浅析粉砂\粉土常规静力的三轴剪切试验结果

摘要：

三轴剪切试验是测定土体抗剪强度的主要方法。本文简要阐述了三轴剪切试验的设备、原理、步骤与方法、影响因素以及粉砂、粉土的三轴剪切试验结果。

关键词：粉砂；粉土；常规静力；三轴剪切试验

中图分类号： P588.21+2.1 文献标识码： A 文章编号：

常规静力的三轴剪切试验是测定土体抗剪强度、变形程度等参数的重要方法。该方法相对于传统的原位试验法，可以更好的控制土体的受力边界条件，从而得到更为明确的试样应力状态。三轴剪切试样是通过测定若干个圆柱形试样在不同的周围应力下的土体抗剪强度，利用摩尔-库伦准则而得到土体的抗剪强度等参数。它是一种较为完善的方法，目前已被岩土工程界广泛采用。三轴剪切试验还可以通过土体抗剪过程的轴应力与偏应力的关系确定土体的本构非线性参数。其对高层建设、重型厂房、道路桥梁等大型工程具有重要意义。

一、三轴剪切试验的仪器设备

（1）三轴试验仪

三轴试验仪是三轴剪切试验最主要的设备，目前广泛采用的是应变控制式的三轴试验仪。三轴试验仪包含以下几个部分：三轴压力室（三轴试验仪的主要组成部分，是有机玻璃、金属底座与上盖组成的容器），轴向加荷系统（使三轴压力室受轴向力上下移动），轴向压力测量系统（测量试样所受到的轴向压力）、周围压力稳压系统（对三轴压力室的压力进行自动补偿从而使周围压力维持稳定），孔隙水压力量测系统（利用孔压传感器测定试样的孔隙水压力），轴向变形量测系统（由位移传感器测定轴向变形），反压力以及体变系统、数据采集和数据处理系统。

（2）附属设备

三轴剪切实验的附属设备包括切土架、切土器、击实筒、承膜筒、天平、游标卡尺、原状土分样器、乳状薄膜、透水石、钢丝锯、空气压缩机、切土刀、毛玻璃板等。

二、三轴剪切试验的原理

三轴剪切试验的主要操作步骤：制作土体试样，将其放在三轴压力室内，使孔隙水流过土体试样的下端，并与孔隙水压力测量系统连接，并与上端的透水石以及排水管连通后，向三轴压力室加压，使土体试样的各个方向受到同样大小的压力σ3。而后保持水平压力不变，对土体试样施加竖向的压力，由小向大逐渐增大，直到土体试样受剪应力损坏，根据极限平衡条件即可求得强度参数等值。

三、三轴剪切的试验方法与试验步骤

三轴剪切试验按土体试样的固结条件以及排水情况，分为以下三种方法：固结不排水三轴剪切试验，不固结并且不排水的三轴剪切试样，固结排水的三轴剪切试样。

本文采用的是固结不排水的三轴剪切试验，试验步骤如下：

（1）试样制备

将土体制成圆柱形试样，土体试样的高度与直径比为2到2.5倍。分别制作原样土试样与扰动土试样。

（2）试样安装

首先打开底座上的阀门，使水流向底座，放入透水石以及滤纸，排出气泡后关闭阀门，放入土体试样。在成膜筒内穿入橡皮薄膜，并从气嘴不断抽气，使橡皮薄膜与筒壁紧贴，而后将其套在土体试样外侧，使气嘴放气。以使橡皮薄膜紧贴在土体试样的周围。用橡皮圈将其紧紧扎在底座上。打开连接试样帽的阀门，使水缓慢地流经试样帽，排出气泡后关闭阀门，用橡皮圈扎紧橡皮圈与试样帽。盖上压力室罩，向压力室注水，将活塞对准土体试样的顶部，并将测力器的调零。

（3）试样固结

向压力室的土体试样周围施加适当的压力，一般应稍大于或者等于试样的覆盖压力。需要注意的是，低压三轴仪的压力不能超过0.6MPa，高压三轴仪的压力不能超过2MPa。测定土体试样的周围压力相应的孔隙水压力，在排水完成后，静置20分钟后，记下孔隙水压力计的读数。最后打来排水阀门，直到固结排水量基本稳定，即试样基本达到固结稳定后，关闭阀门，记下排水管水面的读数以及孔隙水压力。

（4）试样剪切

将测力计和孔隙水压力计调零，转动手轮以使活塞与试样帽相接触，开电动机，合离合器，然后开始进行土体试样的剪切。粘性土的剪切速率保持每分钟应变0.1%左右，粉土的剪切速率保持每分钟0.5%左右。在土体试样每产生0.2毫米的形变时，记下孔隙水压力以及测力计的读数。当测力计指针后退，即读数出现峰值后，应继续进行剪切，直至大于15%的应变则停止剪切，若测力计不出现峰值，则直至测力计指针基本不动时停止剪切。剪切结束后，关闭电动机、压力阀。

（5）计算公式

土体试样固结后的高度：

hc=h0(1-V/V0)1/3

式中 hc—固结后试样的高度，cm

V—固结前后试样的体积变化，cm

土体试样固结后的面积：

Ac=A0(1-V/V0)1/3

式中 hc—固结后试样的平均断面积，cm2

主应力差；

σ1-σ3=CR/A0×10

式中σ1-σ3—主应力差，KPa

σ1—大主应力，KPa

σ3—小主应力，KPa

R—测力计的读数，0.Olmm

四、三轴剪切试验的影响因素

（1）土体扰动。在取土的过程中，应尽量避免土体的扰动，一般使用大口径的取土器。尤其是饱和的软粘性土，扰动程度对土体强度的影响特别显著，软粘性土的取土一般采用静压法。取得的土样应注意防潮，并在抗震的环境中运输。（2）土体试样的不均匀性。若三轴剪切试验的土体试样中含有不均匀性的土样，则其强度很难被确定。对于这种情况，一般在切土的过程中，采用三分法进行分样，以使对同一标高的试样进行试验，确保土体试样的离散性不出现在同一组试验中。（3）试样面积。在试验过程中，试样面积会随着固结以及剪切过程增大或者减少，所以必须对其进行校正。固结试样面积的校正方法主要有两种，一是利用固结下沉降以及排水量进行计算校正，二是假定土体试样的固结应变在各个方向均相等进行试验。剪切面积的校正方法是假设塑性破坏的试样断面均匀增大。此外，试样安装，橡皮膜，滤纸条，活塞，试样端部约束、固结压力、剪切速率等都会对三轴剪切试验的结果又影响。

五、粉砂、粉土三轴剪切试验的结果

本文对粉砂、粉土进行三轴剪切试验。所用粉砂的比重为2.14、最大干密度ρdmax为1.645，最小干密度ρdmin为1.134，最大孔隙之比为1.372，最小孔隙比为0.645，平均粒径为0.09mm。不均匀系数为2.65，曲率系数为1.36.所用粉土的比重为2.66，塑性指数为9.0，密度为1.91g/cm3 ,。

采用原样，干装样，湿装样分别进行三轴剪切试验，保持三次试验试样的初始干密度相同，测定固结压力分别是100kPa，200kPa，300kPa时，土体试样的主应力差σ1-σ3以及孔隙水压力随轴向应变的变化曲线。试验表明固结压力对试验结果有一定的影响。

六、结束语

本文对三轴剪切试验的设备、原理、步骤与方法以及影响因素进行了简单阐述，并给出了粉砂和粉土的三轴剪切试验结果，试验结果表明固结压力对三轴试验结果有一定的影响。

参考文献：

[1] 常素萍.浅谈影响三轴压缩试验结果的因素[J].岩土工程界.2009,(1).

[2] 陈春霖，张惠明.饱和砂土三轴试验中的若干问题[J].岩土工程学报.2010，22.

[3] 方涤华，夏怀祖.三轴压缩试验中活塞摩阻和橡皮膜的影响[J].大坝观测与土工测试.2008,(34).

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。