三轴试验
三轴压缩试验原理
三轴压缩试验原理什么是三轴压缩试验？三轴压缩试验是一种广泛用于土力学和岩石力学领域的实验方法，用于研究材料在压力作用下的物理和力学特性。
这种试验可以模拟土壤、岩石等材料在地下深处承受地压的情况。
在三轴压缩试验中，样品在垂直荷载（轴向）和水平荷载（径向）的作用下进行。
三轴压缩试验的装置三轴压缩试验的主要装置包括试样室、应力应变控制器、荷载施加系统和数据采集系统。
试样室试样室是一个密封的容器，用于容纳试样。
它通常由钢制或钢铝复合材料制成，并配有绝缘材料以防止能量散失。
试样室内应具有足够的刚度和密封性，以确保试验结果的准确性。
应力应变控制器应力应变控制器用于控制试样受到的载荷。
它通常由液压系统组成，包括液压油源、传感器和控制器。
应力应变控制器通过施加压力来产生试样的轴向和径向应力，并通过测量压力和变形来控制试样的应变状态。
荷载施加系统荷载施加系统用于施加试样的轴向和径向荷载。
它通常由液压活塞和液压缸组成，液压活塞用于施加轴向荷载，而液压缸用于施加径向荷载。
荷载施加系统还包括各种传感器和仪器，用于测量施加的载荷大小。
数据采集系统数据采集系统用于记录试验过程中的各种数据。
它可以包括压力传感器、变形传感器、温度传感器等。
通过数据采集系统，可以实时监测试验过程中的应力、应变、位移和温度变化，从而获取准确的试验结果。
三轴压缩试验的原理三轴压缩试验是基于以下原理进行的：1.应力平衡原理：在试样受到轴向和径向荷载的同时，试样内部各点的应力应满足平衡条件。
轴向应力和径向应力之间存在一定的关系。
2.孔隙水压力原理：在试样内部存在孔隙水。
孔隙水的存在会影响试样的应力分布和强度特性。
通过控制孔隙水压力，可以模拟实际情况下试样的应力状态。
3.应力应变关系：应力应变关系描述了试样在不同应力作用下的变形特性。
通过测量应力和变形，可以得到试样的应力应变曲线，从而了解材料的力学性质。
三轴压缩试验流程三轴压缩试验通常包括以下步骤：1.准备试样：选择合适的材料制备试样。
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。
三轴试验
三轴试验一、基本原理三轴压缩实验是根据摩尔-库伦强度理论，用3～4个试样，分别在不同的恒定周围压力（即小主应力σ3）下施加轴向压力（即主应力差），进行剪切直至破坏，从而确定土的抗剪强度参数。
根据排水条件的不同，三轴试验分为以下三种试验类型：即不固结不排水试验（UU），固结不排水试验（CU），和固结排水试验（CD），试验方法的选择应根据工程情况，土的性质，建筑物施工和运行条件及所采用的分析方法而定。
（1）不固结不排水剪试验（UU）:是在整个实验过程中,从加周围压力和增加轴向压力直到剪坏为止,均不允许试样排水对保和试样可测得总抗剪强度参数CU、ФU或有效抗剪强度参数C′、Ф′和孔隙水压力参数。
（2）固结不排水剪试验（CU）:试验是先使试样在某一周围压力下固结排水，然后保持在不排水的情况下，增加轴向压力直到剪坏为止，可以测得总抗剪强度指标CCu、ФCu或有效抗剪强度参数C′、Ф′和孔隙水压力参数。
（3）固结排水剪试验（CD）:是在整个试验过程中允许试样充分排水，即在某一周围压力下排水固结，然后在充分排水的情况下增加轴向压力直到剪坏为止，可以测定有效抗剪强度指标2Cd、Фd。
二、固结不排水试验（一）仪器设备1、应变控制式三轴压缩仪由周围压力系统，反压力系统，孔隙水压力量测系统和主机组成。
2、附属设备包括击实器、饱和器、切土器、分样器、切土盘、承膜筒和对开圆筒，：3、百分表量程3cm或1cm，分度值〉0.01mm。
4、天平程量200g，感量0.01g；程量1000g，感量0. 1g。
5、橡皮膜应具有弹性，厚度应小于橡皮膜直径的1/100，不得有漏气空。
（二）操作步骤1、仪器检查⑴周围压力的测量精度为全量程的1%，测读分值为5kPa。
⑵孔隙水压力系统内的气泡应完全排除。
系统内的气泡可用纯水或施加压力使气泡溶于水，并从试样底座溢出，测量系统的体积因数应小于1.5×10-5cm3/ kPa。
⑶管路应畅通，活塞应能滑动，各连接处应无漏气。
三轴压缩试验原理
三轴压缩试验原理一、引言三轴压缩试验是土工试验中最常见的一种试验方法，它是用来研究岩石和土壤在三轴状态下的力学性质。
该试验方法可以测定材料的强度、变形和应力-应变关系等重要参数，是岩土工程设计和施工中不可或缺的一项基础性试验。
二、试验设备及样品准备1. 仪器设备：三轴压缩试验机、荷重传感器、变形计等。
2. 样品准备：样品应具有代表性，通常采用直径为5cm，高度为10cm左右的圆柱形样品。
在制备过程中需要注意保证样品密实度和湿度，避免空隙和水分对试验结果的影响。
三、试验原理1. 应力状态：三轴压缩试验是将圆柱形样品置于两个平行平板之间，在垂直于样品轴线方向施加垂直荷载，并在两个侧面施加水平荷载，使得样品受到均匀的三向应力作用。
这种应力状态被称为三向压缩或三向受压状态。
2. 应变状态：在三轴压缩试验中，样品会发生不同形式的变形。
主要包括径向收缩和轴向延伸两种形式。
径向收缩是指样品直径在垂直荷载作用下的减小，轴向延伸则是指样品高度在水平荷载作用下的增加。
3. 应力-应变关系：三轴压缩试验可以得到材料在三向压缩状态下的应力-应变关系曲线。
该曲线可以反映出材料的强度和变形特性，并且可以用于岩土工程设计中的计算和分析。
四、试验步骤1. 样品制备：按照标准规范制备圆柱形样品。
2. 试验前处理：将样品放入恒温室中保持一定湿度，避免干燥或过湿对试验结果的影响。
3. 试验装置：将样品放置于三轴压缩试验机中，并连接荷重传感器和变形计等设备。
4. 荷载施加：根据试验要求，施加垂直荷载和水平荷载，使得样品受到均匀的三向应力作用。
5. 数据采集：记录荷重传感器和变形计等设备的数据，得到材料在三向压缩状态下的应力-应变关系曲线。
6. 数据处理：根据试验结果进行数据处理和分析，得出样品的强度、变形和应力-应变关系等参数。
五、试验误差及注意事项1. 样品制备过程中需要注意保证样品密实度和湿度，避免空隙和水分对试验结果的影响。
2. 试验装置需要严格按照标准规范进行校准和调整，避免设备误差对试验结果的影响。
试验六三轴试验
实验六：三轴试验一、基本原理三轴剪切试验是用来测定试件在某一固定周围压力下的抗剪强度，然后根据三个以上试件，在不同周围压力下测得的抗剪强度，利用莫尔-库仑破坏准则确定土的抗剪强度参数。
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U C 和U 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CU C 和CU φ或有效抗剪强度指标C ′和φ′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d C 和d φ。
二、试验目的1、了解三轴剪切试验的基本原理；2、掌握三轴剪切试验的基本操作方法；3、了解三轴剪切试验不同排水条件的控制方法和孔隙压力的测量原理；4、进一步巩固抗剪强度的基本理论。
三、试验设备1、三轴剪力仪（分为应力控制式和应变控制式两种）。
（1）三轴压力室：压力室是三轴仪的主要组成部分，它是由一个金属上盖、底座以及透明有机玻璃圆筒组成的密闭容器，压力室底座通常有3个小孔分别与围压系统以及体积变形和孔隙水压力量测系统相连。
（2）轴向加荷传动系统：采用电动机带动多级变速的齿轮箱，或者采用可控硅无级调速，根据土样性质及试验方法确定加荷速率，通过传动系统使土样压力室自下而上的移动，使试件承受轴向压力。
（3）轴向压力测量系统：通常的试验中，轴向压力由测力计（测力环或称应变圈等等）来反映土体的轴向荷重，测力计为线性和重复性较好的金属弹性体组成，测力计的受压变形由百分表测读。
轴向压力系统也可由荷重传感器来代替。
（4）周围压力稳压系统：采用调压阀控制，调压阀当控制到某一固定压力后，它将压力室的压力进行自动补偿而达到周围压力的稳定。
三轴试验
试验条件与现场条件 的对应关系
固结排水试验
2 1
固结不排水试验
层固结后， 在1层固结后，快速施工 层 层固结后 快速施工2层
不固结不排水试验 粘土地基上的分层慢 速填方 软土地基上的快速填方
常规三轴试验优缺点
单元体试验， 单元体试验，试样内应力和应变相对均匀 应力状态和应力路径明确 排水条件清楚， 排水条件清楚，可控制 破坏面不是人为固定的 设备操作复杂 现场无法试验 常规三轴试验不能反映σ 常规三轴试验不能反映σ2的影响
4.3.2
横梁
力
百分表
量力环
量 水 管
试 样
量
力σ
二、试验方法： 试验方法：
三轴剪切试验可分为不固结不排水试验（UU）、固结 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） 不排水试验（CU）以及固结排水剪 试验（CD）。 试验（CD）。 不固结不排水试验： 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， 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， 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 指标c 和φ ； 固结不排水试验： 2、固结不排水试验：试样先在周围压力下让土体排水固 待固结稳定后， 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， 至破坏，可同时测定总抗剪强度指标 和 或有效抗剪强度 和及孔隙水压力系数； 指标 和及孔隙水压力系数； 固结排水剪试验：试样先在周围压力下排水固结， 3、固结排水剪试验：试样先在周围压力下排水固结，然 轴向压力直至破坏， 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
三轴剪切试验
试验目的：
三轴剪切试验是测定土体抗剪强度的
一种方法，通常用3～4个圆柱形试样，分别在不同的恒定围压力下（即小主应力σ3）施加轴向压力（即主应力差σ1－σ3）进行剪切直至破坏，然后根据摩尔—库仑理论，求得土的抗剪强度参数c、φ值。
同时，试验过程中若测得了孔隙水压力还可以得到土体的有效抗剪强度指标c′、φ′和孔隙水压力系数等。
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
指标和；
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。
试验指导书：三轴剪切试验的目的、方法、试验指导书与试验记录表
试验仪器图片：。
三轴蠕变试验
三轴蠕变试验
三轴蠕变试验是一种用来研究材料在静态载荷作用下发生蠕变变形的一种试验方法。
其主要原理是将试样加在三个垂直方向上施加不同的轴向载荷，并加以恒压载荷作用，通过测量试样在不同应力下的变形，来研究材料的蠕变性能。
三轴蠕变试验的主要设备是三轴蠕变仪，它由三个垂直方向上的油缸和一个位移测量系统组成。
试样放置在试验仪中央的压力室中，通过对油缸施加不同的轴向力，并加以固定的背压力，可以实现在不同应力水平下进行蠕变试验。
在试验过程中，首先给试样施加一个初始应力，然后保持该应力一段时间，使试样达到稳定状态。
随后，施加更高的应力，并同样保持一段时间。
通过测量试样的位移，可以得到材料在不同应力下的蠕变变形曲线，并据此进行蠕变性能的研究。
三轴蠕变试验可以广泛应用于土木工程、岩土工程等领域，用于研究土壤、岩石等材料在长期静态荷载作用下的变形特性，为工程设计和建设提供重要参考。
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不固结不排水试验（UU试验） cu 、u 1 关闭排水阀门，围压下不固结；
2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水
试验类型汇总
固结排水试验（CD试验）
Consolidated Drained Triaxial test 抗剪强度指标： cd d （c ） (CD)
P
孔 压 U
时间T
2.液化机理
（1）初始的疏松状态 （2）振动以后处于悬浮状态 —孔压升高（液化） （3）振后处于密实状态
摩擦强度-正比于压力 c：
粘聚强度-与所受压力无关
二、土的强度的机理
1.摩擦强度 tg
（1）滑动摩擦 （2）咬合摩擦引起的剪胀 （3）颗粒的破碎与重排列
N T
N
T= N
T
颗粒破碎与重排列 滑动摩擦 咬合摩擦引起的剪胀
影响土的摩擦强度的主要因素：
密度（e,
粒径级配（Cu, Cc） 颗粒的矿物成分：对于：砂土>粘性土； 高岭石>伊里石>蒙特石 粒径的形状（颗粒的棱角与长宽比）
c O
通过控制剪切速率来 近似模拟排水条件
1. 固结慢剪： 施加正应力-充分固结慢慢施加剪应力-小 于0.02mm/分，以保证无超静孔压 2. 固结快剪 施加正应力-充分固结在3-5 分钟内剪切破坏 3. 快剪 施加正应力后立即剪切3-5 分钟内剪切破坏
优点
设备简单，操作方便
结果便于整理
f tan
σ τ
粘性土：
f tan c
c:土的粘聚力 :土的内摩擦角
莫尔—库仑强度理论
（1）在一定的应力范围内，可以用线性 函数近似f = c +tg （2）某土单元的任一个平面上 = f ， 该单元就达到了极限平衡应力状态
2、土中一点的应力状态
1 3 1 3 3
1 3 2
c O
f c tan
3
1f
c ctg
1 3 2
5. 破坏判断方法
判别对象：土体微小单元（一点）
3= 常数：
1,3 x z
2 x z 2 4 xz 2
2
1 f 3tg 2 45 2c tg 45 2 2
不同状态时的摩尔圆
4. 极限平衡应力状态
极限平衡应力状态： 有一面上的应力状态达到 = f 土的强度包线：
所有达到极限平衡状态的莫尔园的公切线。
f
f
强度包线以内：任何一个面 上的一对应力与 都没有达 到破坏包线，不破坏；
与破坏包线相切：有一个面
上的应力达到破坏；
与破坏包线相交：有一些平 面上的应力超过强度；不可 能发生。
三、工程中土体的破坏类型
1.挡土结构物的破坏
滑裂面
挡土墙
基坑支护
2.各种类型的滑坡
崩塌
平移滑动
旋转滑动
流滑
3.地基的破坏
p
地基
☆土压力
☆边坡稳定 ☆地基承载力
★挡土结构物破坏 ★各种类型的滑坡
★地基的破坏
§6.2 土的抗剪强度理论
本节主要内容：
一、直剪试验和库仑公式 二、土的强度机理 三、摩尔-库仑强度理论
本节主要内容：
一. 总应力指标与有效应力指标 二. 三轴试验强度指标 三. 土的强度指标的工程应用
一、总应力指标与有效应力指标
1.两种强度指标的比较
2.有效应力、总应力强度包线
1. 两种强度指标的比较
强度指标 土的抗剪强度的 有效应力指标c, 抗剪强度 = c + tg = -u 土的抗剪强度的 总应力指标c, = c + tg
D 2 H
2
M1
f
M max D 2 D ( H) 2 3
M2
H
D
无侧限抗压强度试验
§6.4 饱和粘性土的抗剪强度
强度指标：
粘聚力 c 内摩擦角
强度指标的分类：
按照分析方法，可分为总应力强度指标与 有效应力强度指标； 按照试验方法，可分为直剪强度指标与三 轴试验强度指标；
按照应力应变状态，可分为峰值强度指标 与残余强度指标。
固结不排水试验（CU试验）
Consolidated Undrained Triaxial test 抗剪强度指标：ccu cu (CU)
不固结不排水试验（UU试验）
Unconsolidated Undrained Triaxial test 抗剪强度指标： cu u （ cuu uu ） (UU)
根据应力状态计算出大小主应力σ1、 σ3，由σ3计算σ1f，比较σ1与σ1f
σ1<σ1f 弹性平衡状态
σ1=σ1f 极限平衡状态
σ1>σ1f 破坏状态
O
c
3
1 1f 1
1= 常数：
1,3 x z
2 x z 2
2 2 4 xz
插入十字形的探头；
通过施加的扭矩计算
土的抗剪强度
M max M1 M 2
M 1 2 fh 2r rdr
0
D/2
D 3
6
fh
D M 2 DH fv 2
fh fv 时
M max M 1 M 2
f
D 3
6
f
(1 + 3)/2 = 常数：圆心保持不变
1,3 x z
2 x z 2 4 xz 2
2
1 3 sin 1 3 2c ctg
根据应力状态计算出大小主应力σ1σ3，由 σ1、σ3计算，与比较
3. 极限平衡应力状态 4. 摩尔-库仑强度理论 5. 破坏判断方法 6. 滑裂面的位置
1.库仑公式
f c tan
f ：
土的抗剪强度
c 粘聚力 内摩擦角
tg：
摩擦强度-正比于压力
c： 粘聚强度-与所受压力无关
抗剪强度曲线
τ
τ
υ
υ c σ σ
无粘性土
粘性土
库仑（Coulomb）公式 砂土：
测试时间短
缺点
试样应力状态复杂
应变不均匀
不能控制排水条件 剪切面固定
土的剪切试验方法
直接剪切试验
抗剪强度曲线
2. 三轴试验
（1）试样应力特点与试验方法
（2）强度包线
（3）试验类型 （4）优缺点
有机玻璃罩
试 样
轴向加压杆 顶帽 压力室
透水石 排水管
阀门
橡皮膜 压力水
三轴剪切试验
首先试样施加静水压力—室压（围压） 1=2=3 ；
然后通过活塞杆施加的是应力差
Δ1= 1-3 。
（2）强度包线
1- 3
分别作围压为100 kPa 、 200 kPa 、300 kPa的三轴 试验，得到破坏时相应的 （1-)f
强度包线
1 =15%
1
c
绘制三个破坏状态的应力摩 尔圆，画出它们的公切线— —强度包线，得到强度指标 c 与
第六章
土的抗剪强度
本章主要内容：
§6.1 概述
§6.2
§6.3
土的抗剪强度理论
土的抗剪强度测定试验
§6.4
§6.5
饱和粘性土的抗剪强度
无粘性土的抗剪强度
§6.1 概述
土工结构物或地基
渗透问题 变形问题 强度问题
渗透特性 变形特性 强度特性
土
一、土的抗剪强度 二、土的强度特点：
1.碎散性：强度不是颗粒矿物本身的强度，而 是颗粒间相互作用——主要是抗剪强度与 剪切破坏，颗粒间粘聚力与摩擦力； 2.三相体系：三相承受与传递荷载——有效应 力原理； 3.自然变异性：土的强度的结构性与复杂性。
符合土的破坏机理， 便于应用,但u不能产 简单评价 但有时孔隙水压力u 生抗剪强度，不符合 无法确定 强度机理
二、饱和粘性土的抗剪强度
1、不固结不排水抗剪强度 2、固结不排水抗剪强度
3、固结排水抗剪强度
三、土的强度指标的工程应用
有效应力指标与总应力指标
凡是可以确定（测量、计算）孔隙水压力 u的情况，都应当使用有效应力指标c，
> 安全状态
= 极限平衡状态
c O
< 不可能状态
6. 滑裂面的位置
1f
45°＋/2
与大主应力面夹角： α=45 + /2
3
f c tan
2
图中虚线所指 位置为滑裂面
2 90
1f
c O
3
2
§6.3 抗剪强度测定试验
莫尔-库仑强度理论表达式－极限平衡条件
1 3
sin 2 c ctg
1 ctg
1 f 3 f
3tg 45 2c tg 45 2 2 2 1tg 45 2c tg 45 2 2
(1-)f
(1-)f
（3）试验类型
固结排水试验（CD试验） cd 、d 1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；
2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差以便充分排水，避免产生 超静孔压