三轴剪切试验
三轴剪切试验
下圆盘之间，再用钢丝锯或削土刀紧靠侧板，由上往下细心切削，边切削边转动圆盘，直
到土样被削成规定直径为止。然后按试验要求的试样高度，截取试样，并削平上下两端，
见附图 10.7。 对于较硬的土样，先用削土刀或钢丝锯切取一稍大于规定尺寸的土样，上下两端削平，
3124来自5附图 10.6 饱和器
1.土样筒；2.紧箍；3.夹板； 4 一拉杆；5.透水石
1 3
2
3 附图 10.7 切土盘
1.轴 2.上盘 3.下盘
2 1
附图 10.8 切土器
1.土样 2.切土器 3.支架
附图 10.9 应变控制式三轴剪切仪
l.调压筒；2.周围压力表；3.周围压力阀；4.排水阀；5.体变管；6.排水管；7.变形量表；8.量力环；9.排气孔；10.轴向 加压设备；1l.压力室；12.量管阀；13.零位指示器；14.孔隙压力表；15.量管；16.孔隙压力阀；17.离合器；18.手轮
⑶反压力饱和：试样要求完全饱和时，应对试样施加反压力。反压力系统和周围压力 系统相同(对不固结不排水剪试验可用同一套设备施加)，但应用双层体变管代替排水量管。 试样装好后，调节孔隙水压力等于大气压力，关闭孔隙水压力阀、反压力阀、体变管阀、 测记体变管读数。开周围压力阀，先对试样施加 10~50kPa 的周围压力，开孔隙水压力阀， 待孔隙水压力变化稳定，测记读数，关孔隙水压力阀。反压力应分级施加，同时分级施加 周围压力，以尽量减少对试样的扰动。周围压力和反压力的每级增量宜为 30kPa，开体变 管阀和反压力阀，同时施加周围压力和反压力，缓慢打开孔隙水压力阀，检查孔隙水压力 增量，待孔隙水压力稳定后，测孔隙水压力和体变管读数，再施加下一级周围压力和反压 力。计算每级周围压力引起的孔隙水压力增量，当与之比u/30.98 时，认为试样饱和。
三轴剪切试验的三种方法
三轴剪切试验的三种方法
三轴剪切试验是一种用于测试材料弹性、强度和塑性的试验方法,一般有三种不同的试验方法:
1. 自由落体试验:该试验方法是最简单的试验方法之一,通过在材料上施加重力来测试其弹性和强度。
自由落体试验通常在实验室中使用,可以通过测量落点的高度和位移来估算材料的弹性和强度。
2. 抛射试验:该试验方法是通过在材料上施加弹性波或冲击波
来测试其强度和弹性的试验方法。
这种试验方法通常用于测试材料的弹性和塑性,可以通过测量冲击能量、冲击时间和冲击频率等参数来估算材料的弹性和强度。
3. 压力试验:该试验方法是通过施加压力来测试材料的强度和
其他性能的试验方法。
压力试验通常包括三种不同的类型:拉伸试验、压缩试验和剪切试验。
拉伸试验是指向材料施加弹性力,以测量其长度的伸展。
压缩试验是指向材料施加压力,以测量其体积的压缩。
剪切试验是指向材料施加剪切力,以测量其破坏性质和强度。
这三种试验方法通常有各自的优缺点和适用范围,根据具体的应用场景选择最合适的方法即可。
三轴剪切试验
5
的水从试样底座进入，待上部溢出，水头高差一般在 1m 左右，直至流入水量 和溢出水量相等为止。
(3) 反压力饱和法。试件在不固结不排水条件下，在土样顶部施加反压力， 但同时应在试样周围施加侧压力，反压力应低于侧压力 5kPa，当试样底部孔 隙压力其比值∆u/∆σ3＞0.98 时被认为是饱和的，否则再增加反压力和侧压力使 土体内气泡继续缩小，直至满足∆u/∆σ3＞0.98 的条件。 六、不固结不排水剪（UU）试验
许排水，这样从开始加压直至试样剪坏，土中的含水量始终保持不变，孔隙水压 力也不可能消散，可以测得总应力抗剪强度指标cu，φu。 2、固结不排水剪试验（CU）
试样在施加周围压力时，允许试样充分排水，待固结稳定后，再在不排水的 条件下施加轴向压力，直至试样剪切破坏，同时在受剪过程中测定土体的孔隙水 压力，可以测得总应力抗剪强度指标ccu，φcu和有效应力抗剪强度指标c’，φ’。 3、固结排水剪试验（CD）
(3) 调压阀的灵敏度及稳定性；
(4) 精密压力表的精度和误差；
(5) 稳压系统是否存在漏气现象；
(6) 管路系统的周围压力、孔隙水压力、反压力和体积变化装置以及试样上
下端通道接头处是否存在漏气漏水或阻塞现象
(7) 孔压及体变的管道系统内是否存在封闭气泡，若有封闭气泡可用无气泡
水进行循环排气；
(8) 土样两端放置的透水石是否畅通和浸水饱和；
四、试验前的检查和准备
1、仪器性能检查
图 9~7 承膜筒 模筒
１－三轴仪底座；２－透水石；３－试样； 座；２－透水石；３－制样圆膜；（两片合成）
3
图 9~8 砂样制备 １－仪器底
三轴剪切试验操作规程
三轴剪切试验操作规程1、将仪器放在固定位置上，调平仪器。
2、试验前应在各齿轮处加少量机油润滑，打开电源预热20分。
3、三轴试验根据排水情况分为三种类型：即不固结不排水(UU)试验、固结不排水剪（CD）测孔隙水压力(CU)试验和固结排水剪(CD)试验已适用不同工程条件而进行强度指标测定。
4、三轴试验必须制备3个以上性质相同的式样，在不同周围压力下进行试验。
周围压力宜根据工程实际试验要求确定。
5、应变控制式三轴仪由压力式、轴向加压设备、周围压力系统、反压力系统、孔隙水压力系统、轴向变形和体积变化测量系统组成。
6、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7、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，将橡皮膜筒套在试样外，并用橡皮圈将橡皮腊两端与此同时底座及试样帽分别扎紧。
8、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。
9、按电控柜面板的围压设定，设置试验需要的围压值，将离合器调到空位，转动空挡手轮，当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。
10、输入工程编号、土样编号、试验方法，剪切速率。
11、关排水阀，开周围压力阀，施加周围压力，开始剪切。
12、试验结束后，关电动机，关周围压力阀，脱开离合器将离合器调至于粗位，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。
关掉电源，擦洗仪器。
山西春晖工程质量检测有限责任公司。
三轴试验
剪切试样按下列步骤进行： （1）将轴向测力计、轴向变形百分表及孔隙 水压力读数均调整至零民。 （2）选择剪切应变速率，进行剪切。粘质土 每分钟应变为0.05%～0.1%；粉质土每分钟应变 0.1%～0.5%。 （3）测记轴向压力、孔隙水压力和轴向变形。 （4）试验结束，关电动机和各阀门，开排气 阀，排除压力室内的水，拆除试样，描述试样破 坏形状。称试样质量并测定含水量。
破坏后的试样
1.不固结不排水试验
（1）剪切应变速率宜为每分钟应变0.5%～ 1.0％。 （2）启动电动机，开始剪切。试样每产生 0.3%～0.4％的轴向应变，测记一次测力计读数和 轴向变形值。当轴向应变大于3％，每隔0.7%～ 0.8％的应变值测记一次读数。 （3）当测力计读数出现峰值时，剪切应继续 进行，超过5%的轴向应变为止。当测力计读数无 峰值时，剪切进行到轴向应变为15%～20%。 （4）试验结束，关电动机，关周围压力阀， 开排气阀，排除压力室内的水，拆除试样，描述 试样破坏形状。称试样质量，并测定含水量。
4.3.2 三轴压缩试验
横梁
试样应力特点
与试验方法
百分表
量力环
量 水 管
试 样
强度包线 试验类型 优缺点
孔压 量测
围压 力 3 阀门
马达
阀门
二、试验方法：
三轴剪切试验可分为不固结不排水试验（UU）、固结 不排水试验（CU）以及固结排水剪 试验（CD）。 1、不固结不排水试验：试件在周围压力和轴向压力下直 至破坏的全过程中均不允许排水， 土样从开始加载至试 样剪坏，土中的含水率始终保持不变，可测得总抗剪强度 指标c 和φ ； 2、固结不排水试验：试样先在周围压力下让土体排水固 结，待固结稳定后，再在不排水 条件下施加轴向压力直 至破坏，可同时测定总抗剪强度指标 和 或有效抗剪强度 指标 和及孔隙水压力系数； 3、固结排水剪试验：试样先在周围压力下排水固结，然 后允许在充分排水的条件下增加 轴向压力直至破坏，可 测得总抗剪强度指标和 。
三轴剪切试验总结
tg c ϕστ⨯+=
τ=f 三轴剪切试验总结
.试验围压3σ，保持不变，
此时试件各向主应力相等， 试件不产生任何剪应力，
不发生破坏。
通过轴向加荷系统施加压力，当轴向压力增大，试件受剪破坏，设剪切破坏时，轴向加荷系统加在试件上的竖向应力（偏应力）为1σ∆，则试件破坏时的最大主应力
131σσσ∆+=311σσσ-=∆，当1σ大于轴向压力时候，试件未发生破坏，当1σ小
于轴向压力时候，试件未发生破坏
不固结不排水UU ：饱和粘性土快速加荷，孔隙水压力保持不变u u c ϕ,
固结排水CU ：施加围压3σ，允许试件充分排水，试件固结稳定后，关闭排水阀，施加
排水试验时，强度包线为斜线 时，强度包线同砂土，为通过原点的线
对于砂土，粘聚力为0，三轴剪切的应力圆的强度包线通过原点
3131sin σσσσϕ+-=
，有效内摩擦角u
2sin 3131-+-=σσσσϕι
对于超固结饱和粘土的不固结不排水，当固结不排水的cu cu C ,,3ϕσ已知时，不固结不排水的抗剪强度ο
σσ2
31-=
u
c ，
()cu
cu
u cu c ϕϕϕσσsin 1cos 2sin 131-⨯++⨯=
当固结不排水的cu ϕσσ,,31已知时，()()
cu
cu cu cu c ϕϕσϕσcos 2sin 1sin 131⨯+⨯--⨯=
正常固结饱和粘土三种试验强度包线比较 超固结饱和粘土强度包线比较
=。
【大学实验】土的三轴剪切试验PPT
• 1．选取一定数量的代表性土样，（对直径 3.91厘米试样约取二公厅），经风干碾碎过 筛，测出风干含水量，按要求含水量算出 所需加水量。
ppt课件
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• 2．将需加的水量喷洒到土料上，稍
静置后装入塑料袋，然后置于密闭容 器内、至少20小时，使含水量均匀。 取出土料复测其含水量，若所测含水 量与要求含水量差值在1％以内，则可 以进行击实土样，否则需调整含水量 至符合要求为止。
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• 三、试样安装
• ⑴ 打开孔隙压力阀，使仪器底座充水， 将煮沸过的透水石滑入仪器底座上，放上 一张滤纸，关闭孔隙压力阀。
• ⑵ 活动三瓣膜后将试样取出，上面放好滤 纸和透水石，放到仪器底座上。
• ⑶ 把乳胶膜放在承膜筒内，二头翻在承膜 筒上通过吸吸气孔加真空负压。使乳胶膜 紧贴在承膜筒内壁上，然后套入试样外面。 放气，翻下乳胶膜二头取下承膜筒。
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• ⑷ 把试样下端的乳胶膜与仪器底座用乳胶 带扎紧。然后放上对开膜（保护试样）和 上帽，同样将上帽和乳胶膜扎紧。取走对 开膜。
• ⑸ 装上压力室（注意不要碰试样），并从 注水孔向压力室注满水扭好注水孔的封闭 螺丝。
• ⑹ 关闭排水阀，记下排水量管及孔压表读 数。
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四、试样排水固结：
⑴ 施加σ3固结周压力（ 100、200、 300KPa），并读排水量管读数，（注
意管中不得有气泡）。
⑵ 慢慢打开孔压阀，量测孔隙压力，
计算孔压系数。
⑶ 慢慢打开排水阀，使试样中的水通
过顶帽流入量水管（试样开始固结），
使孔隙压力慢慢消pp散t课件。
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⑷ 不断观察量水管读数，同时注意保持量水管水 面应置于试样中心高度处。
土工试验-三轴剪切试验指导书
三轴剪切试验第一节 概述三轴剪切试验被认为是测定土的抗剪强度的一种较完善的方法。
与直剪试验相比，三轴剪节试验有以下优点：1、能控制试验过程中试样的排水条件；2、能量测试样固结和排水过程中的孔隙水应力；3、试样内应力分布均匀。
三轴剪切试验能得到不同条件下土的抗剪强度指标和变形参数。
根据试验过程中排水条件的不同，将三轴试验分为不固结不排水剪（UU ）、固结不排水剪（CU ）和固结排水剪（CD ）等三种类型。
第二节 试验原理和计算公式三轴剪切试试样为圆柱状如图11-1。
试验过程中测量以下参数：1、周围压力，2、竖向应力增量q,3、竖向变形量或竖向应变ε1，4、试样底部的孔隙水应力u,5、试样顶部接排水管量测试样排水量，6、反压力。
不同类型的三轴剪切试验加载过程如下：一、不固结不排水剪（UU ）一组试验通常需四个试样，试验加载顺序如下：1、在每个试样的周围施加相同的初始固结应力，待其固结完成后，量测试样轴向变形量和体积变化；2、对各个试样分别施加不同的围压增量作用，在作用期间不允许试样固结排水，量测由产生的孔隙应力u=1u ∆；3、施加竖向偏应q(q 自零开始增加，至试样破坏时达到最大值qmax)。
施加q 的过程中也不允许试样排水。
在加q 的过程中，量测q 的数值、由q 产生的轴向应变和孔隙水应力u=21u u ∆+∆（2u ∆为由q 产生的孔隙水应力）。
值得注意的是，《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）及其它土工试验标准中规定，对于原状土UU 试验步骤为：施加围压在不排水条件下，量测由产生的孔隙水应力u ，即试样的303σσσ∆+=一次施加，且在作用下不排水，然后施加竖向偏应力q 至试样破坏为止，在加q 的过程中量测q 、轴向应变和孔隙水应力u 。
UU 试验在剪切过程中试样的应力状态为：总应力303301σσσσσσ∆+=+∆+=q （11-1）有效压力：31333/u u u ∆-∆-=-=σσσ （11-2）由UU 试验量测得到孔隙应力系数：⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆∆-+==∆-=∆=∆∆=---131231)1(σσσA A B B B A A q u u q u A u B （11-3）上列各式中：;,,,;.,;,,,2132133131u u u q u u q u ∆+∆=∆----∆∆+∆----∆∆---剪量过程中孔隙水应力产生的孔隙水应力增量分别为主应力增量分别为大主应力增量小小主应力和孔隙水应力分别为大主应力σσσσσσA ，.,,数分别为四个孔隙应力系-----B B A二、固结不排水剪（CU ）先给四个试样施加不同的围压，让试样在作用下固结排水（该步骤为将施加初始固结应力和围压增量两步合并），在作用下试样固结完成后，施加轴向偏听偏应力q。
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4土的抗剪强度和地基承载力
(3) 固结快剪。施加垂直压力后，允许试样充分排水固结， 待试样固结稳定后，再快速施加水平剪应力，使试样快速剪切而 破坏，可认为在剪切过程中来不及排水固结。
4.1.2.2土的抗剪强度测定方法 土的抗剪强度测定方法有多 种，室内有直接剪切试验、三轴剪切试验、无侧限抗压试验、现 场原位十字板剪切试验。
4土的抗剪强度和地基承载力
图4.2应变控制式直剪仪示意图
4土的抗剪强度和地基承载力
直剪试验设备简单，操作方便，易于掌握，因而在工程中普 遍采用。但它的缺点也不少，主要有：
（1） 剪切面限定在上、下盒之间的平面，而不是沿土样最薄 弱的面剪坏；
（2） 剪切过程中剪应变分布不均匀，应力状态复杂，但仍按 均匀分布计算；
4土的抗剪强度和地基承载力
图4.3三轴压缩仪
4土的抗剪强度和地基承载力
三轴剪切试验时土样的受力状态如图4.4所示。 三轴剪切试验突出优点是： （1） 能严格控制排水条件，准确测定试样在剪切过程中孔隙 水压力变化情况，从而可定量获得土中有效应力的变化情况。 （2） 土样的破坏面是在最弱的面上，试样中的应力条件明确。 （3） 除测定抗压强度指标外，还可测孔隙水压力系数、侧压 力系数等土工参数。三轴剪切试验的缺点是试件中的主应力σ2=σ3， 而实际上土体的受力状态未必都属于这类轴对称情况。
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4土的抗剪强度和地基承载力
土的抗剪强度用直接剪切试验是最早的试验方法，国 内外应用很广泛。直接剪切试验的主要仪器为直剪仪，直 剪仪分为应力控制式和应变控制式两种。两种仪器的区别 在于施加水平剪切的荷载方式不同，后者优于前者。下面 介绍应变控制式直剪仪的试验方法。
应变控制式直剪仪的构造如图4.2所示。
图4.6饱和土不排水剪切试验
4土的抗剪强度和地基承载力
无侧限压缩试验时只需对一个试样加压破坏就能求得 强度包线，如图4.7所示。
图4.7无侧限压缩试验
4土的抗剪强度和地基承载力
无侧限抗压强度试验还可用来测定土的灵敏度。其方法是 先将同一种土的原状土和重塑土分别进行无侧限抗压强度试验， 所得原状土与重塑土的强度比值为灵敏度St，即
绪论 1 土的物理性质及工程分类 2土中应力计算 3地基的变形 4土的抗剪强度和地基承载力 5天然地基上浅基础设计
6边坡稳定及挡土墙 7箱型基础 8桩基础 9地基处理 10特殊土地基 11土工试验
4土的抗剪强度和地基承载力
【职业能力目标】通过课堂学习和试验技能训练，学生依据建 筑物的实际情况和所在场地的地质条件能准确地选择土的抗剪强 度指标和确定地基承载力，使学生具有一定的土工试验动手能力。
4土的抗剪强度和地基承载力
4.1.2库仑定律 4.1.2.1库仑定律
4土的抗剪强度和地基承载力
式（4.1）与式（4.2）一起统称为库仑定律，可分别用图4.1 （a）、（b）表示。
图4.1抗剪强度与法向应力之间的关系
4土的抗剪强度和地基承载力
依据排水条件不同可分为： (1) 慢剪。施加垂直压应力后，允许试样充分排水固结，待 固结稳定后，再以缓慢的剪切速率施加水平剪应力，使试样在 剪切过程中有充分时间排水，直至剪切破坏。 (2) 快剪。施加垂直压应力后，不待试样固结，立即快速施 加水平应力，使试样快速剪切而破坏。由于剪切速率快，可认 为试样在短暂的剪切过程中来不及排水固结。
【学习目标】理解抗剪强度的概念及土的极限平衡条件；掌 握库仑定律、抗剪强度试验方法及土的应力状态；了解地基变形 三阶段及临塑荷载、临界荷载和极限荷载的概念及计算；掌握地 基承载力特征值的确定与修正计算；了解地基勘察内容。
4土的抗剪强度和地基承载力
4.1土的抗剪强度 土的抗剪强度是土的重要力学性质之一。在土木工程建设工 作中，对于土体稳定性的计算而言，抗剪强度是其中最重要的计 算参数。能否正确测定土的抗剪强度，往往是设计质量和工程成 败的关键所在。 4.1.1土的抗剪强度的基本概念 土的抗剪强度是指土体抵抗 剪切破坏的极限能力。当土体受到荷载作用后，土体的破坏通常 表现为它的一部分相对于另一部分的滑动。
4土的抗剪强度和地基承载力
4 十字板剪切试验当地基为软黏土时，取原状土困难。为避 免在取土、运送与制备土样过程中受扰动而影响室内土工试验 结果的可靠性，可采用抗剪强度的原位测试方法，即十字板剪 切试验。该试验所用仪器是十字板剪切仪，其板头由两片正交 的金属板及垂直的轴杆组成，如图4.8所示。
4土的抗剪强度和地基承载力
4土的抗剪强度和地基承载力
（3） 剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，且垂直荷载发生偏 心，但在计算强度时仍按面积不变和剪应力均匀分布计算；
4土ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ抗剪强度和地基承载力
（4） 试验不能严格控制排水条件和测量孔隙水压力值，快 剪仍有排水，这对试验结果有很大影响。
2三轴剪切试验 三轴剪切试验是一种较完善的测定土抗 剪强度的实验方法，与直接剪切试验相比，三轴剪切试验试样 中的应力比较明确和均匀。试验所用三轴压缩仪同样分为应力 控制式和应变控制式两种。下面介绍应变控制式三轴压缩仪的 试验方法，其构造如图4.3所示。由压力室、周围压力系统、轴 向加压系统、孔隙水压力系统、反压力系统和主机等组成。
4土的抗剪强度和地基承载力
三轴压缩仪比较复杂，价格也较贵，操作技术要求高，故目前国内 应用还不普遍。《规范》规定，对于一级建筑物应采用三轴压缩试 验，测定地基土的φ、c值。
图4.4三轴试验时土样受力状态
图4.5三轴试验结果
4土的抗剪强度和地基承载力
3无侧限抗压强度试验 无侧限抗压强度试验如同三轴剪切 试验中σ3=0时的特殊情况。饱和黏性土样在三轴仪上进行试验时， 不排水剪切试验的破坏包线接近于一条水平线，如图4.6所示。
图4.8 十字板示意图
4土的抗剪强度和地基承载力
计算时假定： （1） 剪破面为一圆柱面，圆柱的高度和直径就等于十字 板的高度和宽度，如图4.8中虚线所示； （2） 圆柱侧面和上下端的抗剪强度相等。于是，就可根 据作用力矩应等于圆柱侧面和上、下端面上的抵抗力矩之和 计算其抗剪强度，即
4土的抗剪强度和地基承载力