三轴压缩试验.pdf

三 轴 压 缩 试 验目的和适用范围三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法 它通常用个圆柱形试样 分别在不同的恒定周围压力 即小主应力下 施加轴向压力 即产生主应力差进行剪切直至破坏 然后根据摩尔库仑理论 求得抗剪强度参数本规程适用于测定细粒土和砂类土的总抗剪强度参数和有效抗剪强度参数根据排水条件的不同 本试验分为不固结不排水剪固结不排水剪或和固结排水剪等种试验类型不固结水排水剪试验是在施加周围压力和增加轴向压力直至破坏过程中均不允许试样排水本试验可以测得总抗剪强度参数固结不排水剪或试验是试样先在某一周围压力作用下排水固结 然后在保持不排水的情况下 增加轴向压力直至破坏本试验可以测得总抗剪强度参数或有效抗剪强度参数和孔隙压力系数固结排水剪试验是试样先在某一周围压力作用下排水固结 然后在允许试样充分排水的情况下增加轴向压力直到破坏 本试验可以测得有效抗剪强度参数和变形参数引 用 标 准应变控制式三轴仪应变控制式三轴仪校验方法击实试验土工仪器的基本参数及通用技术条件 第一篇 室内土工仪器仪 器 设 备仪器设备应变控制式三轴仪 如图所示 有反压力控制系统周围压力控制系统 压力室 孔隙水压力量测系统 试验机等其技术条件应符合规定图三轴仪组成示意图反压力控制系统轴向测力计轴向位移计试验机横梁孔隙压力测量系统活塞压力室升降台量水管试验机周围压力控制系统压力源体变管周围压力阀量管阀孔隙压力阀手轮体变管阀排水管孔隙压力传感器排水管阀附属设备击实筒 见图饱和器 见图图击实筒套环定位螺丝导杆击锤底板套筒饱和器底板图饱和器土样筒紧箍夹板拉杆透水板切土盘 见图切土器和切土架 见图分样器 见图承膜筒 见图制备砂样圆模 见图用于冲填土或砂性土天平 称量分度值称量分度值称量分度值量表 量程分度值橡皮膜 对直径和的试样 橡皮膜厚度以为宜 对直径的试样 橡皮膜厚度以为宜仪器设备的检定和校准天平 应按相应的检定规程规定进行检定应变控制式三轴仪 应按规定的方法进行校准图切土盘图切土器和切土架图原状土分样器量表 应按大量程百分表检定规程 进行检定仪器检查图承膜筒安装示意图压力室底座透水板试样承膜筒橡皮膜上帽吸气孔周围压力控制系统和反压力控制系统的仪表的误差应小于全量程的采用传感器时 其误差应小于全量程的根据试样的强度大小 选择不同量程的测力计 最大轴向压力的准确度不小于孔隙压力量测系统的气泡应排除其方法是 孔隙压力量测系统中充以无气水煮沸冷却后的蒸馏水 并施加压力 小心打开孔隙压力阀 让图制备砂样圆模压力室底座透水板制样圆模两片合成紧箍像皮膜橡皮圈管路中的气泡从压力室底座排出应反复几次 直到气泡完全冲出为止 若用零位指示器时 将零位指示器中的水银移入贮槽内 关闭量管阀 用调压筒对孔隙压力测量系统加压排除气泡 需要注意 不要使贮槽内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 用调压筒施加压力孔隙压力量测系统的体积因数 应小于排水管路应通畅活塞在轴套内应能自由滑动 各连接处应无漏水漏气现象俟仪器检查完毕 关周围压力阀 孔隙压力阀和排水阀 以备使用橡皮膜在使用前应仔细检查其方法是扎紧两端 在膜内充气 然后沉入水下检查应无气泡溢出仪器检查的各项结果应符合的规定操 作 步 骤试样制备试样尺寸应符合下列要求试样高度与直径之比应为对于有裂隙 软弱面或构造面的试样 直径宜采用原状土试样制备对于较软的土样 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 见图再用钢丝据或削土刀紧靠侧板 由上往下细心切表土样粒径与试样直径的关系表试样直径允许粒径削 边切削边转动圆盘 直至土样的直径被削成规定的直径为止然后按试样高度的要求 削平上下两端对于直径为的软粘土土样 可先用分样器 图分成个土柱 然后再按上述的方法 切削成直径为的试样对于较硬的土样 先用削土刀或钢丝锯切取一稍大于规定尺寸的土柱 上 下两端削平 按试样要求的层次方向 放在切土架上 用切土器切削 见图先在切土器刀口内壁涂上一薄层油 将切土器的刀口对准土样顶面 边削土边压切土器 直至切削到比要求的试样高度约高为止 然后拆开切土器 将试样取出 按要求的高度将两端削平试样的两端面应平整 互相平行 侧面垂直 上下均匀在切样过程中 若试样表面因遇砾石而成孔洞 允许用切削下的余土填补将切削好的试样称量 直径的试样准确至直径和的试样准确至试样高度和直径用卡尺量测 试样的平均直径按式计算式中试样平均直径分别为试样上 中 下部位的直径取切下的余土 平行测定含水率 取其平均值作为试样的含水率对于同一组原状试样 密度的差值不宜大于含水率差值不宜大于对于特别坚硬的和很不均匀的土样 如不易切成平整 均匀的圆柱体时 允许切成与规定直径接近的柱体 按所需试样高度将上下两端削平 称取质量 然后包上橡皮膜 用浮称法称试样的质量 并换算出试样的体积和平均直径扰动土试样制备 击实法选取一定数量的代表性土样 对直径试样约取和试样分别取和经风干 碾碎 过筛 筛的孔径应符合本规程表规定测定风干含水率 按要求的含水率算出所需加水量 计算方法参照中式将需加的水量喷洒到土料上拌匀 稍静置后装入塑料袋然后置于密闭容器内至少使含水率均匀取出土料复测其含水率测定的含水率与要求的含水率的差值应小于否则需调整含水率至符合要求为止击样筒的内径应与试样直径相同击锤的直径宜小于试样直径 也允许采用与试样直径相等的击锤击样筒壁在使用前应洗擦干净 涂一薄层凡士林根据要求的干密度 称取所需土质量按试样高度分层击实 粉质土分层 粘质土分层击实各层土料质量相等每层击实至要求高度后 将表面刨毛 然后再加第层土料如此继续进行 直至击实最后一层将击样筒中的试样两端整平取出称其质量 一组试样的密度差值应小于冲填土试样制备 土膏法取代表性土样风 过筛 调成略大于液限的土膏 然后置于密闭容器内 储存左右 测定土膏含水率 同一组试样含水率的差值不应大于在压力室底座上装对开圆模和橡皮膜 在底座上的透水板上放一湿滤纸 连接底座的透水板均应饱和橡皮膜与底座扎紧称制备好的土膏 用调土刀将土膏装入橡皮膜内 装土膏时避免试样内夹有气泡试样装好后整平上端 称剩余土膏 计算装入土膏的质量在试样上部依次放湿滤纸 透水板和试样帽并扎紧橡皮膜然后打开孔隙压力阀和量管阀 降低量水管 使其水位低于试样中心约测记量水管读数 算出排水后试样的含水率拆去对开模 测定试样上 中 下部位的直径及高度 按本规程式计算试样的平均直径及体积砂类土试样制备根据试验要求的试样干密度和试样体积称取所需风干砂样质量 分三等分 在水中煮沸 冷却后待用开孔隙压力阀及量管阀 使压力室底座充水将煮沸过的透水板滑入压力室底座上 并用橡皮带把透水板包扎在底座上 以防砂土漏入底座中关孔隙压力阀及量管阀 将橡皮膜 的一端套在压力室底座上并扎紧 将对开模套在底座上 将橡皮膜的上端翻出 然后抽气 使橡皮膜贴紧对开模内壁 见图在橡皮膜内注脱气水约达试样高的用长柄小勺将煮沸冷却的一份砂样装入膜中 填至该层要求高度第层砂样填完后 继续注水至试样高度的再装第层砂样如此继续装样 直至模内装满为止如果要求干密度较大 则可在填砂过程中轻轻敲打对开模 务使所称出的砂样填满规对含有细粒土和要求高密度的试样 可采用干砂制备 用水头饱和或反压力饱和定的体积然后放上透水板 试样帽 翻起橡皮膜 并扎紧在试样帽上开量管阀降低量管 使管内水面低于试样中心高程以下约对于直径的试样约在试样内产生一定负压使试样能站立拆除对开模 按本规程之量试样高度与直径 复核试样干密度各试样之间的干密度差值应小于试样饱和抽气饱和将装有试样的饱和器置于无水的抽气缸内 进行抽气 当真空度接近当地个大气压后 应继续抽气 继续抽气时间宜符合下列要求粉质土大于粘质土大于密实的粘质土大于当抽气时间达到上述要求后 徐徐注入清水 并保持真空度稳定待饱和器完全被水淹没即停止抽气 并释放抽气缸的真空试样在水下静置时间应大于然后取出试样并称其质量水头饱和对于粉土或粉质砂土 均可直接在仪器上用水头饱和其方法是先按本规程之至步骤安装完毕 试样顶用透水帽然后施加的周围压力 并同时提高试样底部量管的水面和降低连接试样顶部固结排水管的水面 使两管水面差在左右打开量管阀 孔隙压力阀和排水阀 让水自下而上通过试样 直至同一时间间隔内量管流出的水量与固结排水管内的水量相等为止二氧化碳饱和二氧化碳饱和适用于无粘性的松砂 紧砂及密度低的粉质土二氧化碳的饱和装置见图其步骤如下试样安装完成后 装上压力室罩 将各阀门关闭 开周围压力阀对试样施加的周围压力图二氧化碳饱和装置图减压阀储气瓶供气阀将减压阀调至开供气阀使气体由试样底部输入试样内开体变管阀 当体变管内的水面无气泡时关闭供气阀开孔隙压力阀及量管阀 升高量管内水面 使保持高于体变管内水面约当量管内流出的水量约等于体变管内上升的水量为止 再继续水头饱和后 关闭体变管阀及孔隙压力阀反压力饱和按本规程或规定进行试样饱和 并用值 孔隙压力系数 检查饱和度 如试样的饱和度达不到可对试样施加反压力以达到完全饱和施加反压力装置见图其步骤如下试样装好以后装上压力室罩 关孔隙压力阀和反压力阀测记体变管读数先对试样施加的周围压力预压并开孔隙压力阀待孔隙压力稳定后记下读数 然后关孔隙压力阀反压力应分级施加 并同时分级施加周围压力 以尽量减少对试样的扰动在施加反压力过程中 始终保持周围压力比反压力大反压力和周围压力的每级增量对软粘土取对坚实的土或初始饱和度较低的土 取操作时 先调周围压力至并将反压力系统调至同时打开周围压力阀和反压力阀 再缓缓打开孔隙压力阀待孔隙压力稳定后 测记孔隙压力计和体变管读数 再施加下一级的周围压力和反压力算出本级周围压力下的孔隙压力增量并与周围压力增量比较 如则表示试样尚未饱和 这时关孔隙压力阀 反压力阀和周围压力阀 继续按上述规定施加下一级周围压力和反压力当试样在某级压力下达到时 应保持反压力不变 增大周围压力 假若试样内增加的孔隙压力等于周围压力的增量 表明试样已完全饱和 否则应重复上述步骤 直至试样饱和为止试样安装和固结不固结不排水剪试验试验对压力室底座充水 在底座上放置不透水板 并依次放置试样 不透水板及试样帽对于冲填土或砂性土的试样安装 分别按本规程或规定进行将橡皮膜套在承膜筒内 两端翻出筒外 见图从吸气孔吸气 使膜贴紧承膜筒内壁 然后套在试样外 放气 翻起橡皮膜的两端 取出承膜筒用橡皮圈将橡皮膜分别扎紧在压力室底座和试样帽上装上压力室罩安装时应先将活塞提升 以防碰撞试样压力室罩安放后 将活塞对准试样帽中心 并均匀地旋紧螺丝 再将轴向测力计对准活塞开排气孔 向压力室充水 当压力室内快注满水时 降低进水速度 水从排气孔溢出时 关闭排气孔关体变管阀及孔隙压力阀 开周围压力阀 施加所需的周围压力周围压力大小应与工程的实际荷载相适应 并尽可能使最大周围压力与土体的最大实际荷载大致相等也可按施加旋转手轮 同时转动活塞 当轴向测力计有微读数时表示活塞已与试样帽接触然后将轴向测力计和轴向位移计的读数调整到零位固结不排水剪试验 测孔隙压力试验开孔隙压力阀及量管阀 使压力室底座充水排气 并关阀将煮沸过的透水板滑入压力室底座上然后放上湿滤纸和试样 试样上端亦放一湿滤纸及透水板在其周围贴上条浸湿的滤纸条 宽度为试样直径的左右滤纸条上端与透水石连接按本规程之规定将橡皮膜套在试样外橡皮膜下端扎紧在压力室底座上用软刷子或双手自下向上轻轻按抚试样 以排除试样与橡皮膜之间的气泡对于饱和软粘土 可开孔隙压力阀及量管阀 使水徐徐流入试样与橡皮膜之间 以排除夹气 然后关闭开排水管阀 使水从试样帽徐徐流出以排除管路中气泡并将试样帽置于试样顶端排除顶端气泡 将橡皮膜扎紧在试样帽上降低排水管 使其水面至试样中心高程以下吸出试样与橡皮膜之间多余水分 然后关排水管阀按本规程之和的规定 装上压力室罩并注满水然后放低排水管使其水面与试样中心高度齐平 并测记其水面读数关排水管阀使量管水面位于试样中心高度处 开量管阀 若用零位指如要施加反压力饱和试样 所贴的滤纸条必须中间断开约试样高度或自底部向上贴至试样高度处示器时用调压筒调整零位指示器的水银面于毛细管指示线测读传感器 记下孔隙压力计起始读数 然后关量管阀按本规程之的规定 施加周围压力 并调整各测力计和位移计读数打开孔隙压力阀 若用零位指示器 用调压筒先将孔隙压力计读数调至接近该级周围压力大小 然后缓缓打开孔隙压力阀并同时旋转调压筒 使毛细管内水银面保持不变测记稳定后的孔隙压力读数 减去孔隙压力计起始读数 即为周围压力与试样的初始孔隙压力注 如不测孔隙压力可以不做本款要求的试验开排水管阀的同时开动秒表 按时间测记排水管水面及孔隙压力计读数在整个试验过程中 零位指示器的水银面始终保持在原来位置排水管水面应置于试样中心高度处固结度至少应达到随时绘制排水量与时间平方根或时间对数曲线见图或孔隙压力消散度与时间对数曲线如要求对试样施加反压力时 则按本规程规定进行然后关体变管阀 增大周围压力 使周围压力与反压力之差等于原来选定的周围压力 记录稳定的孔隙压力读数和体变管水面读数作为固结前的起始读数开体变管阀 让试样通过体变管排水 并按本规程之及之规定进行排水固结固结完成后 关排水管阀或体变管阀 记下体变管或排水管和孔隙压力计的读数然后转动细调手轮 到测力计读数开始微动时 表示活塞已下试样接触 记下轴向位移计读数 即为固结下沉量依此算出固结后试样高度然后将测力计 垂直位移计读数都调至零其余几个试样按同样方法安装试样 并在不同周围压力下排水固结固结排水试验试验若试样的主固结时间已经掌握 也可不读排水管和孔隙压力的过程读数图排水量与排水时间的关系曲线固结排水量与时间平方根曲线固结排水量与时间对数曲线试样安装按本规程之规定进行排水固结按本规程之规定进行试样剪切试验机的电动机启动之前 应按表规定将各阀门关闭或开启表各阀门开关状态试验方法体变管阀排水管阀 周围压力阀孔隙压力阀量管阀试验关关开关关试验测孔隙压力关关开开关试验关关开关关试验开开开开关注 试验中用体变管或排水管试验的剪切应变速率按表规定选择表剪切应变速率表试验方法剪切应变速率备注试验试验测孔隙压力粘质土粘质土高密度粘性土试验试验开动电动机 合上离合器 进行剪切开始阶段 试样每产生轴向应变测记测力计读数和轴向位移计读数各次当轴向应变达以后 读数间隔可延长为各测记次当接近峰值时应加密读数如果试样为特别硬脆或软弱土的可酌情加密或减少测读的次数当出现峰值后 再继续剪辆向应变 若测力计读数无明显减少 则剪切至轴向应变达试验 测孔隙压力测读轴向位移计时应同时测读孔隙压力计的读数试验 测读轴向位移计时 应同时测读体变管读数或排水管读数试验结束后关闭电动机 关周围压力阀试验 测孔隙压力 应关闭孔隙压力阀试验 则应关闭孔隙压力阀和体变管阀然后拔出离合器 倒转手轮 开排气孔 排去压力室内的水 拆除压力室罩 揩干试样周围的余水 脱去试样外的橡皮膜 描述破坏后形状 称试样质量 测定试验后含水率对于直径的试样 宜取整个试样烘干和直径的试样允许切取剪切面附近有代表性的部分土样烘干对其余几个试样 在不同周围压力下以同样的剪切应变速率进行试验计 算 和 制 图计算试样的高度 面积 体积及剪切时的面积计算公式列于表表高度 面积 体积计算表项目起始固结后按实测固结下沉等应变简化式剪切时校正值试样高度试样面积不固结不排水剪固结不排水剪固结排水剪试样体积表中固结下沉量 由轴向位移计测得固结排水量 实测或试验前后试样质量差换算排水剪中剪切时的试样体积变化 按体变管或排水管读数求得轴向应变不固结不排水剪中的等于固结不排水剪及固结排水剪中的等于试样剪切时高度变化 由轴向位移计测得为方便起见 可预先绘制及的关系线备用按式计算主应力差式中大主应力小主应力测力计率定系数测力计读数试样剪切时的面积单位换算系数按式计算有效主应力比式中有效大主应力和有效小主应力大主应力与小主应力孔隙水压力按式式计算孔隙压力系数和式中试样在周围压力下产生的初始孔隙压力试样在主应力差下产生的孔隙压力制图根据需要分别绘制主应力差与轴向应变的关系曲线 图有效主应力比与轴向应变的关系曲线 图孔隙压力与轴向应变的关系曲线 图用与作坐标的应力路径关系曲线 图破坏点的取值以或的峰点值作为破坏点 如和均无峰值 应以应力路径的密集点或按一定轴向应变 一般可取经过论证也可根据工程情况选取破坏应变 相应的或作为破坏强度值绘制强度包线对于不固结不排水剪切试验及固结不排水剪切试验 以法向应力为横坐标 剪应力为纵坐标 在横坐标上以为圆心为半径注脚表示破坏时的值绘制破坏总应力圆后 作诸圆包线 该包线的倾角为内摩擦角或包线在纵轴上的截距为粘聚力或见图及图在固结不排水剪切中测孔隙压力 则可确定试样破坏时的有效应力以有效应力为横坐标 剪应力为为纵坐标 在横坐标轴上以为圆心 以为半径 绘制不同周围压力下的有效破坏应力圆后 作诸圆包线 包线的倾角为有效内摩擦角包线在纵轴上的截距为有效粘聚力在排水剪切试验中 孔隙压力等于零 抗剪强度包线的倾角和在纵轴上的截距分别以和表示 如图如各应力圆无规律 难以绘制各圆的强度包线 可按应力图主应力差与轴向应变关系曲线图有效主应力比与轴向应变关系曲线图孔隙压力与轴向应变关系曲线图应力路径曲线 正常固结粘土图不固结不排水剪强度包线图固结不排水剪强度包线路径取值 即以作纵坐标作横坐标 绘制应力圆 作通过各圆之圆顶点的平均直线见图图固结排水剪强度包线图应力路径包线根据直线的倾角及在纵坐标上的截距 按下列两式计算和式中平均直线的倾角平均直线在纵轴上的截距变形参数的整理变形参数的整理按本规程 附的方法进行变形参数的整理按本规程 附的方法进行记录本试验的记录格式如表表表表三轴压缩试验记录表工程名称试 验 者土样编号计 算 者土样说明校 核 者试验方法试验日期试样状态起始值固结后剪切后直径高度面积体积质量密度干密度试样含水率起始值 剪切后盒号盒质量盒加湿土质量湿土质量盒加干土质量干土质量水质量含水率饱和度周围压力反压力周围压力下的孔隙压力孔隙压力系数破坏应变破坏主应力差破坏大主应力破坏孔隙压力系数相应的有效大主应力相应的有效大主应力最 大 有 效 主 应 力 比孔隙压力系数试样破坏情况的描述呈鼓状破坏备注表三 轴 压 缩 试 验 记 录 表土样编号计 算 者周围压力校 核 者试 验 者试验日期加反压力过程时间周围压力 反压力 孔隙压力孔隙压力增量试样体积变化读数体变量说明检验结果固结过程时间量管孔隙压力体变管读数排水量读数压力值读数体变值说 明表三 轴 压 缩 试 验 记 录 表土样编号试验者试验方法计算者试验日期校核者周围压力剪切应变速率测力计率定系数固结下沉量固结后高度固结后面积轴向变形读数轴向应变试样校正后面积测力计表读数主应力差大主应力孔隙压力读数压力值试样体积变化排水管体积变化读数排出水量 读数体变量有效大主应力有效小主应力有效主应力比附模型参数的资料整理切线弹性模量和切线泊松比的计算按下列两式计算切线弹性模量式中切线弹性模量周围压力大气压力破坏比 数值小于土的内摩擦角土的粘聚力试验常数切线泊松比按下列两式计算式中试验常数其余符号见本规程式应力应变的计算按下列三式计算体积应变和侧向应变式中试样在剪切过程中的体积应变试样的剪切过程中的体积变化试样固结后的体积轴向应变侧向应变主应力差的计算按本规程式进行试验常数的求得绘制应力应变关系曲线根据康德纳的建议 在为常量下 三轴试验的应力应变关系近似双曲线关系 如附图附图三轴试验的应力应变关系双曲线应力应变关系变换纵坐标的双曲线双曲线关系式变换纵坐标 如图式中初始切线模量的倒数主应力差渐近值的倒数由和即可求得初始切线模量和主应力差的渐近值按式计算破坏比式中主应力差的破坏值主应力差的渐近值绘制和的关系曲线根据简布对压缩试验的研究 初始切线模量与固结压力有以下关系式中大气压力由曲线 附图确定附图关系曲线绘制轴向应变与侧向应变关系曲线假定轴向应变与侧向应变成双曲线关系 附图即变换纵坐标 如图式中初始切线泊松比轴向应变渐近值的倒数从图中求得值附图轴向应变与侧向应变关系双曲线主应变关系变换纵坐标的双曲线附图关系曲线绘制与关系曲线 附图式中不同作用下的初始泊松比由关系曲线求得式和式中共有个参数和根据库伦摩尔包线确定 如本规程图附模型参数的资料整理切线弹性模量和切线体积模量的计算切线弹性模量按下列两式计算式中切线弹性模量周围压力大气压力破坏比 数值小于土的内摩擦角土的粘聚力试验常数切线体积模量按式计算式中切线体积模量试验常数其余符号见式主应力差 体积应变和侧向应变的计算主应力差 体应变和侧向应变的计算 见本规程 附式和式试验常数的推算绘制应力应变关系曲线根据康德纳的建议 在为常量下 三轴试验的应力应变关系近似双曲线关系如附图变换纵坐标 如附图取应力水平和两点的连线 求得和为直线在纵坐标上的截距为直线的斜率 由和即可求得初始切线模量和主应力差的渐近线 附图附图三轴试验的应力应变关系破坏比按式计算式中主应力差的破坏值主应力差的渐近值绘制和的关系曲线根据简布对压缩试验的研究 初始切线模量与固结压力有以下关系在双对数坐标纸上绘制关系曲线附图确定值初始切线体积模量按式计算式中初始切线体积模量与应力水平对应的体积应变取值原则 若土样的体应变曲线在强度值的以前未出现峰值则取应力水平及相应的体应变对于体应变曲线在强度值的之前出现峰值 则体应变应取峰值及取对应的应力水平附图关系曲线在 双对 数坐 标 上 绘 制关 系 曲 线见 图式和 式中共有个参数和根据摩尔库仑包线确定当无粘性土的摩尔包线呈弯曲时 应将每一周围压力下的值求出 绘制曲线 并按式计算值式中当为时的值当增加倍时的减小量附图关系曲线