岩土-三轴压缩试验
2022年1月28日 15:511. 概述
三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法。土的抗剪强度土体抵抗破坏的极限能力。堤坝填方、路堑、岸坡等是否稳定，挡土墙和建筑物地基是否能承受一定的荷载，都与土的抗剪强度有密切的关系。稳定分析就是研究土体发生破坏的滑动力与土体抗滑力之间的关系，当土体内的剪应力超过土体的抗剪强度，必然引起土体的破坏，因此，如何确定土体的强度就很重要。在土坡稳定、地基承载力及土压力等计算中，土的抗剪强度是很重要的指标。土的强度受许多因素影响，如土的类型、密度、含水率及受力条件、应力历史等。
一般认为：土体的破坏条件用莫尔－库仑(Mohr-Coulomb)破坏准则表示比较符合实际情况。根据莫尔一库仑破坏准则，土体在各向主应力的作用下，作用在某一应力面上的剪应力
三轴压缩试验的目的就是根据莫尔-库仑破坏准则测定土的强度参数,凝聚力和内摩擦力。
常规的三轴压缩试验是取3~4个圆柱体试样，分别在其四周施加不同的恒定周围压力(即小主应力
三轴压缩试验适用于测定黏性土和砂性土的总抗剪强度参数和有效抗剪强度参数。
2. 试验方法
室内测定抗剪强度的方法一般有直接剪切试验、无侧限抗压强度试验和三轴压缩试验。无侧限抗压强度实验是三轴压缩实验中
(1)不固结不排水试验
本试验是对试样施加周围压力后，即施加轴向压力，使试样在不固结不排水条件下剪切，该方法适用的条件是土体受力而孔隙压力不消散的情况，当建筑物施工速度快，土的渗透系数较低，而排水条件又差时，为考虑施工期的稳定，可采用UU试验。对非饱和土，如压实填土、未饱和的天然地层，这种土的强度是随
(2)固结不排水试验
本试验是使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条件下，增加轴向压力直至破坏。在固结不排水试验中不测孔隙压力时，求得总应力强度参数
正常固结黏土的不排水强度与土层固结压力的比值
(3)固结排水试验
本试验是使试样先在某一周围压力作用下排水固结，然后在排水条件下缓缓增加轴向压力直至破坏，主要是为了求得土的有效强度参数
3. 仪器设备
(1)应变控制式三轴剪切仪(见图2).其主要部件有轴向加压设备、周围压力加压设备、受压室、体积变化和孔隙压力测定设备；
(2)附属设备，包括击实器、饱和器、切土器、分样器、切土盘或切土器、承膜筒和对开圆膜；
(3)天平，称量200g，最小分度值0.01g，称重1000g，最小分度值0.1g；
(4)橡皮膜，应具有弹性，厚度应小于橡皮膜直径的1/100，不得有漏气孔；
(5)其他设备及用品，包括测微表、橡皮膜、烘箱、秒表、天平、干燥器、称量盒、切土刀、钢丝锯、滤纸、卡尺等。
4. 操作步骤
(1)检查仪器
①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1%，采用传感器时，其误差应小于全量程的0.5%。根据试样强度的大小，选用不同量程的测力计或传感器，最大轴向压力的准确度不小于1%。
②孔隙压力测量系统的气泡应排除，其方法是测量系统中充以无气水，并施加压力，小心打开孔隙压力阀，让管路中的气泡从压力室底座排出。应反复几次，直至气泡完全冲出为止(若用零位指示器时，将指示器中的水银移入贮槽内，关量管阀，用调压筒对孔隙压力量测系统加压排除气泡，需要注意，不要使储槽内水银冲出指示器。排气完毕后，将水银从槽内移出。关闭孔隙压力阀，用调压筒施加压力，检查水银上升高度）。孔隙压力量测系统的体积因数应小于1.5
③排水管路应通畅，各连接处应无漏水漏气现象。压力室活塞在轴套内应能自动滑动。仪器检查完毕，关闭周围压力阀、孔隙压力阀和排水阀，以备使用。
④检查橡皮膜是否漏气，将膜内充气，扎紧两端，然后在水下检查有无漏气。
(2)制备试样
1)三轴实验采用的试样最小直径为35mm，最大直径为101mm,试样高度为试样直径的2~2.5倍，试样的最大允许粒径可参照表1。对于有裂缝、软弱面和构造面的试样，直径宜大于60mm。
2)原状试样的制备。
①对于较软的土样，先用钢丝锯或切土刀切取一稍大于规定尺寸的土柱，放在切土盘上下圆盘之间，用钢丝锯或切土刀紧靠侧板，由上往下细心切削，边切削边转动圆盘，直至土样被削成规定的直径为止。切削时应避免扰动，当试样表面遇有砾石或凹坑时，允许用削下的余土填补。
②对较硬的土样，先用切土刀切取一稍大于规定尺寸的土柱，放在切土架上，用切土器切削土样，边削边压切土器，直到切削到比要求的试样高度约高2cm为止。
③取出试样，按规定的高度将两端削平、称量。并取余土测定试样的含水率。试样的两端面应平整，互相平行，侧面垂直，上下均匀。
3)扰动土试样制备应根据设计预定的干密度和含水率备样后，在击样器内分层击实，各层土样上数量应相等，各层接触面应刨毛，击完最后一层，将击样器内的试样两端整平，取出试样称量。然后量测试样的高度和直径，试样的平均直径可按下式计算：
4)砂类土试样制备应先在压力室底座依次放上透水板、橡皮膜和对开圆模。根据试验要求的干密度和试样体积，称取所需的砂样，分三 等分，在水中煮沸，冷却后待用。在模内注入纯水至试样高度的1/3，将煮沸冷却后的一份砂样按预定的干密度填入橡皮膜内，填至该层要求的高度。然后继续注入纯水至试样高度的2/3，再装第二份砂样。如此继续装样直至模内装满为止。如果要求的干密度较大时，在填砂过程中，轻轻敲打对开圆模，使所称的砂样填满规定的体积。整平砂面，放上透水板、试样帽、扎紧橡皮膜。对试样内部施加5kPa负压力，使试样能站立，拆除对开圆模。需要注意的是：对含有细粒土或要求高密度的试样，可采用干砂制备，用水头饱和或反压力饱和。
5)试样饱和可采用以下方法：
①抽气饱和：将试样装入饱和器内，放入真空缸内，真空缸与抽气机接通，进行抽气当真空度接近一个大气压力后，应继续抽气，抽气时间对粉质土大于0.5h，黏质土大于1h，坚硬的黏质土可大于2h.然后向真空缸注入清水，试样在水中静止10h以上，取出试验。
②水头饱和：将试样装入压力室内，试样周围不贴滤纸条，可施加20kPa的周围压力，提高试样底部量管的水位、降低试样顶部量管的水位，使两管水位差在1m左右，打开所有阀门使纯水从底部进入试样，从顶部溢出，直至流入水量和溢出水量相等为止。当需要提高试样的饱和度时，宜在水头饱和前，从底部将二氧化碳气体通入试样，置换孔隙中的空气，二氧化碳的压力以5~10kPa为宜。然后再进行水头饱和。
③反压力饱和：反压力的作用可以使试样达到完全饱和状态。目前国内外已把试样施加反压力作为一种常用的饱和方法。关于反压力在什么时候施加，有的认为在固结前施加，有的认为在固结后施加，一般认为固结前施加较好，反压力应分级施加，并分级施加周围压力，以尽量减少对试样的扰动。在施加反压力的过程中，周围压力宜略大于反压力，以防止试样可能因膨胀而破坏结构，该差值在施加反应力的过程中应保持常数。
在操作时，先调周围压力至50kPa，将反压力调至30kPa，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，测记孔隙压力和体变管读数，再施加下一级周围压力和反压力，算出本级周围压力下的孔隙压力增量
(3)试样安装与剪切
1)不固结不排水试验
①在压力室底座上依次放上不透水板、试样、不透水板和试样帽，在试样外套上橡皮膜，并将橡皮膜两端与底座及试样帽用橡皮圈扎紧。放上压力罩，将活塞对准试样中心，并均匀地拧紧底座连接螺母。向压力室内注满纯水，拧紧排气孔，并将活塞对准测力计和试样顶部；
②施加周围压力，其大小应与工程实际荷载相适应；
③转动手轮并转动活塞，当测力计有微读数时，表示活塞与试样帽接触，将测力计和轴向位移计读数调至零位；
④选择剪切应变速率，每分钟应变0.5%~1.0%为宜。启动电动机，合上离合器，开始剪切。试样每产生0.3%~0.4%的轴向应变（或0.2mm变形量），测记一次测力计和轴向变形值。当测力计读数出现峰值时，剪切应继续进行到轴向应变为15%~20%；
⑤试验结束，关电动机，关周围压力阀，打开排气孔，排除压力室内的水，拆除试样，称量、测定试样含水率。
2)固结不排水试验
①开孔隙压力阀和量管阀，使压力室底座充水排气，并关阀。在底座上依次放上透水板、湿滤纸、试样、湿滤纸和透水板，在试样周围贴上滤纸条，并套上橡皮膜，将橡皮膜下端扎紧在底座上。打开孔隙压力阀和量管阀，使水缓慢地从试样底部流入，排除试样与橡皮膜之间的视频气泡，关孔隙压力阀和量管阀。打开排水阀，使试样帽充水，放在透水板上，将橡皮膜与试样帽扎紧，降低排水管，吸除试样与橡皮膜之间的余水，关排水阀。加上压力罩、充水、调整测力计读数与不固结不排水试验相同；
②调整排水管水面与试样高度的中心齐平，测记水面初读数。开孔隙压力阀，使孔隙压力等于大气压力，关阀，记下初读数。需要施加反压力时，按前面所述进行；
③将孔隙压力调至接近周围压力值，施加周围压力后，打开孔瞭压力阀，待孔压稳定后，测记孔隙压力值。打开排水阀，直至孔隙压力消散至95%以上。固结完成后，关排水阀，测记孔隙压力和排水量；
④转动手轮，并转动活塞，使活塞与测力计接触，测读轴向变形值。将测力计调至零位；
⑤选择剪切应变速率，黏土每分钟应变0.05%~0.1%;粉土每分钟应变0.1%~0.5%为宜。启动电动机，合上离合器，开始剪切，过程中按一定变形量测记测力计、轴向变形和孔隙水压力，剪切至轴向变形达15%~20%停止试验，关电动机，关各阀门，拆样、称量、测定试样含水率。
3)固结排水试验
试样的安装、固结、剪切与固结不排水实验相同，但剪切过程中应将排水阀门打开，剪切速率采用每分钟应变0.003%~0.012%。
5.计算及制图
试样固结后的高度、面积、体积及剪切时的面积可按表2中的公式计算
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