三轴压缩试验

1.试验原理

三轴压缩试验是采用三轴压缩仪测定土抗剪强度的试验方法。三轴压缩仪分应变控制式和应力控制式两种。三轴压缩仪构造简图如图5-21所示,三轴压缩仪由压力室、加载系统(轴向和周围压力施加系统)和量测系统等构成。目前,较先进的三轴压缩仪还配备有自动化控制系统、电测和数据自动采集系统等。三轴压缩仪的主要组成部分是压力室,它是一个圆形密闭容器,由金属上盖、底座和透明有机玻璃圆筒组成;轴向加压系统对试样施加轴向附加压力,并可控制轴向应变的速率;周围压力系统对试样施加周围压力;试样为圆柱形,并用橡皮膜包裹起来,以使试样中的孔隙水与膜外液体(水)完全隔开,试样中的孔隙水可通过土样底部的透水面与孔隙水压力量测系统连通,并由孔隙水压力阀门控制。图5-22所示为三轴压缩仪图片,图5-23所示为三轴压力室示意图。

图5-21　三轴压缩仪构造简图

图5-22　三轴仪

图5-23　三轴压力室示意图

试验时,将土样切成圆柱体套在橡胶膜内,并将其放在密封的压力室中,然后向压力室内压入水,使试样各向受到周围压力σ3,并使液压在整个试验过程中保持不变,这时,试样内各向的三个主应力都相等,因此,不发生剪应力,然后由轴向加压系统通过传力杆对试样施加轴向附加压力Δσ(Δσ＝σ1－σ3,称为偏应力)。试样的轴向应力(大主应力)σ1 (σ1＝Δσ＋σ3)不断增大,其摩尔应力圆也逐渐扩大至极限应力圆,试样最终被剪破。如图5-24(a)、(b)所示。

在给定的周围压力σ3作用下,一个试样的试验只能得到一个极限应力圆。同种土样至少需要3个以上试样在不同的σ3作用下进行试验,方能得到一组极限应力圆,绘出极限应力圆的公切线,即为该土样的抗剪强度包线,通常近似取一直线。该直线与横坐标的夹角即为土的内摩擦角φ,纵坐标的截距即为土的黏聚力c,如图5-24(c)所示。

图5-24　三轴压缩试验原理

2.试验方法

根据三轴压缩试验过程中试样的固结条件与孔隙水压力是否消散的情况,可分为三种试验方法。同一种试样,采用三种不同的试验方法,试验结果所得到的抗剪强度指标c与φ值,一般不相同。

(1)不固结不排水试验(UU试验)。在试样施加周围压力σ3之前,将试样的排水阀关闭,在不固结的情况下施加轴向力进行剪切。在剪切过程中排水阀始终关闭,即不排水。总之,在施加σ3与σ1过程中都不排水,在试样中存在孔隙水压力μ。测定的抗剪强度指标用cu、φu表示。

(2)固结不排水试验(CU试验)。这种试验方法与上述不固结不排水试验的不同之处为:施加周围压力σ3后,打开孔隙水压力阀,测定孔隙水压力μ,然后打开排水阀,使试样中的孔隙水压力消散,直至孔隙水压力消散95%以上。固结完成后,关闭排水阀,测记排水管读数和孔隙水压力读数。固结不排水试验得出的抗剪强度指标用ccu、φcu表示。

(3)固结排水试验(CD试验)。此方法与固结不排水试验的主要区别是:在剪切全过程中,自始至终打开排水阀,剪切速率缓慢,采用每分钟应变为0.003%～0.012%。在施加周围压力σ3或施加轴向剪切压力σ1时,均应充分排水,使孔隙水压力完全消散。所测定的抗剪强度指标用cd、φd表示。

三轴压缩试验的突出优点是能严格控制试样的排水条件,从而可以量测试样中的孔隙水压力,以定量地获得土中有效应力的变化情况。此外,试样中的应力分布比较均匀,破裂面产生于试样最薄弱处。但该仪器较复杂,操作技术要求高,且试样制备比较麻烦,而且试验是在轴对称情况下进行的,即σ2＝σ3,这与土体的实际应力状态有差异。