土的力学性质指标及其室内测定课件

1、第七章 土的力学性质指标及其室内测定渗透试验固结试验三轴压缩试验第七章 土的力学性质指标及其室内测定渗透试验渗透试验渗透试验试验原理渗透是液体在多孔介质中运动的现象。渗透系数是表达这一现象的定量指标，具有流速的单位。土的渗透是水在土体孔隙中的流动。若土中水在土体孔隙中的运动为层流时，则渗透水流的速率与水力坡降成正比，如下式。故渗透系数，即为水力坡降时的渗透速度。达西定律表达式为： v=ki式中：v渗流速度； i 水力坡降（在土中任意两点间产生渗流时，则两点的水头差与两点间渗 流长度之比，即i=H/L）； k 渗透系数。试验原理渗透是液体在多孔介质中运动的现象。渗透系数是表达这一由于影响渗透系数

2、的因素十分复杂，如土的颗粒组成，胶体含量、结构状态、密度、土粒和水的矿物成分等，都足以影响它的正确测定。当前室内和现场用的各种方法所测定的渗透系数仍然是个比较粗略的数值，实际上渗透系数的测定方法，仍处于研究和改进之中。 目前室内渗透试验方法有常水头渗透试验和变水头渗透试验。常水头渗透试验适用于粗粒土，变水头渗透试验适用于细粒土。由于影响渗透系数的因素十分复杂，如土的颗粒组成，胶体含量、结试验方法渗透系数测定的方法的选用，是根据土样的渗透性大小决定的。对于渗透系数（k）大于10-4cm/s的土采用常水头法，渗透系数（k）为10-410-7cm/s的土采用变水头法。试验方法渗透系数测定的方法的选用

3、，是根据土样的渗透性大小决定常水头渗透试验常水头渗透试验即水流在一恒定的水头差作用下通过土样，测定在规定时间内的流量来计算土的渗透系数。试验时土样长度为固定值，这样水力坡降为常数，根据达西定律，渗透流量为Q=kiAt=kHAt/L k=QL/HAt式中：Q渗透流量（cm3）； k渗透系数（cm/s）； i水力坡降； H水头损失（cm）； L渗透路径长度（cm）； A试样截面积（cm2）； t时间（s）。常水头渗透试验常水头渗透试验即水流在一恒定的水头差作用下通过1-金属圆筒；2-滑动架；3-溢水孔；4-止水夹；5-供水管；6-供水管； 7-测压管；8-温度计；9-砾石层；10-测压孔；11-金

4、属孔板；12-渗水孔；13-量杯；14-试样；15-调节管1-金属圆筒；2-滑动架；3-溢水孔；4-止水夹；5-供水管变水头渗透试验变水头渗透试验是通过土样的渗透在变化的水头压力影响下进行的。根据同一时间内经过土样的渗流量与水头量管流量相等推导得出变水头渗透系数。变水头渗透试验装置如下图。 式中：2.3ln和lg的变换因数； a 变水头管的断面积（cm2）； t1、t2测读水头的起始和终止时间（s）； H1、H2起始和终止水头（cm）。变水头渗透试验变水头渗透试验是通过土样的渗透在变化的水头压力1-渗透容器；2-进水管；3-变水头管；4-供水瓶5-水源管；6-排水管；7-出水管1-渗透容器；2

5、-进水管；3-变水头管；4-供水瓶5-水源管仪器设备及试验步骤1 常水头渗透试验1）常水头渗透试验所需用的主要仪器设备有常水头渗透仪（70型渗透仪）、天平、温度计等，仪器的量程、准确度及其他仪器设备可参阅SL237-014-1999。2）试验步骤（1）按图装好仪器，并检查各管路接头处是否漏水。将调节处与供水管连通，由仪器底部充水至水位略高于金属孔板，关止水夹。（2）取有代表性的风干试样34kg，称量准确至1.0g，并测定试样的风干含水率。仪器设备及试验步骤1 常水头渗透试验将试样分层装入圆筒，每层23cm，用木锤轻轻击实到一定厚度，以控制其孔隙比。如试样含粘粒较多，应在金属孔板上加铺厚约2cm

6、的粗砂过渡层，防止含试验时细料流失，并量出过渡层厚度。（3）每层装好后，连接供水管和调节管，并由调节管中进水，微开止水夹，使试样逐渐饱和。当水面与试样顶面齐平，关止水夹。饱和时水流不应过急，以免冲动试样。（4）依上述步骤逐层装试样，至试样高出上测压孔34cm止。在试样上端铺厚约2cm砾石作缓冲层。待最后一层试样饱和后，继续使水位缓缓上升至溢水孔。当有水溢出时，关止水夹。（5）试样装好后量测试样顶部至仪器上口的剩余高度，计算试样净高。称剩余试样质量（准备至1.0g），计算装入试样总质量。将试样分层装入圆筒，每层23cm，用木锤轻轻击实到一定厚度（6）静置数分钟后，检查各测压管水位是否与溢水孔齐平

7、，如不齐平，说明试样中或测压管接头处有集气阻离，用吸水球进行吸水排气处理。（7）提高调节管便其高于溢水孔，然后将调节管与供水管分开，并将供水管置于金属圆筒内。开止水夹，使水由上部注入金属圆筒内。（8）降低调节管口，使位于试样上部1/3处，造成水位差，水即渗过试样，经调节管流出。在渗透过程中应调节供水管夹，使供水管流量略多于溢出水量。溢水孔应始终有余水溢出，以保持常水位。（9）测压管水位稳定后，记录测压管水位，计算各测压管间的水位差。（6）静置数分钟后，检查各测压管水位是否与溢水孔齐平，如不齐（10）开动秒表，同时用量筒接取经一定时间的渗透水量，并重复1次。接取渗透水量时，调节管口不可没入水中。

8、（11）测记进水与出水处的水温，取平均值。（12）降低调节管管口至试样中部及下部1/3处，以改变水力坡降，按9至12规定重复进行测定。（13）根据需要，可装数个不同孔隙比的试样，进行渗透系数的测定。 （10）开动秒表，同时用量筒接取经一定时间的渗透水量，并重复变水头渗透试验1）变水头渗透试验所需用的主要仪器设备有南55型渗透仪、天平、温度计等。仪器的量程、准确度及其他仪器设备可参阅SL237-014-1999。2）试验步骤（1）根据需要用环刀在垂直或平行土样层面切取原状试样或扰动土制备成给定密度的试样，并进行充分饱和。切土时，应尽量避免结构扰动，并禁止用削土刀反复涂抹试样表面。（2）将容器套筒

9、内壁涂一薄层凡士林，然后将装有试样的环刀推入套筒，并压下止水垫圈。把挤出的多余心土林小心刮净。装好带有透水板的上、下盖，并用螺丝拧紧，不得漏气漏水。变水头渗透试验1）变水头渗透试验所需用的主要仪器设备有南55（3）把装好试样的渗透容器与水头装置连通。利用供水瓶中的水充满进水管，并注入渗透容器。开排气阀，将容器侧立，排除渗透容器底部的空气，直至溢出水中无气泡，关排气阀，放平渗透容器。（4）在一定水头作用下静置一段时间，待出水管口有水溢出时，再开始进行试验测定。（5）将水头管充水至需要高度后，关止水夹，开动秒表同时测记起始水头h1。经过时间t后，再测记终了水头h2。如此连续测记23次后，再使水头管

10、水位升至需要高度，再连续测记数次，需6次以上，试验终止，同时测记试验开始与终止时的水温。（3）把装好试样的渗透容器与水头装置连通。利用供水瓶中的水充计算及成果整理按公式计算常水头渗透系数及变水头渗透系数。并按下式计算标准温度下的渗透系数。式中：k20标准温度时试样的渗透系数（cm/s）； k试验温度时试样的渗透系数（cm/s）； T 、 20分别为T和20时水的动力粘滞系数（kPas），可查表 水的动力粘滞系数、粘滞系数比，校正温度表。计算及成果整理按公式计算常水头渗透系数及变水头渗透系数。并按影响试验成果的几个问题渗透试验设备简单，技术难度看似不大，但是影响因素较多，稍不注意则容易引起较大测

11、量误差。具体注意事项如下：1 试验方法的选择常水头试验适用于渗透性较大的土，变水头试验适用于渗透性较小的土。对于常水头试验其试样容器的内径应大于试样中最大粒径的10倍，以避免因沿试样容器周围部分试样的孔隙较大而使周围部分流量变大引起的试验误差。影响试验成果的几个问题渗透试验设备简单，技术难度看似不大，但2 试样的选择和切取试样要有一定的代表性，能较准确反应工程实际。同于天然地基土，在不同程度上都存在非均质和各向异性，因此试验中应考虑渗流方向。用原状样进行试验时，环刀切样操作至关重要。只有土样侧面保持为直顺的圆柱面时，才能杜绝试样边界的绕渗现象。一般来说，直接用手按压环刀的做法是不可取的，切样时

12、应该使用保证环刀垂直下压的辅助工具。2 试样的选择和切取3 试验用水 水中含气对渗透系数的影响主要由于水中气体分离，形成气泡堵塞土的孔隙，致使渗透系数逐渐减小。因此，试验中要求用无气水，最好利用实际作用于土中的天然水，这一点较难做到。试验要求所用的纯水先进行脱气，脱气的方法先将水煮沸。然后降低压力，冷却，也可用抽气方法。试验时规定水温应高于试样的温度，一般试验时水温宜高于室温34oC，目的也是避免低温水进入较高温度的试样时，水将因温度升高而分解出气泡，而堵塞孔隙。有些试验人员嫌麻烦，未按此要求执行，将引起测得的渗透系数偏低。 3 试验用水4 试样的饱和土样的饱和度愈小，土的孔隙内残留气体愈多，

13、使土的有效渗透面积减小，同时，由于气体因孔隙水压力的变化而胀缩，使饱和度的影响成为一个不定的因素，为了保持试验精度，要求试样必须充分饱和。实践证明真空抽气饱和法是有效的方法。为了使试样充分饱和，可在三轴仪中用反压力方法进行渗透试验。试验系统的管路及透水石中的气泡要排除干净，容器及管路连接要保持密封良好，不得有漏水。4 试样的饱和5 关于试验成果的取值一个试样多次测定的取值应在连续测定6次后，取同次方的A值最大和最小之差值不大于2.0的四个以上的结果，取其平均值作为试样在某一孔隙比下的平均渗透系数。试验时应将试样控制在设计要求的孔隙比下测定其渗透系数，否则试验结果无实用意义。若试样孔隙比控制在需

14、要值有困难时，可进行不同孔隙比下的渗透试验，测得孔隙比与渗透系数的关系曲线，供查取任意孔隙比下的渗透系数。5 关于试验成果的取值6 异常情况处理对于渗透系数低于10-7cm/s的情况，会遇到两个问题。一是试验开始数日后，仍不见出水口出水，解决的方法是可用注射器自渗透仪的出水口向渗透仪内注入一些水，以减少等待出水的时间。另一是室内空气很干燥时，变水头管中水份快速蒸发会明显加快变水头管水位下降速度，致使测得的渗透系数偏大，解决的办法是可在变水头管的上端装一个透气的小塞或干棉花球。6 异常情况处理固结试验固结试验试验原理土的压缩是指土体在压力作用下体积缩小的现象。土的固结则是指饱和土在外力作用下，随

15、土的排水，体积逐渐减小的全过程。土的固结试验方法是基于太沙基固结理论建立的，目的是测定试样在侧限与轴向排水条件下的在压力作用下的压缩特性，以便计算土的压缩系数、压缩指数、回弹指数、压缩模量、固结系数以及原状土的先期固结压力等，所得的各项指标用以判断土的压缩性压缩过程和计算土工建筑物与地基的沉降及沉降过程。试验原理土的压缩是指土体在压力作用下体积缩小的现象。土的固结太沙基在推导固结方程时，作了以下假定：（1）土是完全饱和的，而且是均匀的；（2）土粒和孔隙水不可压缩，土的体积变化完全是孔隙水的排出而产生的；（3）变形只在垂直加压的方向发生，孔隙水的流动与变形方向相同，侧向变形受限制；（4）水的流动

16、服从达西定律，边界面上是自由面，对水的流出没有阻力；（5）在固结过程中，不考虑土层厚度的变化；（6）土的体积压缩系数为常数；土的渗透系数在固结过程中也没有变化，所以固结系数也是常数。太沙基在推导固结方程时，作了以下假定：固结试验适用于饱和的粘性土。当只进行压缩指标测定时，允许用于非饱和土，但不能测定值。试验中参数计算如下： 1）按下式计算试样的初始孔隙比及各级压力下的孔隙比：固结试验适用于饱和的粘性土。当只进行压缩指标测定时，允许用于2）某一压力范围内的压缩系数按下式计算:3）某一压力范围内的压缩模量按下式计算:2）某一压力范围内的压缩系数按下式计算:4）某一压力范围内的体积压缩系数按下式计算

17、：5）压缩指数和回弹指数按下式计算: 4）某一压力范围内的体积压缩系数按下式计算：以上式中： e0试样初始孔隙比； ei各级压力下试样的孔隙比； h0 试样初始高度（mm）； h某级压力下试样固结稳定后的总变形量（mm）； av压缩系数（MPa-1）； pi某级压力值（MPa）； Es压缩模量（MPa）； mv体积压缩系数（MPa-1）； Cc(Cs)压缩指数（回弹指数）。以上式中：试验方法固结试验的试验方法可分为标准固结试验法、快速固结试验法、应变控制加荷固结试验法。试验方法固结试验的试验方法可分为标准固结试验法、快速固结试验标准固结试验为增量分级加荷法。该法规定标准加荷时间为变形至稳定（如

18、不需要测定沉降速率时，则加荷时间可为24h）一级，加荷率为1，即每级压力为前级压力的一倍。快速固结试验规定试样在各级压力下的固结时间为1h，仅在最后一级压力下，除测记1h的量表读数外，还应测读达压缩稳定时的量表读数。稳定标准为量表读数每小时变化不大于0.005mm。根据最后一级压力下稳定变形量与1h变形量的比值分别乘以前各级压力下1h的变形量，即可得到修正后的各级压力下的变形量。应变控制加荷固结试验法是试样在侧限和轴向排水条件下，采用应变速率控制连续加荷确定试样的固结量和固结速率。标准固结试验为增量分级加荷法。该法规定标准加荷时间为变形至稳试验仪器及试验步骤1）试验仪器仪器设备主要为固结仪，见

19、下图。由环刀、护环、透水板、水槽、加压上盖组成。1-位移计架；2-位移计导杆；3-加压上盖；4-透水板；5-导环；6-环刀；7-试样；8-护环；9-水槽试验仪器及试验步骤1）试验仪器（1）环刀：内径为61.8mm和79.8mm，高度为20mm，环刀应具有一定的刚度，内壁应保持较高的光洁度，宜涂一薄层硅脂或聚四氟乙稀。（2）透水板：氧化铝或不受腐蚀的金属材料制成，其渗透系数应大于试样的渗透系数。用固定式容器时，顶部透水板直径应小于环刀内径0.20.5mm。用浮环式容器时，上下端透水板直径相等，均应小于环刀内径。仪器的量程、准确度及其他仪器设备可参阅SL237-015-1999（1）环刀：内径为6

20、1.8mm和79.8mm，高度为20mm标准固结试验步骤（1）根据工程需要，切取原状土试样或制备给定密度与含水率的扰动土试样。试样制备按SL237-1999第三章方法进行。（2）如系冲填土，先将土样调成液限或1.21.3倍液限的土膏，拌合均匀，在保湿器内静置24h。然后把环刀倒置于小玻璃板上，用调土刀把土膏填入环刀，排除气泡刮平，称量。（3）测定试样的密度、含水率及土粒比重。试样需要饱和时，进行抽气饱和。标准固结试验步骤（1）根据工程需要，切取原状土试样或制备给定4）在固结容器内放置护环、透水板和薄型滤纸，将带有环刀的试样小心装入护环内，放上导环，然后在试样顶面依次放上薄型滤纸、透水板、加压上

21、盖，并将固结容器置于加压框架下，对准加压框架的正中，安装量表。注：如试样为饱和土，上、下透水板应事先浸水饱和；对非饱和状态的试样，透水板的湿度应尽量与试样湿度接近。（5）施加1kPa的预压力，使试样与仪器上下各部件之间接触良好，调整变形量测装置的零点，测记初读数。 4）在固结容器内放置护环、透水板和薄型滤纸，将带有环刀的试样（6）确定需要施加的各级压力。加压等级一般为12.5、25.0、50.0、100、200、400、800、1600、3200kPa。最后一级压力应大于上覆土层的计算压力100200kPa。（7）需要确定原状土的先期固结压力时，加压率宜小于1，可采用0.5或0.25倍。最后一

22、级压力应使曲线下段出现较长的直线段。（8）第一级压力视土的软硬程度而定，宜用12.5、25.0或50kPa。（9）如系饱和试样，则在施加第1级压力后，立即向水槽中注水至满。如系非饱和试样，须用湿棉围住加压盖板四周，避免水分蒸发。（6）确定需要施加的各级压力。加压等级一般为12.5、25.（10）需要测定沉降速率、固结系数时，施加每一级压力后应按时间顺序测记量表读数：6s、15s、1、2、4、6、9、12、16、20、25、30、36、42、49、64、100、240min、23h、24h。直至稳定为止，一般为24h。（11）当不需要测定沉降速率时，稳定标准规定为每级压力下固结24h。测记稳定读

23、数后，再加第2级压力。依次逐级加压至试验结束。注：当试样的渗透系数大于10-5cm/s时，允许以主固结完成作为相对稳定标准；对某些高液限土，24以后尚有较大的压缩变形时，以试样变形每小时变化不大于0.005mm认为稳定。（10）需要测定沉降速率、固结系数时，施加每一级压力后应按时（12）需要作回弹试验时，可在某级压力（大于上覆压力）下固结稳定后卸荷，直至卸至要求的压力。每次卸荷后的回弹稳定标准与加压相同，并测记每级压力及最后一级压力时的回弹量。（13）只需测定压缩系数时，施加每级压力后，每小时变形达0.01mm时，测定试样高度变化作为稳定标准。逐步加压，最大压力不小于400kPa。需要确定原状

24、土的先期固结压力时，初始段的荷重率可小于1，可采用0.5或0.25，施加的压力应使测得的曲线下段出现直线段。对超固结土应进行卸荷，再加荷来评价其压缩特性。（14）试验结束后，迅速拆除仪器各部件，取出带环刀的试样。如系饱和试样，则用干滤纸吸去试样两端表面上的水，取出试样，测定试验后的含水率。（12）需要作回弹试验时，可在某级压力（大于上覆压力）下固结计算及成果整理用作图法确定原状土的先期固结压力。孔隙比与压力关系曲线见下图。在曲线上找出最小曲率半径的点0，过0点作水平线OA，切线OB及AOB的平分线OD，OD与曲线下段直线段延长线交于E点，对应于E点的压力值即为原状土试样的先期固结压力。计算及成

25、果整理用作图法确定原状土的先期固结压力。孔隙比与压力土的力学性质指标及其室内测定课件固结系数按下列方法确定时间平方根法：绘制变形与时间平方根关系曲线；见下图。延长曲线开始段的直线，交纵坐标于为理论零点，过作一直线，令其横坐标为前一直线横坐标的1.15倍，则后一直线与曲线交点所对应的时间的平方即为试样固结度达90%所需的时间，该级压力下的固结系数按下式计算：式中：Cv固结系数（cm2/s）； h 最大排水距离，等于某级压力下试样的初始和终了高度平均值的一半 （cm）。固结系数按下列方法确定时间平方根法：绘制变形与时间平方根关系图时间平方根法求t90土的力学性质指标及其室内测定课件影响试验成果的几

26、个问题1）试样尺寸试样尺寸包括试样大小和径高比。天然沉积土层通常是非均质而成层的，因此在水平方向有较大的透水性，其固结速率和孔隙水压力的消散较均质土要快。如试样较薄时，成层性起的作用就显著，这样用时间平方根法推求的Cv可能变小。2）环刀侧壁摩擦 试样侧面与环刀间的摩擦是这种试验的主要机械误差，该摩擦抵消了部分上覆荷载，使试样上的有效应力减小而导致一定的试验误差。因此，可在环刀内壁涂润滑油减小摩擦。影响试验成果的几个问题1）试样尺寸3）试样的扰动 原状试样被扰动，会模糊土的应力历史，因此除取土及运送过程中要尽可能减少振动，制备试样时要特别仔细。不允许直接将环刀压入土样，应用钢丝锯按略大于环刀的尺

27、寸沿土样外缘切削，待土样直径接近环刀内径时，再轻轻地压下环刀。在削两端余土时，不要用刀反复来回涂抹，最好用钢丝锯慢慢地一次削去。3）试样的扰动4）加荷等级试验中采用荷载比为1不符合现场实际加荷情况。固结试验计算所得的沉降量通常与实测沉降量相差较大。对塑性较大的粘土或结构强度小密度低的软土，表现明显。5）加荷时间加荷时间取决于试样的透水性。加荷时间不同，试验所得的压缩指数是接近的，但是对先期固结压力的影响较大。 4）加荷等级三轴压缩试验三轴压缩试验试验原理三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法。目的就是根据莫尔库仑破坏准则测定土的强度参数：凝聚力和内摩擦角。通常是用34个圆柱形试样，分别在不同

28、的恒定周围压力下，施加轴向压力，进行剪切至破坏；然后根据莫尔库仑理论，求得抗剪强度参数。土的抗剪强度是土体抗破坏的极限能力。当土体内的剪应力达到土体的抗剪强度，必然引起土体的破坏，因此，如何确定土体的强度就很重要。土的强度受许多因素影响，如土的类型、密度、含水率及受力条件、应力历史等。试验原理三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法。目的就是根一般认为：土体的破坏条件用莫尔库仑（Mohr-Coulomb）破坏准则表示比较符合实际情况。根据莫尔库仑破坏准则，土体在各向主应力的作用下，作用在某一应力面上的剪应力与法向应力之比达到某一比值（即土的内摩擦角正切值），土体就将沿该面发生剪切破坏，而与作用

29、的各向主应力的大小无关。莫尔库仑破坏准则的表达式为：式中：1 、3 大、小主应力（kPa）； c 土的凝聚力（kPa）； 土的内摩擦角（）。一般认为：土体的破坏条件用莫尔库仑（Mohr-Coulo根据破坏时的大主应力与小主应力分别绘制莫尔圆、各莫尔圆的公切线就是剪应力与法向应力的关系曲线，通常以近似的直线表示，其倾角为 ，在纵轴上的截距为，剪应力与法向应力的关系用库仑方程表示： 式中： 、分别为作用在破坏面上的剪应力与法向应力。 根据破坏时的大主应力与小主应力分别绘制莫尔圆、各莫尔圆的公切土体是由固体颗粒及其孔隙内的水（或水和气体）所组成的，土体受荷重后，其中剪应力由固体颗粒骨架所承受，而任何

30、面上的法向应力为固结颗粒骨架和孔隙水或气体所承受即，称有效应力，称孔隙压力。土的抗剪强度主要取决于有效应力的大小，故上式可写成土体是由固体颗粒及其孔隙内的水（或水和气体）所组成的，土体受试验方法根据排水条件不同，三轴压缩试验可分为：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），以适用不同工程条件而进行强度指标的测定。试验方法根据排水条件不同，三轴压缩试验可分为：不固结不排水试不固结不排水试验本试验是对试样施加周围压力后，即施加轴向压力，使试样在不固结不排水条件下剪切，该方法适用的条件是土体受力而孔隙压力不消散的情况，当建筑物施工速度快，土的渗透系数较低，而排水条件又差

31、时，为考虑施工期的稳定，可采用UU试验。对于天然地层的饱和粘土，用这种方法所测定的，所以在总应力的稳定分析中采用的分析法。对非饱和土，如压实填土、未饱和的天然地层，这种土的强度是随增加而增加，当增加到一定值，空气逐渐溶解于水而达到饱和时，强度不再增加。强度包线并非直线，因此，用总应力方法分析时，应按规定的压力范围选用、。如非饱和的天然地层预计施工期可能有雨水渗入或地下水位上升，会使试样饱和，则试样应在试验前予以饱和。不固结不排水试验本试验是对试样施加周围压力后，即施加轴向压力固结不排水试验本试验是使试样先在某一周围压力作用下排水固结，然后在保持不排水的条件下，增加轴向压力直至破坏。在固结不排水

32、试验中不测孔隙压力时，求得总应力强度参数、，可作为总应力分析的强度指标。若测得土体破坏时的孔隙压力，则可求得土的有效强度参数、，以便进行土体稳定的有效应力分析。该方法相当于地基或土工建筑物建成后，本身已基本固结，但考虑到使用期间荷载的突然增加或水位骤降引起土体自重的骤增，或当土层较薄，渗透性较大，施工速度较慢的竣工工程以及先施加垂直荷载，而后施加水平荷载的建筑物地基（例如挡土墙，船坞、船闸等挡水建筑物）。 正常固结粘土的不排水强度与土层固结压力的比值，对某种土来讲是一常数。因此，正常固结粘土的不排水强度的参数也可用表示。在稳定分析中可直接用代替，在地基加固工程中，如知道土层固结压力，即可估算天

33、然土层的强度。固结不排水试验本试验是使试样先在某一周围压力作用下排水固结，固结排水试验本试验是使试样先在某一周围压力作用下排水固结，然后在排水条件下缓缓增加轴向压力直至破坏，主要是为了求得土的有效强度参数。排水试验所需时间较长，实用中常用C 、代替Cd、d。实际上两种指标，严格来说是有区别的，前者在不排水条件下施加轴向压力的过程中测量孔隙压力，试样体积保持不变，而后者在剪切过程中，试样排水而导致体积变化，所以两者的应力应变关系是不会相同的，为此，应用有限元计算土工问题时，为了模拟实际工程的排水条件，需用固结排水试验成果。此法可用于研究砂土地基的承载力或稳定性，也可用于研究粘土地基的长期稳定问题

34、。实践证明，用应力控制式三轴仪作固结排水试验比用应变控制式三轴仪简便。除求得Cd、d 外，还能用于测定变形指标。固结排水试验本试验是使试样先在某一周围压力作用下排水固结，然试验仪器及试验步骤常用的三轴仪依施加轴向荷载的方式不同，可分的应变控制式和应力控制式两类。（a）应变式控制三轴仪试验仪器及试验步骤常用的三轴仪依施加轴向荷载的方式不同，可分（b）应力控制式三轴仪装置土的力学性质指标及其室内测定课件三轴仪由轴向加压系统、压力室、周围压力系统、孔隙压力测量系统和试样变形量测系统等组成。附属设备有击实筒、饱和器、切土盘（切土器和切土架）、分样器、承膜筒等。1）轴向加压系统即三轴试验机，通常由电动马

35、达和变速箱进行传动的螺旋千斤顶、通过仪器台架上的固定横梁的反作用，将荷载直接加到贯通压力室的顶盖活塞杆上，最后施加于试样上。轴向压力的大小反映在横梁下的测力计上。2）压力室是安装试样并使周围压力和轴向荷载作用下试样的重要部分。压力室由金属上盖、有机玻璃筒和底座组成。用拉杆加以连接构成一体。上盖中央有不锈钢活塞传递轴向压力。3）周围压力系统和反压力系统即液压或气压稳定装置，要求对所施加的周围压力和反压力能长期恒压，以保证试样在固结和剪切过程中，周围压力不变。 三轴仪由轴向加压系统、压力室、周围压力系统、孔隙压力测量系统4）孔隙压力量测装置，量测孔隙水压力较理想的是通过零位指示器，用调压筒在压力表

36、上反映，由于限制用水银，目前多数采用压力传感器加测量箱显示。关于孔隙水压力量测系统除不能残留气泡外，还应有一定的灵敏度，测量时应基本上不允许孔隙水流动，试样内孔隙水的流动会导致两种不良后果，一是不能准确地测定孔隙水压力数值，这种影响对低压缩性的土显得特别重要。另一是在透水性低的土中会产生严重的时间滞后现象，使得孔隙水压力数值难以稳定。为此，无论用零位指示器或者用压力传感器进行测量时，都要求有较小的体积因数。对毛管直径为1mm的零位指示器，孔隙压力系统加压至500kPa时，毛细管内水银面上升要求小于9mm，这一数值与英国帝国学院、挪威土工所、美国垦务局等使用的仪器的体积因数基本一致。对于孔隙压力

37、系统采用的传感器，要求体积因数小、线性误差和重复性误差小，时漂要满足试验要求。体积因数可用内管为毛细管的体变管与传感器连接后施加压力，测得压力与体变的关系曲线，可求出传感器的体积因数。4）孔隙压力量测装置，量测孔隙水压力较理想的是通过零位指示器5）变形量测装置：轴向变形的量测通常采用固定在活塞顶端或量力环下端的百分表量测。试样体积变化量的测定对确定固结和剪切过程中，试样改变后真实断面积有直接关系。虽然在实用中按等应变原理间接推算固结后的高度和面积，计算体积变化，但试验中应尽量直接测定，减少误差。目前常用的是体变管，最简单的是量管，而更可靠的应该是用内外两管的体变管。管内装中性油，当压力水流经体

38、变管时，推动油与水，使其分界面发生变动，即可测出试样的体积变化。 5）变形量测装置：轴向变形的量测通常采用固定在活塞顶端或量力试验步骤1）试验前检查（1）周围压力控制系统和反压力控制系统的仪表的误差应小于全量程的1%，采用传感器时，其误差应小于全量程的0.5%。根据试样强度的大小，选用不同量程的测力计或传感器，最大轴向压力的准确度不小于1%。（2）孔隙压力量测系统的气泡应排除，其方法是量测系统中充以无气水，并施加压力，小心打开孔隙压力阀，让管路中的气泡从压力室底座排出。应反复几次，直至气泡完全冲出为止。（3）排水管路应通畅，各连接处应无漏水漏气现象。压力室活塞在轴套内应能自动滑动。俟仪器检查完

39、毕，关闭周围压力阀、孔隙压力阀和排水阀，以备使用。试验步骤1）试验前检查2）试样制备和饱和三轴试验采用的试样最小直径为mm，最大直径为mm，试样高度为试样直径的2 2.5倍，试样的最大粒径可参照下表。对于有裂缝、软弱面和构造面的试样，直径宜大于60mm。试样的最大允许粒径试样直径 （mm）允许最大粒径100试样直径的1/10100试样直径的1/52）试样制备和饱和试样直径 （mm）允许最大粒径100试（1）原状试样的制备对于较软的土样，先用钢丝锯或切土刀切取一稍大于规定尺寸的土柱，放在切土盘上下圆盘之间，用钢丝锯或切土刀紧靠侧板，由上往下细心切削，边切削边转动圆盘，直至土样被削成规定的直径为止

40、。切削时应避免扰动，当试样表面遇有砾石或凹坑时，允许用削下的余土填补。对较硬的土样，先用切土刀切取一稍大于规定尺寸的土柱，放在切土架上，用切土器切削土样，边削边压切土器，直到切削到比要求的试样高度约高2cm为止。取出试样，按规定的高度将两端削平、称量。并取余土测定试样的含水率。试样的两端面应平整，互相平行，侧面垂直，上下均匀。（1）原状试样的制备(2)扰动土试样制备应根据设计预定的干密度和含水率备样后，在击样器内分层击实，各层土样数量应相等，各层接触面应刨毛，击完最后一层，将击样器内的试样两端整平，取出试样称量。然后量测试样的高度和直径，试样的平均直径可按下式计算： 式中：D1、D2、D3分别

41、为试样上、中、下部位的直径。(2)扰动土试样制备（3）砂类土试样制备应先在压力室底座依次放上透水板、橡皮膜和对开圆模。根据试验要求的干密度和试样体积，称取所需的砂样，分三等分，在水中煮沸，冷却后待用。在模内注入纯水至试样高度的三分之一，将煮沸冷却后的一份砂样按预定的干密度填入橡皮膜内，填至该层要求的高度。然后继续注入纯水至试样高度的三分之二，再装第二份砂样。如此继续装样直至模内装满为止。如果要求的干密度较大时，在填砂过程中，轻轻敲打对开圆模，使所称的砂样填满规定的体积。整平砂面，放上透水板、试样帽、扎紧橡皮膜。对试样内部施加5kPa负压力，使试样能站立，拆除对开圆模。 注：对含有细粒土或要求高

42、密度的试样，可采用干砂制备，用水头饱和或反压力饱和。 （3）砂类土试样制备（4）试样饱和可采用以下方法抽气饱和：将试样装入饱和器内，放入真空缸内，真空缸与抽气机接通，进行抽气。当真空度接近一个大气压力后，应继续抽气，抽气时间对粉质土大于0.5h，粘质土大于1h，坚硬的粘质土可大于2h。然后向真空缸注入清水，试样在水中静止10h以上，取出试验。水头饱和：将试样装入压力室内，试样周围不贴滤纸条，可施加20kPa的周围压力，提高试样底部量管的水位、降低试样顶部量管的水位，使两管水位差在1m左右，打开所有阀门，使纯水从底部进入试样，从顶部溢出，直至流入水量和溢出水量相等为止。当需要提高试样的饱和度时，

43、宜在水头饱和前，从底部将二氧化碳气体通入试样，置换孔隙中的空气，二氧化碳的压力以510kPa为宜。然后再进行水头饱和。 （4）试样饱和可采用以下方法反压力饱和：反压力的作用可以使试样达到完全饱和状态。目前国内外已把试样施加反压力作为一种常用的饱和方法。关于反压力在什么时候施加，有的认为在固结前施加，有的认为在固结后施加，一般认为固结前施加较好。反压力应分级施加，并分级施加周围压力，以尽量减少对试样的扰动。在施加反压力的过程中，周围压力宜略大于反压力，以防止试样可能因膨胀而破坏结构，该差值在施加反压力的整个过程中应保持常数。在操作时，先调周围压力至50kPa，将反压力调至30kPa，同时打开周围

44、压力阀和反压力阀，再缓缓打开孔隙压力阀，待孔隙压力稳定后，测记孔隙压力和体变管读数，再施加下一级周围压力和反压力，算出本级周围压力下的孔隙压力增量，并与周围压力增量相比，如1，则表示试样尚未饱和，此时关闭所有阀门，继续按上述步骤施加下一级周围压力和反压力。当试样在某级压力下达到=1时，保持反压力不变，增大周围压力，若试样内增加的孔隙压力等于周围压力的增量，表明试样完全饱和。反压力饱和：反压力的作用可以使试样达到完全饱和状态。目前国内不固结不排水试样安装和剪切（1）在压力室底座上依次放上不透水板、试样、不透水板和试样帽，在试样外套上橡皮膜，并将橡皮膜两端与底座及试样帽用橡皮圈扎紧。放上压力罩，将

45、活塞对准试样中心，并均匀地拧紧底座连接螺母。向压力室内注满纯水，拧紧排气孔，并将活塞对淮测力计和试样顶部。（2）施加周围压力，其大小应与工程实际荷载相适应。（3）转动手轮并转动活塞，当测力计有微读数时，表示活塞与试样帽接触，将测力计和轴向位移计读数调至零位。（4）选择剪切应变速率，每分钟应变0.51.0%为宜。启动马达，合上离合器，开始剪切。试样每产生0.30.4%的轴向应变（或0.2mm变形量）测记一次测力计和轴向变形值。当测力计读数出现峰值时，剪切应继续进行到轴向应变为15%20%。（5）试验结束，关电动机，关周围压力阀，打开排气孔，排除压力室内的水，拆除试样，称量、测定试样含水率。 不固

46、结不排水试样安装和剪切（1）在压力室底座上依次放上不透水固结不排水试样安装、固结和剪切（1）开孔隙压力阀和量管阀，使压力室底座充水排气，并关阀。在底座上依次放上透水板、湿滤纸、试样、湿滤纸和透水板，在试样周围贴上滤纸条，并套上橡皮膜，将橡皮膜下端扎紧在底座上。打开孔隙压力阀和量管阀，使水缓慢地从试样底部流入，排除试样与橡皮膜之间的气泡，关孔隙压力阀和量管阀。打开排水阀，使试样帽充水，放在透水板上，将橡皮膜与试样帽扎紧，降低排水管，吸除试样与橡皮膜之间的余水，关排水阀。加上压力罩、充水、调整测力计读数与不固结不排水试验相同。（2）调整排水管水面与试样高度的中心齐平，测记水面初读数。开孔隙压力阀，

47、使孔隙压力等于大气压力，关阀，记下初读数。需要施加反压力时，按前面所述进行。固结不排水试样安装、固结和剪切（1）开孔隙压力阀和量管阀，使（3）将孔隙压力调至接近周围压力值，施加周围压力后，打开孔隙压力阀，待孔压稳定后，测记孔隙压力值。打开排水阀和孔隙压力阀，直至孔隙压力消散至95%以上。固结完成后，关排水阀，测记孔隙压力和排水量。（4）转动手轮，并转动活塞，使活塞与测力计接触，测读轴向变形值。将测力计调至零位。（5）选择剪切应变速率，粘土每分钟应变0.05%0.1%；粉土每分钟应变0.1%0.5%为宜。启闭马达，合上离合器，开始剪切，过程中按一定变形量测记测力计、轴向变形和孔隙水压力，剪切至轴

48、向变形量达15%20%停止试验，关电动机，关各阀门，拆样、称量，测定试样含水率。（3）将孔隙压力调至接近周围压力值，施加周围压力后，打开孔隙固结排水试样安装、固结和剪切试样的安装、固结与固结不排水试验相同，但剪切过程中应将排水阀门打开，剪切速率采用每分钟应变0.003%0.012%。固结排水试样安装、固结和剪切试样的安装、固结与固结不排水试验计算及成果整理1）试样固结后的高度、面积、体积及剪切时的面积可按表7.4.2中的公式计算。 高度、面积、体积计算表 项目 起始 固结后 剪切时校正值 按实测固结下沉等应变简化式试样高度(cm)h0hc=h0-h hc=h0(1-V/V0)1/3试样面积(c

49、m2)A0A0=A0(1-V/V0)2/3 Aa=A0/(1-0.011)(不固结不排水剪、固结不排水剪)A0（VcVi）/(hc-hi)（固结排水剪）试样体积（cm3）V0Vc=hcAc 表中：h固结下沉量（cm）； V 固结排水量（ml）； Vi排水试验中剪切时的试样体积变化（ml）； 1 轴向应变，%。（不固结不排水试验；固结不排水和固结排水试验）； h i 剪切时试样的轴向变形（cm）。计算及成果整理1）试样固结后的高度、面积、体积及剪切时的面积2）主应力差（ ）的计算：式中： 大主应力（kPa）； 3小主应力（kPa）； C测力计率定系数（N/0.01mm或N/mv）； R测力计读数

50、（0.01mm或mv）； A 试样剪切时的校正面积（cm2）； 10单位换算系数。2）主应力差（ ）的计算：3）有效主应力比的计算 式中： 有效大主应力（kPa）； 有效小主应力（kPa）； 孔隙水压力（kPa）。3）有效主应力比的计算4）孔隙水压力系数的计算 式中：B初始孔隙水压力系数； u0施加周围压力后产生的孔隙水压力（kPa）； Af破坏时的孔隙水压力系数； ui试样破坏时，主应力差产生的孔隙水压力（kPa）。4）孔隙水压力系数的计算5）根据需要分别绘制主应力差与轴向应变的关系曲线、有效主应力比与轴向应变的关系曲线、孔隙水压力与轴向应变的关系曲线、用 与 作坐标的应力路径关系曲线。主应力差与轴向应变的关系曲线 5）根据需要分别绘制主应力差与轴向应变的关系曲线、有效主应力有效主应力比与轴向应变的关系曲线 土的力学性质指标及其室内测定课件孔隙水压力与轴向应变的关系曲线土的力学性质指标及其室内测定课件应力路径关系曲线土