实验五 土的三轴剪切试验

学 时：2学时 实验性质：综合型实验 一、目的要求：

土的三轴剪切试验是综合性试验，通过对试验的设计，能获得在不同的排水条件下土的应力与应变的关系和强度参数。通过试验加深对土力学基本理论的理解，培养学生的动手能力和创新能力。

掌握土的三轴剪切试验基本原理和试验方法，了解试验的仪器设备，熟悉试验的操作步骤，掌握三轴剪切试验成果的整理方法，根据试验成果绘制应力与应变的关系曲线，计算土的内聚力和摩擦角。

二、试验原理：

一般认为，土体的破坏条件用莫尔－库仑（Mohr-Coulomb）破坏准则：土体在各向主应力作用下，作用在某一应力面上的剪应力?与法向应力?之比达到某一比值，土体将沿该面发生剪切破坏。莫尔－库仑破坏准则的表达式为：?1??3?Ccos???1??3sin?。?1大主应

22力，?3小主应力，C土的粘聚力，?土的内摩擦角。

三轴剪切试验就是根据莫尔－库仑破坏准则测定土的强度参数粘聚力c和内摩擦角?。

三、试验方法：

根据加载类型的不同，三轴剪切试验又可分为三种试验方法：不固结不排水剪(UU)；固结不排水剪(CU)；固结排水剪(CU)。

四、仪器设备：

1．应变控制式三轴仪(图5. 1—1)：由压力室、轴向加压设备、周围压力系统、反压力系统、孔隙水压力量测系统、轴向变形和体积变化量测系统组成。

2．附属设备：包括击样器、饱和器、切土器、原状土分样器、切土盘、承膜筒和对开圆膜，应符合下图要求：1)击样器(图5. 1－2)，饱和器(图5. 1－3)。2)切土盘、切土器和原状土分样器(图5. 1－4)。3)承膜筒及对开圆模(图5. 1—5及图5. 1—6)。

3．天平：称量200g，最小分度值0. 0lg；称量1000g，最小分度值0. 1g。

4．橡皮膜：应具有弹性的乳胶膜，对直径39. 1和61. 8mm的试样；厚度以0. 1～0. 2mm为宜，对直径101mm的试样，厚度以0. 2～0. 3为宜。

图5.1－1 应变控制式三轴仪

图5.1－2 击样器 图5.1－3 饱和器

1－套环；2－定位螺丝；3－导杆；4－击锤； 1－圆模(3片)；2－紧箍 5－底板；6－套筒；7－击样筒；8－底座 3－夹板；4－拉杆；5－透水板

图5.1－4 原装土和土盘分样器

图5.1－5 承膜筒 图5.1－6 对开圆模

全自动三轴仪

TSZ10-1.0应变控制式三轴仪

土样饱和器 QI-1型切土机

五、试验步骤：

（一）不固结不排水剪试验步骤 1 试样的安装步骤：

I 在压力室的底座上，依次放上不透水板、试样及不透水试样帽，将橡皮膜用承膜筒套在试样外，并用橡皮圈将橡皮膜两端与底座及试样帽分别扎紧。

Ⅱ 将压力室罩顶部活塞提高，放下压力室罩，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，待压力室顶部排气孔有水溢出时，拧紧排气孔，并将活塞对准测力计和试样顶部。

Ⅲ 将离合器调至粗位，转动粗调手轮；当试样帽与活塞及测力计接近时，将离合器调至细位，改用细调手轮，使试样帽与活塞及测力计接触，装上变形指示计，将测力计和变形指示计调至零位。

Ⅳ 关排水阀，开周围压力阀，施加周围压力。 2 剪切试样应按下列步骤进行：

I 剪切应变速率宜为每分钟应变0. 5％～1. 0％。

Ⅱ 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变形值)，测记一次测力计读数和轴向变形值。当轴向应变大于3％时，试样每产生0. ％～0. 8％的轴向应变(或0.5mm变形值)，测记一次。

Ⅲ 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％。 Ⅳ 试验结束，关电动机，关周围压力阀，脱开离合器，将离合器调至粗位，转动粗调手轮，将压力室降下，打开排气孔，排除压力室内的水，拆卸压力室罩，拆除试样，描述试样破坏形状，称试样质量，并测定含水率。

3 轴向应变应按下式计算：?1??h1?100。式中，?轴向应变(％)；h剪切过程中

11h0 试样的高度变化(mm)；h0试样初始高度(mm)。

4 试样面积的校正应按下式计(cm2)；A0试样的初始断面积(cm2)。

5 主应力差应按下式计算：?1??3?CR?10。式中，AsAa?A01??1算：。式中，Aa试样的校正断面积

?1??3主应力差(kPa)；?1大总主

应力(kPa)；?3小总主应力(kPa)；C测力计率定系数(N／0. 01mm或N／mV)；R ——测力计读数(0. 01mm)；10单位换算系数。

图 5.2 主应力差与轴向应变关系曲线

图 5.3 不固结不排水剪强度包线

6 以主应力差为纵坐标，轴向应变为横坐标；绘制主应力差与轴向应变关系曲线(图5. 2)。取曲线上主应力差的峰值作为破坏点，无峰值时，取15％轴向应变时的主应力差值作为破坏点。

7 以剪应力为纵坐标，怯向应力为横坐标，在横坐标轴以破坏时的

?1f??3f2为圆心，

以?1f??3f2为半径，在???应力平面上绘制破损应力圆，并绘制不同周围压力下破损应力

圆的包线，求出不排水强度参数(图5. 3)。

（二） 固结不排水剪试验步骤 1 试样的安装步骤：

Ⅰ 开孔隙水压力阀和量管阀，对孔隙水压力系统及压力室底座充水排气后，关孔隙水压力阀和量管阀。压力室底座上依次放上透水板、湿滤纸、试样、湿滤纸、透水板，试样周围贴浸水的滤纸条7～9条。将橡皮膜用承膜筒套在试样外，并用橡皮圈将橡皮膜下端与底座扎紧。打开孔隙水压力阀和量管阀，使水缓慢地从试样底部流入，排除试样与橡皮膜之间的气泡，关闭孔隙水压力阀和量管阀。打开排水阀，使试样帽中充水，放在透水板上，用橡皮圈将橡皮膜土端与试样帽扎紧，降低排水管，使管内水面位于试样中心以下20～40cm，吸除试样与橡皮膜之间的余水，关排水阀。需要测定土的应力应变关系时，应在试样与透水板之间放置中间夹有硅脂的两层圆形橡皮膜，膜中间应留有直径为lcm的圆孔排水。

Ⅱ 压力室罩安装、充水及测力计调整应按不固结不排水的步骤进行。 2 试样排水固结应按下列步骤进行：

Ⅰ 调节排水管使管内水面与试样高度的中心齐平，测记排水管水面读数。

Ⅱ 开孔隙水压力阀，使孔隙水压力等于大气压力，关孔隙水压力阀，记下初始读数。 Ⅲ 将孔隙水压力调至接近周围压力值，施加周围压力后，再打开孔隙水压力阀，待孔隙水压力稳定测定孔隙水压力。

Ⅳ 打开排水阀。固结完成后，关排水阀，测记孔隙水压力和排水管水面读数。 Ⅴ 微调压力机升降台，使活塞与试样接触，此时轴向变形指示计的变化值为试样固结时的高度变化。

3 剪切试样应按下列步骤进行：

Ⅰ 剪切应变速率粘土宜为每分钟应变0. 05％～0. 1％；粉土为每分钟应变0. 1％～0. 5％。

Ⅱ 将测力计、轴向变形指示计及孔隙水压力读数均调整至零。

Ⅲ 启动电动机，合上离合器，开始剪切。测力计、轴向变形、孔隙水压力应按不固结不排水中的步骤进行测记。

Ⅳ 试验结束，关电动机，关各阀门，脱开离合器+将离合器调至粗位，转动粗调手轮，将压力室降下，打开排气孔，排除压力室内的水，拆卸压力室罩，拆除试样，描述试样破坏形状，称试样质量，并测定试样含水率。

4 试样固结后的高度，应按下式计算：hc?h0(1?高度(cm)；?V试样固结后与固结前的体积变化(cm3)。

5 试样固结后的面积，应按下式计算：Ac?A0(1?的断面积(cm2)。

?V13)。式中，hc试样固结后的V0?V23)。式中，Ac试样固结后V0