土力学-第三章-超静孔隙水压力和孔压系数2、常规三轴压缩试验 张丙印

1
§3.6 超静孔隙水压力与孔压系数–孔压系数A
智者乐水 仁者乐山
偏差应力状态
1-3
体积V 孔隙率n
0
0 uA
1-3
孔隙流体和土骨架为弹 性体，其体积压缩系数 分别为Cf 和Cs
• 土骨架体积变化：胡克定律
ΔV
ν E
(Δσ1
Δσ 3
ΔuA ) V
C s [( Δσ 1
Δσ 3
)
ΔuA )]V
• 与围压有关 • 非线性 • 剪切过程产
生孔压
15
10
5
0 5
4 8 12
u(kPa)
1500 900 500 300
100 1 (%)
10 300 500 900
1500 2500
固结不排水试验 20
§3.7 常规三轴压缩试验 – 试验类型
试验过程：
• 关闭排水阀门，连接孔压传
感器，施加围压 ，量测超
固结不排水试验[CU]
consolidated-undrained test
固结排水试验[CD]
consolidated-drained test
常规三轴压缩试验
15
§3.7 常规三轴压缩试验 – 试验类型
试验过程：
• 施加围压 ,排水阀门始终
打开，充分排水
• 施加(1 -)进行剪切时，
排水阀门始终打开。剪切速 度慢足以使孔压消散
1 -3(100kPa)
50
40
30
20
10 100
0 5
2 4
6 v(%)
固结排水试验
3 =2500kPa
1500
900
500
300 1(%)
10
300
500
900 1Baidu Nhomakorabea00
2500
17
§3.7 常规三轴压缩试验 – 试验类型
智者乐水 仁者乐山
一般化的应力应变曲线
• 变形模量： E Δ z Δ z
3
§3.6 超静孔隙水压力与孔压系数–孔压系数A
对孔压系数 A 的进一步解释
纯剪应力状态
弹性体在承受纯剪
荷载时不发生体积 应变
智者乐水 仁者乐山
附加应力情况 – 三轴应力状态
4
§3.6 超静孔隙水压力与孔压系数–孔压系数A
对孔压系数 A 的进一步解释
智者乐水 仁者乐山
S=1-3 S=1-3
测定：
• 轴向变形：轴向应变 • 轴向力：轴向应力 • 孔隙水压力
百分表
围压
力3
阀门
智者乐水 仁者乐山
横梁 量力环
量 水 管
孔压
试
量测
样
马达
阀门
固结不排水试验 19
§3.7 常规三轴压缩试验 – 试验类型
智者乐水 仁者乐山
典型试验结果：
(100kPa)
20
3 =2500kPa
糯扎渡高心墙堆石坝 心墙砾石土料试验结果
§3.6 超静孔隙水压力与孔压系数–孔压系数A
智者乐水 仁者乐山
偏差应力状态
1-3
体积V 孔隙率n
0
0 uA
1-3
孔隙流体和土骨架为弹 性体，其体积压缩系数 分别为Cf 和Cs
• 孔隙流体产生超静孔压uA • 孔隙流体的体积变化：
ΔV C f ΔuA Vv C f ΔuA nV
• 土骨架体积变化：
等向压缩 应力状态
1 3
S
=
1 3
S
+ 1
3
S
1 3
S
纯剪应 力状态
1 3
S
纯剪应 力状态
1 3
S
1 3
S
+
1 3
S
1 3
S
1S 3
附加应力情况 – 三轴应力状态
5
§3.6 超静孔隙水压力与孔压系数–三轴状态下孔压系数
三轴应力状态
智者乐水 仁者乐山
等向压缩应力状态 偏差应力状态 三轴应力状态
ΔuB BΔσ3
量力环 百分表
有机玻璃罩
橡皮膜
稳压调 压系统
阀门
智者乐水 仁者乐山
横梁
轴向活塞
顶帽
水
试
样
透水石
马达
排水管或 阀门 孔压量测
常规三轴压缩试验仪
13
§3.7 常规三轴压缩试验 – 试验过程
通常试验分为两个阶段：
c
施加周围压力c： c
c
c
智者乐水 仁者乐山
过程中，允许试样 排水称为固结；不 允许试样排水称为 不固结
ΔuA B A(Δσ1 Δσ3 )
u= uB+ uA
Δu BΔσ3 A(Δσ1 Δσ3 )
附加应力情况 – 三轴应力状态
6
§3.6 超静孔隙水压力与孔压系数–小结
智者乐水 仁者乐山
• 土体在受到外荷载后，产生超静孔隙
水压力并随时间逐步消散，土体骨架 有效应力逐渐增加的过程
• 侧限条件t=0时的超静孔压在数值上等
同压力（室压力）的作用，并非真正的三轴应力
常规三轴压缩试验
9
§3.7 常规三轴压缩试验 – 仪器组成
组成：
主机系统 稳压调压系统 量测系统
压力室 离合器
智者乐水 仁者乐山
主机 框架
压力室 底座
常规三轴 压缩试验仪
主机马达
10
§3.7 常规三轴压缩试验 – 仪器组成
组成：
主机系统 稳压调压系统 量测系统
常规三轴 压缩试验仪
智者乐水 仁者乐山
压力表 调压阀
压力泵 或高压 氮气瓶
§3.7 常规三轴压缩试验 – 仪器组成
组成：
轴向位 移量测
主机系统 稳压调压系统 量测系统
孔压 传感器
常规三轴 压缩试验仪
智者乐水 仁者乐山
轴向力 量测 体变管
12
§3.7 常规三轴压缩试验 – 仪器组成
压力室 及试样
测定：
• 轴向变形：轴向应变 • 轴向力：轴向应力 • 排水量：体积应变
百分表
围压
力3
阀门
智者乐水 仁者乐山
横梁 量力环
量
水
试 样
管
马达
阀门
固结排水试验 16
§3.7 常规三轴压缩试验 – 试验类型
智者乐水 仁者乐山
典型试验结果
糯扎渡高心墙堆石坝 心墙砾石土料试验结果
• 与围压有关 • 非线性 • 剪胀性
智者乐水 仁者乐山
试验仪器 试验方法 典型试验结果 应力应变特点
• 不固结不排水试验[UU] • 固结不排水试验[CU] • 固结排水试验[CD]
小结 22
第三章：土体中的应力计算
§3.1 §3.2 §3.3 §3.4 §3.5 §3.6 §3.7
地基中的应力状态 ✓ 有效应力原理 ✓ 地基的自重应力计算 ✓ 基底压力计算 ✓ 地基中的附加应力计算 ✓ 超静孔隙水压力与孔压系数 ✓ 常规三轴压缩试验 ✓
§3.7 常规三轴压缩试验
智者乐水 仁者乐山
Casagrande 等1930年首先使用 试样采用圆柱形土样，用橡皮膜包裹，放在密封压力室的
压力水中，施加轴向力，应力状态明确；变形量测简单 可控制排水条件；可完整的描述试样受力、变形和破坏的
全过程；可进行不同应力路径的试验
三轴：同“单轴”对应，表明土样在三个方向受力 常规：同“真”对应，表明土样在两个方向受到相
静孔隙水压力 uB
• 施加(1 -)进行剪切时，关
闭排水阀门。用孔压传感器 量测剪切过程中产生的超静 孔隙水压力 uA
测定：
• 轴向变形：轴向应变 • 轴向力：轴向应力 • 孔隙水压力
百分表
围压 力3 阀门
智者乐水 仁者乐山
横梁 量力环
量 水 管
孔压
试
量测
样
马达
阀门
不固结不排水试验
21
§3.7 常规三轴压缩试验 – 试验类型
ΔV Δεv V (Δε1 Δε2 Δε3 )V
轴向
侧向
总应力增量
1-3
0
有效附加应力 1-3-uA -uA
Δε1 [(Δσ1 Δσ3 ΔuA ) ν(ΔuA )] / E Δε2 [ΔuA ν(Δσ1 Δσ3 ΔuA ) ν(ΔuA )] / E
附加应力情况 – 三轴应力状态
于外荷载增量，孔压系数 B Δu Δσz
• Δu BΔσ3 A(Δσ1 Δσ3 )
• B是一个反映土体饱和程度的指标 • A 是一个反映土体剪胀性强弱的指标
小结 7
第三章：土体中的应力计算
§3.1 §3.2 §3.3 §3.4 §3.5 §3.6 §3.7
地基中的应力状态 ✓ 有效应力原理 ✓ 地基的自重应力计算 ✓ 基底压力计算 ✓ 地基中的附加应力计算 ✓ 超静孔隙水压力与孔压系数 ✓ 常规三轴压缩试验
弹性模量
• 泊松比：
Δ x Δ 3
Δ z
Δ 1
土的一般化的应力应变曲线
σ1 σ3
1
1
Et
Ei
p e
ε1
固结排水试验
18
§3.7 常规三轴压缩试验 – 试验类型
试验过程
• 施加围压 ,排水阀门始终
打开，充分排水
• 施加(1 -)进行剪切时，
排水阀门关闭。用孔压传感 器量测剪切过程中产生的超 静孔隙水压力u
1-3
孔压系数A: ΔuA B A(Δσ1 Δσ3 )
对饱和土, B=1
A
ΔuA Δσ1 Δσ3
剪切作用引起的孔压响应
• 线弹性体: A=1/3 • 剪胀： A1/3 • 剪缩： A﹥1/3
A 是一个反映土体剪胀性强弱的指标，其大小 与土性有关。 A不是常数，随加载过程而变化
附加应力情况 – 三轴应力状态
• 不排水，不排气： ΔV1=ΔV2
ΔuA
nC
f
Cs [ (Δσ1 Δσ3 )]
B
(Δσ1
Δσ 3
)
孔压系数A
ΔuA B A(Δσ1 Δσ3 )
附加应力情况 – 三轴应力状态
2
§3.6 超静孔隙水压力与孔压系数–孔压系数A
智者乐水 仁者乐山
偏差应力状态
1-3
0 uA
体积V 孔隙率n
0
施加轴向力，
进行剪切：
c
c
c
c
过程中，允许试样 排水称为排水；不 允许试样排水称为 不排水
常规三轴压缩试验
14
§3.7 常规三轴压缩试验 – 试验类型
智者乐水 仁者乐山
常规三轴压缩试验 conventional triaxial compression test
不固结不排水试验[UU]
unconsolidated-undrained test