1、試驗項目四三軸剪切試驗試驗目的：三軸剪切試驗是測定土體抗剪強度的一種方法，通常用34個圓柱形試樣，分別在不同的恒定圍壓力下（即小主應力3）施加軸向壓力（即主應力差13）進行剪切直至破壞，然后根據摩爾庫侖理論，求得土的抗剪強度參數c、值。同時，試驗過程中若測得了孔隙水壓力還可以得到土體的有效抗剪強度指標c、和孔隙水壓力系數等。試驗方法：三軸剪切試驗可分為不固結不排水試驗（UU）、固結不排水試驗（CU）以及固結排水剪試驗（CD）。 1、不固結不排水試驗：試件在周圍壓力和軸向壓力下直至破壞的全過程中均不允許排水，土樣從開始加載至試樣剪壞，土中的含水率始終保持不變，可測得總抗剪強度指標和； 2、固結不

2、排水試驗：試樣先在周圍壓力下讓土體排水固結，待固結穩定后，再在不排水條件下施加軸向壓力直至破壞，可同時測定總抗剪強度指標和或有效抗剪強度指標和及孔隙水壓力系數；3、固結排水剪試驗：試樣先在周圍壓力下排水固結，然后允許在充分排水的條件下增加軸向壓力直至破壞，可測得總抗剪強度指標和。試驗指導書：三軸剪切試驗一、目的1、了解三軸剪切試驗的基本原理； 2、掌握三軸剪切試驗的基本操作方法； 3、了解三軸剪切試驗不同排水條件的控制方法和孔隙壓力的測量原理； 4、進一步鞏固抗剪強度的基本理論。二、試驗原理 三軸剪切試驗是用來測定試件在某一固定周圍壓力下的抗剪強度，然后根據三個以上試件，在不同周圍壓力下測得的

3、抗剪強度，利用莫爾-庫侖破壞準則確定土的抗剪強度參數。 三軸剪切試驗可分為不固結不排水試驗（UU）、固結不排水試驗（CU）以及固結排水剪試驗（CD）。 1、不固結不排水試驗：試件在周圍壓力和軸向壓力下直至破壞的全過程中均不允許排水，土樣從開始加載至試樣剪壞，土中的含水率始終保持不變，可測得總抗剪強度指標和； 2、固結不排水試驗：試樣先在周圍壓力下讓土體排水固結，待固結穩定后，再在不排水條件下施加軸向壓力直至破壞，可同時測定總抗剪強度指標和或有效抗剪強度指標和及孔隙水壓力系數； 3、固結排水剪試驗：試樣先在周圍壓力下排水固結，然后允許在充分排水的條件下增加軸向壓力直至破壞，可測得總抗剪強度指標和

4、。三、儀器設備 1、三軸剪力儀（分為應力控制式和應變控制式兩種）。 應變控制式三軸剪力儀有以下幾個組成部分（圖4-1）：圖4-1 應變控制式三軸剪切儀1調壓桶；2周圍壓力表；3周圍壓力閥；4排水閥；5體變管；6排水管；7變形量表；8測力環；9排氣孔；10軸向加壓設備；11壓力室；12量管閥；13零位指標器；14孔隙壓力表；15量管；16孔隙壓力閥；17離合器；18手輪；19馬達；20變速箱。 （1）三軸壓力室 壓力室是三軸儀的主要組成部分，它是由一個金屬上蓋、底座以及透明有機玻璃圓筒組成的密閉容器，壓力室底座通常有3個小孔分別與圍壓系統以及體積變形和孔隙水壓力量測系統相連。 （2）軸向加荷傳動

5、系統 采用電動機帶動多級變速的齒輪箱，或者采用可控硅無級調速，根據土樣性質及試驗方法確定加荷速率，通過傳動系統使土樣壓力室自下而上的移動，使試件承受軸向壓力。 （3）軸向壓力測量系統 通常的試驗中，軸向壓力由測力計（測力環或稱應變圈等等）來反映土體的軸向荷重，測力計為線性和重復性較好的金屬彈性體組成，測力計的受壓變形由百分表測讀。軸向壓力系統也可由荷重傳感器來代替。 （4）周圍壓力穩壓系統 采用調壓閥控制，調壓閥當控制到某一固定壓力后，它將壓力室的壓力進行自動補償而達到周圍壓力的穩定。 （5）孔隙水壓力測量系統 孔隙水壓力由孔隙水壓力傳感器測得。 （6）軸向應變（位移）測量裝置 軸向距離采用大

6、量程百分表（030mm百分表）或位移傳感器測得。 （7）反壓力體變系統 由體變管和反壓力穩定控制系統組成，以模擬土體的實際應力狀態或提高試件的飽和度以及測量試件的體積變化。 2、附屬設備 （1）擊實器和飽和器； （2）切土器和原狀土分樣器； （3）砂樣制備模筒和承模筒； （4）托盤天平和游標卡尺； （5）其它如乳膜薄、橡皮筋、透水石、濾紙、切土刀、鋼絲鋸、毛玻璃板、空氣壓縮機、真空抽氣機、真空飽和抽水缸、稱量盒和分析天平等。四、試驗前的檢查和準備 1、儀器性能檢查應包括如下幾個方面： （1）周圍壓力和反壓力控制系統的壓力源； （2）空氣壓縮機的穩定控制器（又稱壓力控制器）； （3）調壓閥的靈敏

7、度及穩定性； （4）監視壓力精密壓力表的精度和誤差； （5）穩壓系統有否漏氣現象； （6）管路系統的周圍壓力、孔隙水壓力、反壓力和體積變化裝置以及試樣上下端通道節頭處是否存在漏氣或阻塞現象； （7）孔壓及體變的管道系統內是否存在封閉氣泡，若有封閉氣泡可用無氣水進行循環排水； （8）土樣兩端放置的透水石是否暢通和浸水飽和； （9）乳膠薄膜套是否有漏氣的小孔； （10）軸向傳壓活塞是否存在磨擦阻力等。 2、試驗前的準備工作 除了上述儀器性能檢查外，還應根據試驗要求作如下的準備： （1）根據工程特點和土的性質確定試驗方法和測定哪些參數； （2）根據土樣的制備方法和土樣特性決定飽和方法和設備； （3）

8、根據試驗方法和土的性質，確定剪切速率； （4）根據取土深度和應力歷史以及試驗方法，確定周圍壓力的大小； （5）根據土樣的多少和均勻程度確定單個土樣多級加荷還是多個土樣分級加荷。五、試樣制備和飽和 1、擾動土和砂土的試樣 根據要求可按一定的干容重和含水量將擾動土拌勻，粉質土分35層，粘質土分58層，分層裝入擊實筒擊實（控制一定密度），并在各層面上用切土刀刨毛以利于兩層面之間結合。 對于砂土，應先在壓力室底座上依次放上透水石、濾紙、乳膠薄膜和對開圓模筒，然后根據一定的密度要求，分三層裝入圓模筒內擊實。如果制備飽和砂樣，可在圓模筒內通入純水至1/3高，將預先煮沸的砂料填入，重復此步驟，使砂樣達到預定

9、高度，放在濾紙、透水石、頂帽，扎緊乳膠膜。為使試樣能站立，應對試樣內部施加0.05kg/cm2(5kPa)的負壓力或用量水管降低50cm水頭即可，然后拆除對開圓模筒。 2、原狀試樣 將原狀土制備成略大于試樣直徑和高度的毛坯，置于切土器內用鋼絲鋸或切土刀邊削邊旋轉，直到滿足試件的直徑為止，然后按要求的高度切除兩端多余土樣。 3、試樣飽和 （1）真空抽氣飽和法 將制備好的土樣裝入飽和器內置于真空飽和缸，為提高真空度可在蓋縫中涂上一層凡士林以防漏氣。將真空抽氣機與真空飽和缸接通，開動抽氣機，當真空壓力達到一個大氣壓力，微微開啟管夾，使清水徐徐注入真空飽和缸的試樣中，待水面超過土樣飽和器后，使真空表壓

10、力保持一個大氣壓力不變，即可停止抽氣。然后靜置一段時間，粉性土大約10小時左右，使試樣充分吸水飽和。另一種所抽氣飽和辦法，是將試樣裝入飲和器后，先浸沒在帶有清水注入的真空飽和缸內，連續真空抽氣24小時（粘土），然后停止抽氣，靜置小時左右即可。 （2）水頭飽和法 將試樣裝入壓力室內，施加0.2kg/cm2(20kPa)周圍壓力，使無氣泡的水從試樣底座進入，待上部溢出，水頭高差一般在1m左右，直至流入水量和溢出水量相等為止。 （3）反壓力飽和法 試件在不固結不排水條件下，使土樣頂部施加反壓力，但試樣周圍應施加側壓力，反壓力應低于側壓力的0.05kg/cm2(5kPa)，當試樣底部孔隙壓力達到穩定后

11、關閉反壓力閥，再施加側壓力，當增加的側壓力與增加的孔隙壓力其比值0.95時被認為是飽和，否則再增加反壓力和側壓力使土體內氣泡繼續縮小，然后再重復上述測定是否大于0.95，即相當于飽和度為大于95%。六、固結不排水試驗法（CU）試驗 1、操作步驟 （1）將制備成大于試樣直徑和高度的毛坯，放在切土器內用鋼絲鋸和修土刀，制備成所要求規格的試樣，最后量其直徑、高度、稱其重量，并選擇代表性的土樣測定含水量。 （2）安裝試樣前，事先應全面檢查三軸儀的各部分是否完好。 打開試樣底座的開關（孔隙水壓力閥和量管閥），使量管里的水緩緩地流向底座，并依次放上透水石和濾紙，待氣泡排除后，再放上試樣，試樣周圍貼上濾紙條

12、，關閉底座開關。 把已檢查過的橡皮薄膜套在承膜筒上，兩端翻起，用吸球從氣嘴中不斷吸氣，使橡皮膜緊貼于筒壁，小心將它套在土樣外面，然后讓氣嘴放氣，使橡皮膜緊貼試樣周圍，翻起橡皮兩端，用橡皮緊圈將橡皮膜下端扎緊在底座上。 打開試樣底座開關，讓量管中水（有時采取高量管所產生的水頭差）從底座流入試樣與橡皮膜之間，排除試樣周圍的氣泡，關閉開關。 打開與試樣帽連通的排水閥，讓量水管中的水流入試樣帽，并連同透水石，濾紙放在試樣的上端，排盡試樣上端及量管系統的氣泡后關閉開關，用橡皮圈將橡皮膜上端與試樣帽扎緊。 裝上壓力筒擰緊密封螺帽，并使傳壓活塞與土樣帽接觸。 （3）試樣排水固結按下列步驟進行： 向壓力室施加

13、試樣的周圍壓力（水壓力或氣壓力），周圍壓力的大小根據土樣的覆蓋壓力而定，一般應等于和大于覆蓋壓力，但由于儀器本身限定，目前最大壓力不宜超過0.6MPa（低壓三軸儀）和2.0MPa（高壓三軸儀）。 同時測定土體內與周圍壓力相應的起始孔隙水壓力，施加周圍壓力后，在不排水條件下靜止1530分鐘后，記下起始孔隙水壓力讀數。 打開排水閥，固結完成后，并排水閥，測計孔隙水壓力和排水管讀數。 轉動細檔手輪，微調壓力機升降臺，使活塞與試樣接觸，此時軸向變形指示計的變化值為試樣固結時的高度變化。 （4）試樣剪切按下列步驟進行： 剪切速率：粘土宜為0.050.1%/每分鐘，粉質土或輕亞粘土為0.10.5%/每分鐘

14、。 將軸向變形的百分表、軸向壓力測力環的百分表及孔隙水壓力計讀數均調速至零點。 啟動電動機，合上離合器，開始剪切。試樣每產生0.3%0.4%的軸向應變（或0.2mm變形值），測讀一次測力計讀數和軸向變形值。當軸向應變大于3%時，試樣每產生0.7%0.8%的軸向應變（或0.5mm變形值），測讀一次。當測力計讀數出現峰值時，剪切應繼續進行到軸向應變量為15%20%。 試驗結束，關電動機，關各閥門，脫開離合器，轉動手輪，將壓力室降下，打開排氣孔，排除壓力室內的水，拆卸壓力室罩，取出試件，描繪試樣破壞時形狀并稱其質量，并測定土樣含水率。 2、成果整理（1）按下式計算孔隙水壓力系數： 或 或 式中：B各

15、向等壓作用下的孔隙水壓力系數； 試樣在周圍壓力增量下所出現孔隙水壓力增量（kPa）； 周圍壓力的增量（kPa）； 在周圍壓力下所產生的孔隙水壓力（kPa）； 周圍壓力（kPa）； 偏壓應力作用下的孔隙水壓力系數； 大主應力增量（kPa）； 剪損時的孔隙水壓力（kPa）； 剪損時的大主應力增量（kPa）； 試樣在主應力差下所產生的孔隙水壓力增量（kPa）。 （2）按下式修正試樣固結后的高度和面積：式中：、固結前的體積、高度和直徑； 、固結后體積、高度和直徑的改變量； 、固結后平均斷面積和高度。 （3）按下式計算剪切過程中的平均斷面積和應變值：(cm2) 式中：剪切過程中平均斷面積（cm2）； 剪

16、切過程中軸向應變%； 剪切時軸向變形（mm）。 （4）按下式計算主應力差：式中：C測力環校正系數（N/0.01mm）； R測力環百分表讀數差（0.01mm）。 （5）按下式計算破壞時有效主應力： 式中：、破壞時有效主應力和有效小主應力（kPa）； 、大主應力和小主應力（kPa）； 破壞時孔隙水壓力（kPa）； （6）主應力差與軸向應變關系曲線（圖4-2）：以主應力差為縱坐標，軸向應變為橫坐標，繪制關系曲線，取曲線上主應力差的峰值作為破壞點，無峰值時，取15%軸向應變時的主應力差值作為破壞點。（7）有效應力比與軸向應變關系曲線（圖4-3）：以有效應力比為縱坐標，軸向應變為橫坐標，繪制關系曲線。圖

17、42 主應力差與軸向應變關系曲線 圖43 有效應力比與軸向應變關系曲線 （8）孔隙水壓力u與軸向應變關系曲線（圖4-4）：以孔隙水壓力u為縱坐標，軸向應變為橫坐標，繪制關系曲線。（9）固結不排水剪強度包線（圖4-5）：以剪應力為縱坐標，法向應力為橫坐標，在橫坐標軸以破壞時的為圓心，以為半徑，繪制破壞總應力圓，并繪制不同周圍壓力下破壞應力圓的包線，包線的傾角為內摩擦角，包線在縱軸上的截距為粘聚力。對于有效內磨擦角和有效粘聚力，應以為圓心，以為半徑繪制有效破壞應力圓確定。圖44 孔隙壓力與軸向應變關系曲線 圖45 固結不排水剪強度包線 （10）有效應力路徑曲線（圖4-6）：若各應力圓無規律，難以繪制各應力圓強度包線，可按應力路徑取值，即以為縱坐標，以為橫坐標，繪制有效應力路徑曲線并按下式計算有效內磨擦角和有效粘聚力。 有效內摩擦角： 有效粘聚力：式中：應力路徑圖上破壞點連線的傾 角（°）； d應力路徑圖上破壞點連線在縱 軸上的截距（kPa）。 圖46 應力路徑曲線 3、試驗記錄 記錄格式見試驗記錄表。試驗記錄表：三軸試驗記錄表（固結不排水剪）工程名稱 試樣編號 試驗日期 試 驗 者 計 算 者 校 核 者 1、含水率 2、密度試驗前試驗后試驗前試驗后盒號試樣高度(cm)濕土質量(g)試樣體積(cm3)干土質量(g)試樣質量(g)含水率(%)密度