)of 200 kN/m2・ The following results were recorded duringi the test. Draw the stress pathsHO IMi 2M 279 319 I 4T.-4T,o■ (kVm-) 2汙277 3IH 433M 十A BM7.7.W)) f A(626 7J I 鮭劄似3力WKHW 毀IftX 系： 2 Ay 町;•呻広制力W " 力歸升I i O o-Tvmwnii^ 的 EE 力 力 e 东岡 UR 障不一壮療歇mm 「「’例题？ .小話那 •Rasc.^1 0 2 4 e E 10 UREE 力卿 q 竹 okNAm* 0 201 2幻?75 M2 旳 讥■冰旺力H ikNto-l 144 244 222 212 2W5・館「需"“知亠丫••八• ■仇'・沁・xq ■ ‘山各向异性固结Anisotropic consolidationNo lateral deformationMohr-Coulomb Failure Envelopein p・q SpaceTj・ e； un^Mohr・Coulomb Failure Envelopein p・q Spacer t二r,Mohr-Coulomb Failure Envelopein p-q SpaceRearrange Eq. 4 givesNcte here a} is the major principal stress and d3 is the minor principal stress・• Substituting Eqs. 2 and 3 into Eq. 1 yieldsTherefore. we haveSubstituting Eq 7 into Eq. 4 results inMohr-Coulomb Failure Envelope in p9 ：、•・q SpaceFor triaxial compression, e *■眄只”；•个2cr；J/3—佃;吟3；"3华=<7：・ CF： =0：・(7；Therefore. we have0；«Zg/3H ■尸'・和3Substituting Eq 5 into Eq. 4 results inMohr-Coulomb Failure Envelope in p・q SpaceFor triaxial extension, a ・:・ c ・” = <“：# 2e： )/3 =佃;* 2e；”39 ：、•Mohr-Coulomb Failure Envelopein p・q SpaceMohr-Coulomb Failure Envelopein p・q Space• Therefore, the Mohr-Coulomb failure envelope in the p ・q space is as follows・ZjL i■ p6tm#*Hi*•inMohr-Coulomb Failure Envelope 、inp・q Space• The failure stress ratio Ms|^q/Ap e| under Tnaxicl compression is different from that under triaxialaxt^nsion：M e 34jdn£XF ' 3-sin。
软粘土在三轴实验中的应力路径与应力应变分析
软粘土在三轴实验中的应力路径与应力应变分析作者：张赞梅来源：《中国高新技术企业》2011年第15期摘要：土是工程建设的基石，在广西地区的大量的工程建设项目(房屋建设、铁路、公路、土坝等)实践中，许多工程地质问题都是由粘性土的力学性质比较复杂造成的。
软粘土的承载力和强度较低、空隙比较大、可塑性较强、含水量较多、开挖之后容易产生变形。
文章以广西地区内软粘土作为研究对象，通过三轴实验，分析其应力路径及应力应变特征。
关键词：粘性土；三轴实验；应力路径；应变分析；剪切试验；固结不排水剪中图分类号：TU458文献标识码：A文章编号：1009-2374(2011)22-0150-02一、粘性土的三轴实验研究 (一)粘性土的含义土一般是指岩石经剥蚀、风化、搬运和沉积等相关过程形成的一种松散的似沙砾状物质。
粘性土(软粘土)通常是指天然含水率大于35％，有机质含量相对较高、天然空隙比不小于1且压缩系数不小于1／2MPa的土体。
粘性土的不排水抗剪强度小于30kPa，地基中含有这种土质时，总的来说是较为软弱的，实际上有个别土层还是比较密实的。
土只能根据它的特性加以合理的利用，是不能够被制造出来的。
(二)粘性土的应力路径状态应力路径描述了土在外部施加的压力作用下应力变化的过程，对于相同的土质，采用不同的加荷方法和不同的试验手段使其发生剪切破坏时，土的应力变化过程是相异的(土的变形和强度特性会有较大的差异)。
应力路径的三轴实验通俗的说就是用实验的方法再现土体的应力历史的过程，当然，这里的再现指的是一种状态的模拟，它对于研究土的力学性质(进行土体地强度和变形分析)是有十分重要意义的。
(三)软粘土的三轴实验的机理三轴压缩试验是用3个左右处理好呈圆柱形的土体，赋予其固定的各个方向的外部压力，在这个条件下测定土的抗剪强度。
土的抗剪强度参数的求法是通过施加主应力差进行剪切一直到土体试样被破坏的程度。
实验中使用的三轴压缩仪主要由以下部件构成：主机；孔隙水压力测量系统；反压力系统；周围压力系统。
全自动三轴试验系统操作手册（DS08、ZS08型）说明书
全自动三轴试验系统操作手册（DS08、ZS08型）北京华勘科技有限责任公司2013年05月目录第1章安装调试1.1采集器、控制器前后面板说明‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥11.2气、水管路连接‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥21.3试验软件安装‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥3 第2章试验参数2.1传感器参数‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥32.2通用参数‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥42.3剪切通用参数‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥52.4等向固结参数‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥52.5 K0固结参数‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥62.6一个试样多级加荷剪切参数‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥62.7反压饱和试验参数‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥72.8基床系数试验参数‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥72.9弹性模量试验参数‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥82.10体积变形模量试验参数‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥82.11剪切模量试验参数‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥8 第3章操作命令3.1 常用操作命令‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥93.2其它操作命令‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥10 第4章试验准备与实施4.1 试验准备‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥114.2 开始试验‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥124.3 试验结束‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥124.4中压三轴阀门操作说明‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥12 第5章设备维护及注意事项5.1体变传感器调试‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥135.2增压装置调试‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥135.3传感器零点校正‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥135.4围压、主应力差传感器示值检查‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥145.5孔压传感器及孔压管路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥155.6排水传感器及排水管路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥155.7排水传感器标定‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥155.8注意事项‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥15 第 6 章常见故障处理6.1不联机‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥166.2传感器示值异常‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥166.3孔压管路堵塞‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥176.4排水管路堵塞‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥176.5不能加围压‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥176.6试验过程中异常情况及原因‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥18第一章安装调试1.1采集器、控制器前后面板说明1．采集器前面板（1）“复位”按钮，用于仪器运行出现异常时强行退出试验程序。
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c
’
(1 3) 2
’3
’
f
1 3 cos 2
f
1 3 2
f
tan 1 3 2
1 3 sin 2
’1
’
Mohr-Coulomb Failure Envelope in p-q Space
q
P’
应力路径表示方法
1） 直角坐标系统 2）1 3 直角坐标系统
3） p q 直角坐标系统
4） s t 直角坐标系统
1( a )
3 ( r )
破坏线
o 3
1
三轴压缩试验
（排水）
坐标系统中的应力路径
1
3
3
3
破坏线
1
45
o
三轴压缩试验
specimen of saturated clay was carried out under an all-round pressure of 600 kN/m2. Consolidation took place against a back pressure(反压力) of 200 kN/m2. The following results were recorded during
p’
Isotropic Consolidation q/p’=0
各向同性压缩
a
k a
各向异性压缩
a
a
a
k a
k a
k a
k 1 0
1 k k0
0 0
材料：各向同性
k≤1
k k0
0
一维压缩 k0压缩
3 1k
Substituting Eq. 5 into Eq. 4 results in
qf
(c)
6sin ( p 3 sin
c)
tan
(6)
Mohr-Coulomb Failure Envelope in p-q Space
For triaxial extension, r 1 a 3,
轴向应变 e1 (%)
0
2
4
6
8
10
轴向压力差 1-3 (kN/m2)
0
201 252 275 282 283
孔隙水压力 u (kN/m2)
144 244 240 222 212 209
• 1. 绘制偏应力和轴向应变的关系； • 2. 在p–q空间绘制总应力和有效应力路径；
• 3. 在– 空间绘制破坏时的总应力和有效应力摩尔圆以及摩尔—
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
2
4
6
8
10
12
Axial Strain (%)
相对于起点
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
-2.5
-3
-3.5
0
2
4
6
8
10
12
Axial Strain (%)
相对于上一级荷载
各向异性固结
Anisotropic consolidation
• Anisotropic consolidation • 各向异性固结
三轴拉伸（Triaxial Extension）
试 验
排水条件
排水试验（Drained Test） 不排水试验（Undrained Test）
应力路径
总应力路径（Total Stress Path）
有效应力路径（Effective Stress Path）
1
p 1 2 3 1 23
3
3
3 q 1 3
q
q
q p
1 3 1 23
3
3
p
o
p
三轴压缩（排水）
有效应力原理： ' u
p ' 1 ' 23 ' (1 u) 2(3 u) p u
3
3
q ' 1 '3 ' (1 u) (3 u) q
400
Effective Stress Path
300
Total Stress Path
q (kPa)
200
100
A’(397.7,80) A(626.7,80)
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
p, p' (kPa)
例题2
• 对一个砂土试样做三轴压缩试验，先在排水条件下对土样施加固 结压力至200 kN/m2。然后在不排水条件下增加三轴室的压力至 350 kN/m2。这时量测到的孔隙水压力u = 144 kN/m2。然后在不 排水条件下增加轴向压力直到土样破坏。试验数据如下表。
p q坐标系统中的应力路径
1
t
3
3
破坏线
t
1 3
t s
2
1 3
1
s
2
1
o
s
三轴压缩试验
s 1 3
（排水）
2
t 1 3
2
s t坐标系统中的应力路径
三轴试验的应力路径
三轴压缩（Triaxial Compression）
三 轴
加载方式
1 2k
k0 k
0 M
M
q
0M k0 k 0 k k0 00 1 k k0
p’
0
Mohr-Coulomb Failure Envelope in p-q Space
f c f tan
( f , f )1 3
• Anisotropic consolidation and K0 consolidation • 各向异性固结与K0固结
q
Anisotropic Consolidation q/p=
Anisotropic Consolidation (q/p=0, K0 Condition, no lateral strain)
k0
h v
r a
No lateral deformation
1 r
0
q p
a r a 2 r
3 a r a 2 r
3
1
a 2
3 1 k0 1 2k0
3
a
q
三轴压缩（不排水）
A'( p ', q) u A( p, q)
o
Байду номын сангаас
p
三轴拉伸（排水）
3
p 1 2 3 21 3
1
3
3
q 1 3
q
q p
q p
1 3 21 3
3
3
o
p
例题1
• A consolidated-undrained triaxial test on a
三轴拉伸
三轴压缩
’a ’1f
Mohr-Coulomb Failure Envelope in p-q Space
• Therefore, the Mohr-Coulomb failure envelope in
the p-q space is as follows
q
Mc
6sin 3 sin
1 1
sin sin
3
Note here ’1 is the major principal stress and ’3 is
the minor principal stress.
Mohr-Coulomb Failure Envelope in p-q Space
f c f tan
(1)
f
1 3 cos
2
(2)
f
1 3
2
f
tan 1 3
2
1 3
2
sin
(3)
• Substituting Eqs. 2 and 3 into Eq. 1 yields
1
（排水）
1
坐标系统中的应力路径
3
1
q
3
3
破坏线
1
三轴压缩试验 （排水）
q
q p
1 3 1 23
3
3
p
o
p 1 2 3 1 23
3
3
p
Mean normal stress 平均正应力
q 1 3
Deviatoric stress 偏应力
For triaxial compression, a 1 r 3,
p ( a 2 r) / 3 (1 2 3) / 3
q a r 1 3
(5)
Therefore, we have
1 p 2q / 3 3 p q / 3
p ( a 2 r) / 3 ( 3 21) / 3
q a r 3 1
(7)
Therefore, we have
1 p q / 3 3 p 2q / 3
Substituting Eq. 7 into Eq. 4 results in