三轴应力路径分析
美国GEOCOMP应力路径三轴仪
美国GEOCOMP应力路径三轴仪简介用途：Geocomp静三轴与应力路径三轴可以全自动完成土的应力路径试验。
将试样安放后，设置好试验参数，然后所有过程均由系统自动完成。
该系统通过软件自动完成试验初始化设置、饱和试验、固结(各向同性、各向异性或K0)和应力路径（剪切）试验。
环球香港科技有限是美国GEOCOMP在中国的唯一的独家。
概述：LoadTrac II/FlowTrac II系统采用高速、精确的微步进马达对试样施加轴向荷载和压力。
包括一个施加轴向压力的荷载架、一个控制围压的液压泵和一个控制反压的液压泵。
该系统可以在0.00003 ~ 15mm/min之间任意位移速度施加恒定速率应变。
特点：通过网络通讯模块和相关的软件，可以在一台计算机上自动控制试验过程、采集和实时显示数据、生成试验报告。
技术参数：The LoadTrac II/FlowTrac II system for triaxial testing fully automates the conduct of CU, CD and any possible stress path triaxial test on soils. Once a soil sample is in place, and the test conditions are selected, the LoadTrac II/FlowTrac II system will run the entire triaxial test from start to finish. This system is operated by software which automates the initialization, saturation, consolidation (isotropic, anisotropic or Ko) and shear phases of the test.The system comes as a complete, self-contained unit with all of the equipment requiredto perform fully automated triaxial and stress path tests. The LoadTracII/FlowTrac II system utilizes high speed, precision micro stepper motors to apply the vertical load and pressures to the soil specimen. It includes one load frame for vertical stress, one flow pump for cell pressure and one flow pump for back pressure. The sys-tem is capable of applying a constant rate of strain at any displacement rate from 0.00003 up to 15 mm per minute (0.000001 to 0.6 inches per minute).Sensor readings are displayed in SI or English units and stored in memory. With the network communications module and appropriate software, the entire test can be automatically controlled, data captured and displayed in real-time, and test reports prepared on a PC.Optional software running in Windows® 2000, XP, or Vista completely automates running the test, reducing the data and preparing test results.MOTOR Stepper motor with built-in controlsTRAVEL Built-in displacement transducer with 76 mm (3 in.) range and0.0013 mm (0.00005 in) resolutionDISPLACE-MENT Control from 0.00003 to 35 mm per minute (0.000001 to 1.3 in.per min-FLOW RANGE 0.000006 to 3 cc per secondPOWER 110/220 V, 50/60 Hz, 1phaseGeocomp静三轴与应力路径三轴可以全自动完成土的应力路径试验。
GDS标准应力路径三轴系统操作说明
标准应力路径三轴测试系统操作说明——安徽建筑工业学院STDTTS系统1.GDSLAB软件操作1.1.打开GDSLAB软件1.2.检查硬件的通讯参数点击Management，出现如下图并点击Object Display，出现系统硬件的连接图，8通道数据采集板Comm Port: 1Baud: 4800Parity: n(此处必须为None，否则无法正常通讯，这一点很重要)Data Bits: 8Stop Bits: 2设置上面的参数后，就开始设置压力/体积控制器 STDDPC V2，包括反压、轴压和围压的通讯参数，点击“Select STDDPC controller”，会弹出“GDS USB controller selection tool ”，然后选择下拉菜单下的文件，从3个控制器的通讯文件选择一个，之后点击“Selected”，系统就会为反压控制器选择通讯文件。
图29为反压控制器通讯设置正常后的状态。
轴向压力/体积控制通讯参数跟反压一样，当反压和轴向控制器选好后，一定要注意控制器与压力室的链接情况。
当三个图标的通讯参数设置好以后，就点击“Read”图标，查看各个传感器是否有读数。
注意，本系统在已经选好通讯文件，一般情况下，如果不出现系统错误，不需要再进行设置，只需要在实验前检查下就可以了。
在每个控制器后面有个序列号，反压为12813，轴压为12811，围压为12809，注意检查控制器与压力室管路连接是否正确。
选择控制的通讯文件STDDPC V2 连接状态1.3.传感器和控制器清零在装土样前，要对传感器和控制器清零1.3.1. 传感器清零，只能在软件上清零点击某个传感器所对应的眼睛图标，会出现对话框，点击Advanced，然后在“Soft Zero Offset”旁边点击“Set Zero”，观察传感器的读数就会变成0。
如果出现很小的波动为正常。
轴向力、孔压和轴向位移传感器清零都是如此。
1.3.2. 控制器清零需要在控制器上操作，否则会造成控制器上显示的读数跟软件显示的不一致。
三轴试验相关理论知识
三轴试验相关理论知识一、基本概念 1.常用术语法向力——垂直于滑动面上的应力，也叫正应力σ。
σ=N/A （N ：作用于滑动面的力；A ：滑动面的面积）剪应力——与法向力垂直的切向应力τ。
τ=F/A （F ：与法向力相垂直的摩擦力） 主平面——没有剪应力的平面。
主应力——主平面上的法向应力（正应力）。
在相互垂直的立方体上(图1)又分成：大主应力（σ1）——轴向应力； 小主应力（σ3）——径向应力；中主应力（σ2）——界于大、小主应力之间的径向应力。
(常规三轴试验的试样呈圆柱形，中、小主应力相等，即σ2=σ3，谓之轴对称条件下的试验。
)偏应力——轴向应力与径向应力（或大、小主应力）之差，即（σ1-σ3）。
摩檫角——剪应力达到极限（土体开始滑动）时的剪破角Φ，此时Φ=α（tan Φ为摩檫系数） 图1 主应力与主应力面抗剪强度——随着剪应力的增加，剪阻力亦相应增加。
而剪阻力达到一定限度就不再增大这个强度称为土的抗剪强度。
2.摩尔圆摩尔圆源自材料力学之应力圆，由于是科学家摩尔首先提出的，故叫摩尔圆。
（图2）通过土体内某微小单元的任一平面，一般都作用着一个合应力，并可分解为法向应力（σ）和剪应力（τ）两个分量。
如图3，沿圆柱体轴线取一个垂直面作应力分析，可得如下的关系式：将两式平方后相加，整理后得出 图2 摩尔应力园上式的几何意义是，在σ-τ坐标系里以（σ1+σ3）/ 2，0为圆心、（σ1-σ3）/ 2为半径的圆。
ασστασσσσσ2sin )(212cos )(21)(21313131-=-++=2312231)2()2(σστσσσ-=++-在三轴试验轴对称时的平面上，当试样给定σ1和σ3，如果已知试样上的大、小主应力面的方向，就可以从摩尔圆上确定试样内任一斜面上的剪应力τ和法向应力σ。
摩尔圆在σ-τ坐标系里的应力关系如图4所示。
图的右边为一三轴试样，左边为相应的摩尔圆。
过圆的D 点（σ1）作平行于试样大主应力面AB 线，交圆上Op 点；过圆E 点（σ3）作平行于小主应 力面AC 线，必通过Op 点（∵AB 与AC 正交，∠DEOp 是半圆的圆周角）。
粘性土三轴剪切试验的实质应力和破坏条件分析
粘性土三轴剪切试验的实质应力和破坏条件分析摘要：粘性土具有压缩强度大、拉锁强度小的突出特征。
作为粘性土实质特性研究的重要方式，三轴剪切实验能过实现其实质应力和破坏条件的有效分析。
本文在阐述三轴剪切实验应用原理的基础上，从总应力表示和实质应力表示两个角度对三轴剪切实验的应力路径的进行分析；以期有利于人们对粘性土实质应力和破坏条件把握水平的提升，进而推动相关工程建设的规范发展。
关键词：粘性土；三轴剪切实验；实质应力；破坏条件粘性土是工程建设的常见土体材料之一，其在压硬性和剪胀性等方面的力学特征尤为突出。
然天然沉积的粘性土在应力状态上处于不等压固结状态，一旦受到外部作用，其必然在初始应力各向异性的影响下，产生一定的强度改变和变形破坏，对工程的建设造成影响。
基于此，进行粘性土实质应力和破坏条件的分析已成为粘性土基础工程建的重要问题。
目前，三轴剪切试验是实现这些特性分析的有效手段，本文就此展开分析。
一、三轴剪切实验的应用原理作为一种抗剪强度实验，三轴剪切实验以三轴仪为基础，通过对某一固定试样增加轴向压力，探究其实质应力强度和破坏条件的实践过程中。
实践过程中，人们也将其称为三轴压缩实验，其中摩尔-库伦强度理论是其实验设计的重要支撑。
具体而言，在三轴剪切实验中，其假定某一土体试样处于平衡状态，则其必然存在三种相互垂直的应力δ1、δ2和δ3，且其受力方向分别为x、y和z，同时与三个主应力垂直垂直的作用面分别称为大主应力面、中主应力面和小主应力面。
此时，在试样上进行轴向主应力δ1的增强，再不改变其它应力的状况下，使得土样的剪应力不断增大，直至破坏；由此，破坏时刻的应力值为土块试样的最大抗剪强度值，同时，实验人员也实现了试样破坏条件的具体把握。
二、通过总应力进行三轴实验应力路径表达初始应力状态标准下，重塑土和原状土试样的三轴剪切试验是三轴实验的两种基本形态[1]。
相比而言，原始场地转移和初始应力状态缺失是重塑土的基本特征；而原状土试样的三轴剪切实验以原始场地为基本载体，即其处于不等压固结状态，静止侧压力的系数Ｋ0不等于1。
三轴应力路径分析
• 下面分析二种典型的固结不排水试验应 力路径
• (1) 常规三轴试验应力路径，先在均匀压力下 固结此点，然后保持3不变，不排水下增加1 至破坏，TSP线为与横轴成４５°斜线，若此 时孔隙水应力为u,量得CB= u ,连接AC 点得 ESP线
σ1 σ3
Байду номын сангаас
τ(q)
• ２）A除对ESP形状有影 响外，还对土的强度有 影响.A愈小的土，强度 愈高，超高压密土，A很 小，强度很高， • １）上述分析认为A,B是 常数，事实上A不是常数， 随偏应力的变化而变化， 取破坏时的孔隙水应力 系数Af来代替全过程方 便得多，且不会造成太 大的误差
A对 ESP形状及强度的影响
q Kf A=0
q
uf
ESP ESP TSP
A=0.5 A=1 B ESP
TSP ESP
A
图2-18A对 ESP形状影响
p
M
p
图2-19 A对强度的影响
Kf'
σ1 σ3
τ(q)
AB(1-3)
B3 B TSP
Cu C ESP
Kf
E
A 图2-17 三轴极限状态及其应力路径
σ(p)
结论
• 图表明了不同的总应 力路径，代表了不同 的试验方法，所以 TSP线可以直接用来 说明外荷载的施加过 程。但土样内部骨架 上有效应力的变化与 孔隙水应力系数A,B 密切关系。 • 有两点加以说明
Cu
Kf'
u
C
ESP
Kf
B
(1) σ3=常数 σ1增大 u=A σ1
TSP
ε1
A
D σ(p)
K0固结饱和软黏土的三轴应力路径试验研究
K0固结饱和软黏土的三轴应力路径试验研究李校兵;郭林;蔡袁强;胡秀青【摘要】利用GDS三轴仪对原状温州饱和软黏土进行5种应力路径下的K0固结三轴不排水试验，分析不同应力路径下土体的应力−应变关系、孔压发展及有效应力路径。
利用Skempton公式对常围压下应变与孔压的双曲线关系进行修正，建立不同应力路径下孔压与应变之间统一的表达式。
研究结果表明：在不同应力路径下，K0固结软黏土的应力−应变关系和孔压发展均表现出明显的区别。
由于不同总应力路径下饱和软黏土孔压的产生抵消了围压的变化值，使有效应力路径基本一致。
在本文采用的应力路径下，正常固结黏土p−q−e具有唯一性关系。
%Five types of stress path triaxial tests were conducted onK0-consolidated Wenzhou saturated soft clay under undrained conditions by GDS triaxial apparatus. The stress−strain relationship, pore water pressure evolution and effective stress path under different stress paths were discussed. Using Skempton theory, a unified formula between pore pressure and axial strain was established through modifying the hyperbolic relationship under constant confining pressure. The results show that the stress−strain relationship and pore water pressure evolution ofK0 consolidated soft clay are very different under different stress paths. Because the variation of confining pressure is offset by the generation of pore water pressure, the effective stress paths under different stress paths almost coincide, which validates the uniqueness of relationship ofp−q−e.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】6页(P1820-1825)【关键词】基坑开挖;K0固结;应力路径;孔压【作者】李校兵;郭林;蔡袁强;胡秀青【作者单位】浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江杭州，310027; 温州大学建筑工程学院，浙江温州，325035;温州大学建筑工程学院，浙江温州，325035;浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江杭州，310027; 温州大学建筑工程学院，浙江温州，325035;温州大学建筑工程学院，浙江温州，325035【正文语种】中文【中图分类】TU443工程中的土体单元在受到荷载作用时，应力状态会产生相应变化。
三轴 应力路径 平均主应力 广义剪应力
在地球科学和地质工程领域中，岩石和土壤的力学行为一直是研究的重点。
本文将围绕三轴试验、应力路径、平均主应力和广义剪应力展开深入探讨。
一、三轴试验1. 三轴试验的定义和意义三轴试验是岩土力学领域中常用的一种试验方法，通过对岩土样本施加不同的压力和剪切力，来模拟不同应力状态下岩土体的力学特性，从而研究岩土的变形和破坏规律，为工程实践提供依据。
2. 三轴试验的基本原理在三轴试验中，岩土样本会受到三个轴向的应力作用：径向应力、周向应力和轴向应力。
通过改变这三个应力的大小和方向，可以实现不同的应力路径，从而模拟岩土体在不同地质条件下的受力状态。
二、应力路径1. 应力路径的概念应力路径是指岩土体在受力过程中，应力状态随时间的变化轨迹。
不同的应力路径会导致岩土体不同的变形和破坏特性，因此对岩土工程而言，应力路径的选择和控制至关重要。
2. 应力路径的分类一般来说，应力路径可以分为固定应力路径和变动应力路径两种。
固定应力路径是指在试验或工程过程中，应力状态沿着固定的轨迹变化，而变动应力路径则是指应力状态随时间或其他因素而变化的轨迹。
三、平均主应力1. 平均主应力的定义在三轴试验中，平均主应力是指在三轴应力状态下，样本中心处受到的平均应力。
平均主应力的大小和方向对岩土体的变形和破坏具有重要影响，因此平均主应力的确定是岩土力学研究的重点之一。
2. 平均主应力对岩土体性质的影响平均主应力的大小和变化会直接影响岩土体的强度、变形和破坏特性。
对于不同类型的岩土体，其受到的平均主应力的承受能力和变形特性也各不相同，因此在岩土工程设计中需要充分考虑平均主应力的影响。
四、广义剪应力1. 广义剪应力的概念广义剪应力是指岩土体在三轴应力状态下受到的主应力和剪应力之间的复合应力状态。
广义剪应力的存在使得岩土体的变形和破坏行为更加复杂，因此在岩土力学研究和工程实践中备受关注。
2. 广义剪应力与变形行为的关系广义剪应力对岩土体的变形和破坏过程有着重要影响，特别是在复杂应力状态下，广义剪应力的作用更加显著。
三轴试验与应力路径(1)
c
’
(1 3) 2
’3
’
f
1 3 cos 2
f
1 3 2
f
tan 1 3 2
1 3 sin 2
’1
’
Mohr-Coulomb Failure Envelope in p-q Space
q
P’
应力路径表示方法
1） 直角坐标系统 2）1 3 直角坐标系统
3） p q 直角坐标系统
4） s t 直角坐标系统
1( a )
3 ( r )
破坏线
o 3
1
三轴压缩试验
（排水）
坐标系统中的应力路径
1
3
3
3
破坏线
1
45
o
三轴压缩试验
specimen of saturated clay was carried out under an all-round pressure of 600 kN/m2. Consolidation took place against a back pressure(反压力) of 200 kN/m2. The following results were recorded during
p’
Isotropic Consolidation q/p’=0
各向同性压缩
a
k a
各向异性压缩
a
a
a
k a
k a
k a
k 1 0
1 k k0
0 0
材料：各向同性
k≤1
k k0
0
一维压缩 k0压缩
3 1k
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Kf'
σ1 σ3
τ(q)
AB(1-3)
B3 B TSP
Cu C ESP
Kf
E
A 图2-17 三轴极限状态及其应力路径
σ(p)
结论
• 图表明了不同的总应 力路径，代表了不同 的试验方法，所以 TSP线可以直接用来 说明外荷载的施加过 程。但土样内部骨架 上有效应力的变化与 孔隙水应力系数A,B 密切关系。 • 有两点加以说明
q Kf A=0
q
uf
ESP ESP TSP
A=0.5 A=1 B ESP
TSP ESP
A
图2-18A对 ESP形状影响pMp图2-19 A对强度的影响
2 . 三轴压缩试验应力路径分析
• 下面分析二种典型的固结不排水试验应 力路径
• (1) 常规三轴试验应力路径，先在均匀压力下 固结此点，然后保持3不变，不排水下增加1 至破坏，TSP线为与横轴成４５°斜线，若此 时孔隙水应力为u,量得CB= u ,连接AC 点得 ESP线
σ1 σ3
τ(q)
Cu
Kf'
u
C
ESP
Kf
B
(1) σ3=常数 σ1增大 u=A σ1
TSP
ε1
A
D σ(p)
图2-16 三轴极限状态及其应力路径
(2) 1, 3均增加
•
• • • • • • • • •
先等向固结至A点 ，然后保持3不变， 增加1,令其排水固 结，路径为AD，再 在不排水条件下， 增大1 , 3 ,总应力 路径，达B点破坏， B与Kf之间水平距 离为uf,ED为uB, CE为uA
• ２）A除对ESP形状有影 响外，还对土的强度有 影响.A愈小的土，强度 愈高，超高压密土，A很 小，强度很高， • １）上述分析认为A,B是 常数，事实上A不是常数， 随偏应力的变化而变化， 取破坏时的孔隙水应力 系数Af来代替全过程方 便得多，且不会造成太 大的误差
A对 ESP形状及强度的影响