土力学三轴试验

1、土力学三轴试验土力学三轴试验三轴试验中土的剪切性状分析摘 要：按剪切前的固结状态和剪切时的排水条件分为三种：不固结 不排水剪，固结不排水剪，固结排水抗剪。文中将讨论正常固结饱和黏性 土在剪切时将具有不同的强度特性。关键词：不固结不排水抗剪强度，固结不排水抗剪强度，固结排水抗 剪强度作者简介：Triaxial shear Characters of Middle-earthLI Jia-chun(shanghai University, department of civil engineering, 08124240)Abstract： Consolidation by the state b

2、efore shear and shear when the drainage is divided into three types： non-consolidated undrained shear, consolidation undrained shear, consolidated drained shear. This article will discuss the normally consolidated saturated clay in the shear strength will have different characteristies.Key words: no

3、n-consolidated undrained shear, consolidation undrained shear, consolidated drained shear.0引 言广义黏性土包括粉土，黏性土。黏性土的抗剪强度远比无粘性土复杂。 要准确掌握原状土的强度特性，也就非常困难。对土的强度研究，大多数 用均匀的重塑土。原状土和重塑土之间在结构上和应力历史存在重大差 异，且原状土的取样扰动对其实际强度也有较大影响。按剪切前的固结状 态和剪切时的排水条件分为三种：不固结不排水剪，固结不排水剪，固结 排水抗剪。下面将讨论正常固结饱和黏性土在剪切时将具有不同的强度特 性。固结排水试验（慢

4、剪）：土样在竖向荷载下充分排水固结，然后缓慢（约 40分钟或更长时间）地施加剪应力直至破坏。以上三种试验，可以得到不同的强度参数，实际应用时要根据工程和 土层的具体情况选用试验方法及其强度参数。例如在深厚的高塑性黏土地 基上,建筑物施工速度很快，预计动土层在施工期排水固结程度很小，就应 当采用快剪的参数来分析地基的稳定性;又如施工期很长,预计土层能够 充分排水固结，但竣工后可能有瞬时荷载，在这种情况下可以用固结快剪 的参数。1三轴试验饱和黏性土的抗剪强度试验有总应力法和有效应力法之分;相应的强 度参数有总应力参数和有效应力参数之别。由于直剪试验不能量测土样内 的孔隙水应力，不能从定量上知道土样

5、的排水固结的程度。所以只能根据 控制试验速度来求得不同的强度参数,规定了以下三种不同的试验方法：不固结不排水试验（快剪）：在士样上下面上加一层塑料薄膜防止孔 隙水排出,在竖荷载施加后立即（35分钟）进行剪切直至破坏；固结不排水（固结快剪）：先让土样在竖荷载下充分排水固结（通常 恒压24小时），然后快速地将土样剪坏;1不固结不排水抗剪强度（简称不排水抗剪强度）如前所述，不固结不排水试验是在施加周围压力和轴向压力直至剪切 破坏的整个试验过程中都不允许排水，如果有一组饱和粘性土试件，都先 在某一周围压力下固结至稳定，试件中的初始孔隙水压力为静水压力，然 后分别在不排水条件下施加周围压力和轴向压力至剪

6、切破坏，试验结果如 图1所示，图中三个实线半圆A、B、C分别表示三个试件在不同的?3作用下破坏时的总应力圆，虚线是有效应力圆。试验结果表明，虽然三个 试件的周围压力?3不同，但破坏时的主应力差相等，在?f-?3图上表现出三个总应力圆直径相同，因而破坏包线是一条水平线，即式中 _不排水内摩擦角，度；一一不排水抗剪强度，kPa在试验中如果分别量测试样破坏时的孔隙水压力，试验结果可以用有 效应力整理，结果表明，三个试件只能得到同一个有效应力圆，并且有效 应力圆的直径与三个总应力圆直径相等，即这是由于在不排水条件下，试样在试验过程中含水量不变，体积不变，饱和粘性土的孔隙压力系数=1,改变周围压 力增量

7、只能引起孔隙水压力的变化，并不会改变试样中的有效应力，各试 件在剪切前的有效应力相等，因此抗剪强度不变。如果在较高的剪前固结 压力下进行不固结不排水试验，就会得出较大的不排水抗剪强度O由于一组试件试验的结果，有效应力圆是同一个，因而就不能得到有效应力破坏包线和值，所以这种试验一般只用于测定饱和土的不排水强度。不固结不排水试验的“不固结”是在三轴压力室压力下不再固结，而 保持试样原来的有效应力不变，如果饱和粘性土从未固结过，将是一种泥 浆状土，抗剪强度也必然等于零。一般从天然土层中取出的试样，相当于 在某一压力下已经固结，总具有一定天然强度。天然土层的有效固结压力 是随深度变化的，所以不排水抗剪

8、强度也随深度变化，均质的正常固结不排水强度大致随有效固结压力成线性增大。饱和的超固结粘土的不固结不排水强度包线也是一条水平线，即O2固结不排水抗剪强度饱和粘性土的固结不排水抗剪强度在一定程度上受应力历史的影响， 因此，在研究粘性土的固结不排水强度时，要区别试样是正常固结还是超 固结。将第5章提到的正常固结土层和超固结土层的概念应用到三轴固结 不排水试验中，如果试样所受到的周围固结压力大于它曾受到的最大固结压力,属于正常固结试样；如果,则属于超固结试样。试验结果证明，这两种不同固结状态的试样，其抗剪强度性状是不同的。饱和粘性土固结不排水试验时，试样在作用下充分排水固结，,在不排水条件下施加偏应力

9、剪切时，试样中的孔隙水压力随偏应力的增加而不断变化，,如图2所示，对正常固结试样剪切时体积有减少的趋势（剪缩），但由于不允许排水，故产生正的孔隙水压力，由试验得出孔隙压力系数都大 于零，而超固结试样在剪切时体积有增加的趋势（剪胀），强超固结试样 在剪切过程中，开始产生正的孔隙水压力，以后转为负值。图3表示正常固结饱和粘性土固结不排水试验结果，图中以实线表示的为总应力圆和总应力破坏包线，如果试验时量 测孔隙水压力，试验结果可以用有效应力整理，图中虚线表示有效应力圆 和有效应力破坏包线为剪切破坏时的孔隙水压力，由于故。40。之间，超固结土的破坏包线略弯曲，实用上近似取为一条直线代替，如图5 (b)

10、所示，25kPa,比正常固结土的内摩擦角要小与固结不排水试验得到的约为5试验证明，,即有效应力圆与总应力圆直径相很接近，由于固结排水试验所需的时间太长，故实等，但位置不同，两者之间的距离为,因为正常固结试样在剪切破坏时产生正的孔隙水压力，故有效应力圆在总应力圆的左方。总应力破坏包线和有效应力破坏包线都通过 原点，说明未受任何固结压力的土(如泥浆状土)不会具有抗剪强度。总 应力破坏包线的倾角以表示，一般在10。20。之间，有效应力破坏包线的倾角称为有效内摩擦角，比大一倍左右。3固结排水抗剪强度(简称排水抗剪强度)固结排水试验在整个试验过程中，超孔隙水压力始终为零，总应力最后全部转化为有效应力，所

11、以总应力圆就是有效应力圆，总应力 破坏包线就是有效应力破坏包线。图4 (a)和(b)分别为固结排水试验 的应力-应变关系和体积变化，在剪切过程中，正常固结粘土发生剪缩， 而超固结土则是先剪缩，继而主要呈现剪胀的特性。图5为固结排水试验 结果，正常固结土的破坏包线通过原点，如图5 (a)所示，粘聚力=0,内摩擦角约在20用上以代替,但是两者的试验条件是有差别的，固结不排水试验在剪切过程中试样的体积保持不变，而固 结排水试验在剪切过程中试样的体积一般要发生变化，略大于在直接剪切试验中进行慢剪试验得到的结果常常偏大，根据经验可将 慢剪试验结果乘以0.9O图6表示同一种粘性土分别在三种不同排水条件下的

12、试验结果，由图可见，如果以总应力表示，将得出完全不同的试 验结果，而以有效应力表示，则不论采用那种试验方法，都得到近乎同一 条有效应力破坏包线（如图中虚线所示），由此可见，抗剪强度与有效应 力有唯一的对应关系。4三种结果比较将上述三种三轴压缩试验的结果汇总于图中。由图可见，对于同一种 正常固结的饱和粘土，当采用三种不同的试验方法来测定其抗剪强度时，其强度包线是 不同的。其中UU试验结果是一条水平线，CU和CD试验各是一条通过坐标 原点的直线。三种方法所得到的强度指标间的关系是c u ? c cu ? c d ?0 , ? d?cu?u?0试验结果表明，当用有效应力表示试验结果时，三种剪切试验将得到 基本相同的强度包线及十分接近的有效应力强度指标，这就意味着同一种 土三种试验的试样将沿着同一平面剪破。实测资料表明，？f通常约为60 ,而粘性土的 一般在30左 右，实测的?f角接近于45? ? / 2 , ?这也是有效应力概念下的理论剪破角。正常固结土为应变硬化型，体变多表现为剪缩。5结论由三种三轴试验结果可见，同一种粘土当以总应力表示试验结果时， 由不同试验方式可得到不同的总应力强度指标。当以有效应力表示试验结 果时