第25卷第6期后 勤 工 程 学 院 学 报V o l.25N o.6 2009年11月J O U R N A LO FL O G I S T I C A LE N G I N E E R I N GU N I V E R S I T Y N o v.2009 文章编号:1672-7843(2009)06-0006-05
重塑非饱和含粘砂土变形强度特性的三轴试验
张 磊,苗强强,陈正汉,黄雪峰
(后勤工程学院军事建筑工程系,重庆401311)
摘 要 利用多功能土工三轴仪探讨了非饱和含粘砂土的变形和强度特性,共进行3种应力路径的三轴试验:控制吸力的各向同性压缩试验、控制净平均应力的三轴收缩试
验、控制吸力和净围压为常数的三轴排水剪切试验。研究结果表明:该土的屈服净平均应
力和偏应力都随吸力增大;在净平均应力不变的条件下,该土的屈服吸力是一常数但不等
于土样在历史上曾受过的最大吸力;随着净围压增大,其应力-应变曲线由软化向硬化型
转变;在高吸力高围压下,呈现脆性破坏。控制吸力和净围压为常数的三轴排水剪切试验
在p-q平面内的强度包络线为直线;在试验研究的吸力范围(50～200k P a)内,该土的粘
聚力随吸力线性增加;内摩擦角随吸力的变化很小,可以认为是一常数;该土具有显著的
剪胀特性,剪胀性不仅取决于干密度与围压,而且还与吸力密切相关。
关键词 非饱和土;吸力;应力路径;强度;剪胀
中图分类号:T U41文献标识码:A
T r i a x i a l T e s t o f D e f o r m a t i o n a n d S t r e n g t h C h a n g e o f a R e m o l d e d U n s a t u r a t e d S a n d
Z H A N GL e i,M I A OQ i a n g-q i a n g,C H E NZ h e n g-h a n,H U A N GX u e-f e n g
(D e p t.o f A r c h i t e c t u r e＆C i v i l E n g i n e e r i n g,L E U,C h o n g q i n g401311,C h i n a)
A B S T R A C T Wi t h t r i a x i a l a p p a r a t u s f o r u n s a t u r a t e d s o i l,t h e d e f o r m a t i o n a n ds t r e n g t hp r o p e r t i e s o f r e m o l d e du n s a t u r a t e d s a n da r e d i s c u s s e d.T h r e e t y p e s o f s t r e s s p a t h t e s t s u s i n g m o d i f i e d t r i a x i a l a p p a r a t u s a r e c o n d u c t e d:a ni s o t r o p i c c o m p r e s s i o n t e s t w i t hc o n t r o l l e ds u c t i o n,a t r i a x i a l s h r i n k a g e t e s t w i t hc o n t r o l l e dn e t m e a ns t r e s s a n dat r i a x i a l d r a i n e ds h e a r t e s t w i t hc o n t r o l l e d s u c t i o n a n dn e t c e l l p r e s s u r e.T h e r e s e a r c hs h o w s t h a t t h e n e t m e a ny i e l ds t r e s s a n dd e v i a t o r i c y i e l d s t r e s s i n c r e a s e w i t h s u c t i o n, a n d t h e y i e l d s u c t i o n i s n o t e q u a l t o t h em a x i m u ms u c t i o n e x p e r i e n c e d b yt h e s o i l s p e c i m e nu n d e r c o n s t a n t n e t m e a ns t r e s s.T h e s t r e s s-s t r a i nc u r v e s o f u n d i s t u r b e d s a n d w i l l c h a n g e f r o ms t r a i n s o f t e n i n g t o s t r a i nh a r d e n i n g w i t h t h e i n c r e a s e o f c o n s o l i d a t i o nc e l l p r e s s u r e.B r i t t l e s d e s t r o y w i l l h a p p e nw i t h h i g hs u c t i o na n d h i g hc e l l p r e s s u r e.S t r e n g t h e n v e l o p e s i n p-q p l a n eo f t e s t w i t hc o n-t r o l l e ds u c t i o na n d w i t h c o n t r o l l e di n i t i a l w a t e r c o n t e n t s i s a l i n e.T h e c o h e s i o no f u n s a t u r a t e d s a n d h a s a l i n e a r i n c r e a s e w i t ht h e i n c r e a s e o f s u c t i o nw i t h i nr e s e a r c hs u c t i o nr a n g e(50～200k P a),b u t t h e f r i c t i o na n g l e i s f o u n dt oh a v el i t t l ec h a n g ew i t ht h e c h a n g e o f s u c t i o n.T h e s w e l l-s h r i n k i n go f u n s a t u r a t e ds a n di s d i s t i n c t.I t n o t o n l yd e p e n d s o nt h ed r yd e n s i t y a n dt h e c o n f i n i n g p r e s s u r e s,b u t a l s o r e l a t e s t o t h e s u c t i o nc l o s e l y.
K e y w o r d s u n s a t u r a t e ds a n d;s u c t i o n;s t r e s s p a t h;s t r e n g t h;s w e l l-s h r i n k i n g
路基土大都处于非饱和状态,其变形强度受气候变化(主要指水分迁移,即降雨入渗、蒸发干燥)影响很大,可能产生不可忽视的沉降及水平位移,是引起路面不均匀沉降以至开裂的主要因素。随着我国经济的发展,工程建设规模不断扩大,各地的高速公路建设日新月异,因此面临的非饱和土问题越来越多。以往对路基土的变形和稳定性问题按饱和土处理,漠视了其三相性,不能反映吸力的影响;对砂土
收稿日期:2009-06-11
作者简介:张 磊,男,硕士生,主要从事非饱和土研究。
主要从应力路径、密度和压力[1]
等方面进行研究,忽视了吸力对其变形和强度的贡献。
近年来,非饱和土力学取得长足发展,其理论和方法为研究土的工程特性和变形稳定提供了新途
径。如陈正汉等
[2-3]
采用非饱和土的观点和方法探讨重塑黄土的变形、强度、屈服、水量变化特性,取得
了大量资料,说明吸力对非饱和土的变形、强度、屈服和水量变化都有显著的影响。但对于砂土,尤其是含粘砂土,尚未见有考虑吸力对其变形强度特性影响的研究。因此,对非饱和含粘砂土的力学性质等进行深入研究显得非常迫切,同时也具有较大的工程实用价值。
本文以广(州)佛(山)高速路基非饱和含粘砂土为研究对象,研究其在三轴排水剪切过程中的变形和强度特性,并探讨吸力对其力学性质的影响。
1 研究方案
试验用土采用广(州)佛(山)高速扩建工程路基填土。击实试验测得该土最大干密度为1.97g /c m 3
,最优含水率为13.5%。试验干密度采用压实度为94%[4]
,即干密度等于1.85g /c m 3
。试样物理力学指
标见表1。
表1 砂土试验的物理力学指标
干密度ρd
/g ·c m -3含水率w /%
孔隙比e 饱和度S r
/%1.85
14.5
0.443
87.34
试验设备采用后勤工程学院研制的多功能土工三轴仪器[5-6]
。该仪器采用模块结构,可作饱和土、
非饱和土、特殊土30多种试验。
共作了3种应力路径的三轴排水剪切试验:①3个吸力(s =u a -u w )等于常数,净平均应力(p =(σ1+2σ3-3u a )/3)增大的各向同性压缩试验。控制吸力分别为50,100,200k P a ,净平均应力分级施加,试验终止时的净平均应力依次为350,350,200k P a 。②3个净平均应力等于常数,吸力增大的三轴收缩试验。控制净平均应力分别为25,50,100k P a ,吸力分级施加,试验终止时的吸力依次为350,350,300k P a 。③净室压力(p =σ3-u a )和吸力都控制为常数的三轴排水剪切试验。控制净室压力分别为100,200,300k P a ,吸力分别控制为0,50,100,200k P a 。在排水剪切试验中,孔隙水压力等于0k P a ,因而试验时只需控制总室压力和气压力为常数即可。这样,共做了18个三轴排水剪切试验。前两种试验和剪切试验的固结阶段稳定的标准是体变在2h 内不超过0.0063c m 3
,并且排水量在2h 内不超过0.012c m 3
;三轴剪切试验的剪切速率为0.0066m m /m i n 。
2 试验结果分析
2.1 非饱和含粘砂土在p -s 平面上的屈服特性
各向同性压缩试验和三轴收缩试验的体变和排水量的量测值可在试验过程中直接读出;另一方面,由试样的初始含水量和最终含水量之差,可以算出试样的实际排水量。根据算得的实际排水量对量测值进行校正,相关数据列于表2。
表2 体变、排水量的量测与校正值比较
试验条件
排水量
实测/c m 3
校正/c m
3
误差/%
体变/c m
3
控制吸力的各向同性压缩试验吸力/k P a 501.51.5961.8441001.471.544.51.7652001.3561.413.982.65控制净平均应力的三轴收缩试验净平均应力/k P a
253.293.382.83.1503.023.143.835.69100
2.8
2.94
4.92
7.33
由表2可以看出,三轴收缩试验的体变和排水量比各向同性压缩试验的体变和排水量高出1倍左右。
7
第6期 张 磊等 重塑非饱和含粘砂土变形强度特性的三轴试验
图1 控制吸力的各向同性压缩试验
的v -l o g p 关系曲线
图1是控制吸力的各向同性压缩试验的v -l o g p 关系图。同一试样的试验点近似位于两条相交的直线段上,两直线的交点可作为屈服点,屈服点的净平均应力就是屈服应力。由此确定的不同吸力下的屈服应力列于表3。可见,随吸力提高,屈服应力增大。把屈服点绘在p -s 平面上,连接这些屈服点得到的曲线称为L C 曲线。L C 曲线与p 轴的交点就是饱和土的屈服应力,也是L C 曲线的下限。
荷载增大不仅能使土屈服,而且吸力增加也能使土屈服。因此描述非饱和土的体变屈服性状,在p -s 平面上需要两条屈服线:加载湿陷屈服线
[7]
(L C )和吸力增加屈服线(S I ),这两条曲
线与坐标轴包围的区域是弹性区。位于弹性区的应力点在吸力增加达到S I 曲线时土就发生屈服。
表3 与控制吸力的各向同性压缩试验相关的土性参数
吸力/k P a
屈服应力/k P a
压缩性指标λ(s )
水量变化指标
501140.01841.81001380.01561.7200
151
0.0175
1.4
针对吸力增加屈服,A L O N S O 及陈正汉等提出了不同的屈服条件。
A L O N S O 等[7]
提出的吸力增加屈服条件是:
s =s 0=
c o n s t ,(1)
式中:s 0是土在历史上曾经受到的最大吸力。
陈正汉等[2]
提出的修正吸力增加屈服条件是: s =s y =
c o n s t ,(2)
式中:s y 是屈服吸力,可由净总应力等于0的常规收缩试验确定。
图2是本次研究的控制净平均应力的三轴收缩试验的v -l o g s 关系图。与图1相似,同一试样的试验点近似位于两相交的直线段上,由此确定的屈服吸力列于表4。
表4 与控制净平均应力的三轴收缩试验相关的土性参数
净平均应力/k P a 屈服应力/k P a 压缩性指标λ(p )
水量变化指标
251250.184.0683501260.153.3964100
131
0.19
3.5712
由交点确定的相应与净平均应力等于25,50,100k P a 的屈服吸力很接近,约为127k P a ,大于试样曾受到的最大吸力(s =45k P a )。可见,A L O N S O 等人提出的吸力增加屈服条件(式(1))并不符合本文研究的非饱和含粘砂土的实际情况,而陈正汉等提出的修正吸力增加的屈服条件(式(2))对该土比较适用
。
图3即为由控制吸力的各向同性压缩试验和控制净平均应力的三轴收缩试验确定的加载湿陷屈服线和吸力增加屈服线。由s y ≥s 0,可知新的屈服条件扩大了弹性区的范围。
收缩性指标和水量变化指标如表3和表4所示,求解方法参见文献[1]。
8
后 勤 工 程 学 院 学 报 2009年
2.2 控制吸力和净围压为常数的三轴排水剪切试验结果分析2.2.1 应力-应变曲线及剪胀特性
重塑非饱和含粘砂土的偏应力-轴向应变和体积应变-轴向应变关系曲线分别如图4和图5所示。
以往研究表明:对于松砂,其应力–应变关系曲线基本是应变硬化型;对于密砂,其应力-应变关系曲线是应变软化型。对于非饱和含粘砂土,由图4可见,在低吸力、低围压情况下,随着净围压增大,其应力-应变曲线由应变软化向硬化型转变。在高吸力、围压增加到300k P a 时,出现脆性破坏。
由图4可以看出,非饱和土抗剪强度高于饱和土抗剪强度;随吸力的增大,抗剪强度明显增大。相同吸力条件下,随净围压增大,抗剪强度也明显增大。
对于砂土而言,剪胀性与砂土的密实度和围压密切相关。由图5(a )可以看出,在较低吸力(s =50k P a )情况下,曲线可分为3段:体积随应变减小段;体积随应变基本不变段;体积随应变增大段。试样呈明显的剪缩特性,随着围压增大,剪缩性增强。曲线后部体积变化随应变增大,但剪胀不是很明显,对比应力-应变曲线分析,变化点大概为试样应力峰值对应的应变点,可认为是试验屈服破坏后体积发生剪胀。
比较图5(b )、(c )与(a )可知,吸力增大,剪胀性明显增强。总体比较,随σ3的升高,剪胀开始时的轴向应变减小,剪胀性减小。
9
第6期 张 磊等 重塑非饱和含粘砂土变形强度特性的三轴试验
2.2.2 强度特性
针对不同的破坏形式选用相应的破坏标准。对塑性破坏,取轴应变εa =15%时的应力为破坏应力;对脆性破坏,取(σ1-σ3)-εa
曲线上的峰值点对应的应力为破坏应力。9个三轴剪切试验的破坏应力及强度参数列于表5中。
表5 砂土的强度参数
s /k P a 净围压/k P a
q f /k P a p f /k P a ξ/k P a
t a n
c /k P a
φ′/(°)
50
100
385.74228.58200579.93393.31300802.73567.58113.24
1.189
54.43
29.75
100
100
490.36263.45200703.52434.51300872.68590.89186.7
1.169
89.58
29.29
200
100
599.16299.72200798.94466.31300
955.75
618.58
267.89
1.120
128.03
28.15
强度参数可由p -q 平面内的强度包络线求得,由图6可以得到,吸力相同的一组试验点落在一条直线上,可用下式表达:
q f =ξ+p f
t a n ,(3)
式中:ξ和t a n 分别是直线的截距和斜率,用最小二乘法确定。土的有效内摩擦角从下式求得:
s i n φ′=3t a n /(6+t a n )。
(
4)
由表5可见,在试验的吸力范围内,对同一个干密度试验,φ′变化不大,与饱和土的有效内摩擦角相当接近。土的粘聚力c 由下式给出:
c =3-s i n φ′
6c o s φ′
ξ′。
(5)由式(4)、(5)可计算出土的粘聚力c ,其值列于表5中。从表5中可以看出,控制吸力试验的粘聚
力c 随吸力增大而增大,而内摩擦角几乎没有变化,相应的关系如图7所示。
图7表明试样的c -s 关系可近似看做线性的。采用F R E D L U N D 等
[8]
提出的非饱和土抗剪强度理
论公式:
τf =c ′+(σ-u a )t a n φ′+(u a -u w )
t a n φb
,(6)
式中:c ′和φ′为饱和土的抗剪强度指标;σ-u a 是净竖向应力;u a -u w 为吸力;φb
表示抗剪强度随吸力而增加的速率。
3 结 论
1)控制吸力的各向同性压缩试验和控制净平均应力的三轴收缩试验结果表明:屈服净平均应力和偏应力随吸力的提高而增大;吸力增加屈服所需要的吸力是一常数但不等于土在历史上曾受过的最大吸力;初步验证了陈正汉等建议的吸力增加屈服条件。(下转第41页)
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后 勤 工 程 学 院 学 报 2009年
优化后结果和原设计参数的比较。
表1 优化后结果和原设计参数的比较
设计参数B x /m m B y /m m C x 0/m m C y 0/m m 起竖角β从19.5°～65°调转时间■t /s 最大角速度
ω′3/(°)·s -1最大角加速度ε′3/(
°)·s -2
丝杆所需顶
升力R 23/k
N 原设计参数1300-250321645166.252.05300优化后参数
1223
-280
2988
50
18
6.03
2.25
240
通过比较,优化后顶升机构所需顶升力比原设计所需顶升力减少20%,大大降低了起竖机构对输
入动力的需求,更好地适应了产品的需要。
4 结 语
选取顶升机构所需顶升力最小作为目标函数,取顶升机构的位置坐标为设计变量,选取起竖机构的几何结构,起竖平台的调转时间、起竖速度、加速度等作为约束条件,基于M a t l a b 工具箱的计算方法,对车载式平台起竖执行机构进行了优化设计。结果表明,该方法在满足产品预定功能的前提下,可以明显减小顶升机构所需驱动力;该方法对于提高设计效率,降低产品成本等具有重要意义,也可应用于其他相关机械的优化设计。
参考文献
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(上接第10页)
2)重塑非饱和含粘砂土的应力-应变曲线随着净围压增大由软化向硬化型转变,在高吸力高围压情况下,呈现脆性破坏。
3)控制吸力和净围压的三轴排水剪切试验在p -q 平面内的强度包络线为直线;在试验研究的吸力范围(50～200k P a )内,重塑非饱和含粘砂土的粘聚力随吸力线性增加;内摩擦角随吸力的变化很小,可以认为是一常数。4)重塑非饱和含粘砂土胀缩特性不仅取决于干密度及围压,而且还与吸力密切相关。随吸力增大剪胀特性增强;随σ3的升高,剪胀性减小。
参考文献
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41
第6期 明 勇等 基于M a t l a b 的车载式起竖机构优化设计
第八章组合变形构件的强度习题 一、填空题 1、两种或两种以上基本变形同时发生在一个杆上的变形,称为（）变形。 二、计算题 1、如图所示的手摇绞车，最大起重量Q=788N，卷筒直径D=36cm,两轴承间的距离l=80cm,轴的许用应力[]σ=80Mpa。试按第三强度理论设计轴的直径d。 2、图示手摇铰车的最大起重量P=1kN，材料为Q235钢，[σ]=80 MPa。试按第三强度理论选择铰车的轴的直径。 3、图示传动轴AB由电动机带动，轴长L=1.2m,在跨中安装一胶带轮，重G=5kN,半径R=0.6m,胶带紧边张力F1=6kN,松边张力F2=3kN。轴直径d=0.1m，材料许用应力[σ]=50MPa。试按第三强度理论校核轴的强度。 4、如图所示，轴上安装有两个轮子，两轮上分别作用有F=3kN及重物Q，该轴处于
平衡状态。若[σ]=80MPa。试按第四强度理论选定轴的直径d。 5、图示钢质拐轴，AB轴的长度l AB=150mm, BC轴长度l BC=140mm，承受集中载荷F 的作用，许用应力[σ]=160Mpa，若AB轴的抗弯截面系数W z=3000mm3，。试利用第三强度理论，按AB轴的强度条件确定此结构的许可载荷F。(注：写出解题过程) 6、如图所示，由电动机带动的轴上，装有一直径D=1m的皮带轮，皮带紧边张力为2F=5KN，松边张力为F=2.5KN，轮重F P=2KN，已知材料的许用应力[σ]=80Mpa，试按第三强度理论设计轴的直径d。 7、如图所示，有一圆杆AB长为l，横截面直径为d，杆的一端固定，一端自由，在自由端B处固结一圆轮，轮的半径为R，并于轮缘处作用一集中的切向力P。试按第三强度理论建立该圆杆的强度条件。圆杆材料的许用应力为[σ]。
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。 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）。然后经交 点Op 作与OpD 线成α角的直线，交圆于P 图3 三轴试样的应力状态 α σστασσσσσ2sin )(2 1 2cos )(21)(21313131-=-++= 2312231)2 ()2(σστσσσ-=++-
三轴压缩试验简介 三轴压缩试验是测定土抗剪强度的一种较为完善的方法。 三轴压缩仪的突出优点是能较为严格地控制排水条件以及可以量测试件中孔隙水压力的变化。此外，试件中的应力状态也比较明确，破裂面是在最弱处，而不像直接剪切仪那样限定在上下盒之间。 一、实验目的 1、了解实验的设备系统组成。 2、学会三轴实验的土样制作方法和安装方法。 3、掌握了解三轴实验的实验过程和要求。 4、分析实验数据和图形。 二、实验仪器设备 全自动三轴仪由三轴仪主机、围压反压控制器和微机（含土工试验微机数据采集处理系统软件）组成。包含了压力室、轴向加荷系统、施加周围压力系统、孔隙水压力量测系统、软件控制系统等。 三、实验步骤 1、按照规范要求制备不少于3个原状土试样或扰动土试样。 2、称试样质量，并取切下的余土测定其含水量。 3、在压力室底座上依次放上不透水板、试样及不透水试样帽，将橡皮膜用承膜筒套 在试样外，并用橡皮圈将橡皮膜两端与底座及试样帽分别扎紧。 4、将压力室罩顶部活塞提高，安放压力室罩，将活塞对准试样帽顶部中心，旋紧压 力室罩。 5、在微机上启动“土工试验微机数据采集处理系统”软件，在“采集”菜单中选择 三轴试验。 6、输入试验参数。试验编号和土样编号同组保持不变。一般取：试样高度：8.00， 试样直径：.3.91，轴向应变：20，加荷级数：1，采样步长：0.2，试验方法：UU，剪切速率：1，围压：100。 7、在显示屏黄色压力室处点击“开始注水”，向压力室加注纯水，待顶部排气孔 有水溢出时，点击“停止操作”，拧紧排气孔螺旋。 8、在绿色框内点击“开始试验”，仪器首先进行自检，然后施加周围压力，并开始 剪切试验，按语音提示进行。 9、试验完成后，语音提示试验结束，自动卸除围压。点击黄色压力室处“开始抽水”， 待水抽空后，点击“停止操作”，取下压力室罩，取下试样，准备安装下一个试样。 10、以后的试验仅改变“围压”一项，其他参数和试验步骤不便。依次完成3～4个 试样的剪切试验。 四、分析实验图形和曲线
六、三轴压缩实验 （一）实验目的 三轴压缩实验是测定土的抗剪强度的一种方法。堤坝填方、路堑、岸坡等是否稳定，挡土墙和建筑物地基是否能承受一定的荷载，都与土的抗剪强度有密切的关系。 （二）实验原理 土的抗剪强度是土体抵抗破坏的极限能力，即土体在各向主应力的作用下，在某一应力面上的剪应力（τ）与法向应力（σ）之比达到某一比值，土体就将沿该面发生剪切破坏。常规的三轴压缩实验是取4个圆柱体试样，分别在其四周施加不同的周围压力（即小主应力）σ3，随后逐渐增加轴向压力（即大主应力）σ1直至破坏为止。根据破坏时的大主应力与小主应力分别绘制莫尔圆，莫尔圆的切线就是剪应力与法向应力的关系曲线。三轴压缩实验适用于测定粘性土和砂性土的总抗剪强度参数和有效抗剪强度参数，可分为不固结不排水实验（UU ）；固结不排水实验（CU ）和固结排水实验（CD ）。本演示实验进行干砂的固结不排水实验。 （三）实验设备 1．三轴仪：包括轴向加压系统、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。（如附图1所示） 2．其它：击样器、承膜筒等。 （四）实验步骤 1．试样制备：将橡皮膜下端套在压力室的底座上，放置好成样模具，使橡皮膜紧贴模具内侧；称取一定质量的干砂（烘干冷却），使砂分批通过漏斗落入橡皮膜内，如需制备较密实的砂样，用木锤轻击土样至所需密度。 2．试样安装：装上土样帽，给试样施加一定的负压力，拆除成样模具；使传压活塞与土样帽接触。 3．固结实验：进行两个试样的实验，分别施加100、400Kpa 的周围压力，数据采集系统自动采集试样的体积变形数据。 4．剪切实验：采用应变控制方式进行剪切实验，剪切应变速率取每分钟0.1％～0.5％，实验过程数据采集系统自动采集轴向力和体积变形数据，直至轴向应变为10％时为止。 8．实验结束：停机并卸除周围压力，然后拆除试样，描述试样破坏时形状。 （五）实验注意事项 实验前，橡皮膜要检查是否有漏洞。 （六）计算与绘图 1．试样面积剪切时校正值： 01 1a A A ε=- 式中： ε1—轴向应变（％） 2. 绘制每个实验的轴向应变－偏应力关系曲线，及轴向应变－体应变关系曲线。 3．绘制应力圆及强度包线 以法向应力σ为横坐标，剪应力τ为纵坐标。在横坐标上以（σ1f +σ3f ）/2为圆心，（σ1f －σ3f ）/2为半径，绘制破坏应力圆，并确定砂土的内摩擦角'φ。 （七）讨论
§9.1 组合变形概述 前面研究了杆件在拉伸（压缩）、剪切、扭转和弯曲四种基本变形时的强度和刚度问题。但在工程实际中，许多构件受到外力作用时，将同时产生两种或两种以上的基本变形。例如建筑物的边柱，机械工程中的夹紧装置，皮带轮传动轴等。 我们把杆件在外力作用下同时产生两种或两种以上的基本变形称为组合变形。常见的组合变形有： 1.拉伸（压缩）与弯曲的组合； 2.弯曲与扭转的组合； 3.两个互相垂直平面弯曲的组合（斜弯曲）； 4.拉伸（压缩）与扭转的组合。 本章只讨论弯曲与扭转的组合。 处理组合变形问题的基本方法是叠加法，将组合变形分解为基本变形，分别考虑在每一种基本变形情况下产生的应力和变形，然后再叠加起来。组合变形强度计算的步骤一般如下： (1) 外力分析将外力分解或简化为几种基本变形的受力情况； (2) 内力分析分别计算每种基本变形的内力，画出内力图，并确定危险截面的位置； (3) 应力分析在危险截面上根据各种基本变形的应力分布规律，确定出危险点的位置及其应力状态。 (4) 建立强度条件将各基本变形情况下的应力叠加，然后建立强度条件进行计算。 §9.2 弯扭组合变形强度计算 机械中的转轴，通常在弯曲和扭转组合变形下工作。现以电机为例，说明此种组合变形的强度计算。图10-1a所示电机轴，在轴上两轴承中端装有带轮，工作时，电机给轴输入一定转矩，通过带轮的皮带传递给其它设备。带紧边拉力为F T1，松边拉力为F T2，不计带轮自重。
图10-1 (1) 外力分析将作用于带上的拉力向杆的轴线简化，得到一个力和一个力偶，如图10-1(b)，其值分别为 力F使轴在垂直平面内发生弯曲，力偶M1和电机端产生M2的使轴扭转，故轴上产生弯曲和扭转组合变形。 (2) 内力分析画出轴的弯矩图和扭矩图，如图10-1(c)、(d)所示。由图知危险截面为轴上装带轮的位置，其弯矩和扭矩分别为
土三轴压缩试验报告精 选文档 TTMS system office room 【TTMS16H-TTMS2A-TTMS8Q8-
实验六土三轴压缩试验 实验人：学号： （一）、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。 （二）、试验原理 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和UCU?； 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CUCCU?或有效抗剪强度指标和C???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dCd?。 （三）、试验仪器设备 1、三轴剪力仪（分为应力控制式和应变控制式两种）。 应变控制式三轴剪力仪有以下几个组成部分（图8-1）：
图8-1 应变控制式三轴剪切仪 1－调压桶；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－测力环；9－排气孔；10－轴向加压设备；11－压力室；12－量管阀；13－零位指标器；14－孔隙压力表；15－量管；16－孔隙压力阀；17－离合器；18－手轮；19－马达；20－变速箱。 （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。
目录 1概述 2非饱和土基本特性 3应力状态变量 3.1吸力 3.2有效应力 3.3应力状态变量. 4强度理论 4.1Mohr一Coulomb准则 4.2非饱和土的破坏准则 4.3非饱和土抗剪强度公式的讨论 5变形特性
岩土工程中的非饱和土比比皆是，主要是自然干燥土和压实土。在地基工程、边坡工程和洞室工程中尤为常见，因此研究非饱和土的性质实属必要。非饱和土力学涉及的一系列工程，如土坝的建造与运行、环境条件变化情况下的天然土坡、竖直挖方的边坡稳定、膨胀土造成的地面隆起及湿陷性土中的许多实际问题，均要对土的渗流、体变和抗剪强度特性有所了解才能解决。非饱和土是由固相、液相和气相组成的复合介质，其性质远比饱和土复杂。目前对非饱和土的研究还停留在初步阶段，对非饱和土力学涉及的实际问题还缺乏建立在非饱和土三相特性基础之上的严密理论和正确解决方案。非饱和土分布广，并且应用广，但对其特性研究不足的矛盾使得对非饱和土问题的解决成为日益紧迫的研究课题。 1 概述 1936年召开的第一届国际土力学和基础工程会议为建立饱和土力学的原理和公式提供了论坛，这些原理和公式在随后几十年的研究工作中始终起着关键性的作用。在同一会议上讨论了有关非饱和土性状的许多论文，但遗憾的是没有出现适用于非饱和土的类似的原理和公式。随后的岁月非饱和土理论发展缓慢（Fredlund,1979），一直到50年代后期，解释非饱和土性状的若干概念才在英国帝国大学建立起来（Bishop,1959）。 20世纪60年代前，非饱和土力学研究的主要特点是以毛细作用为主要研究内容。在30年代进行大规模城市建设的时候，兴建了大量与城市建设有关的灌溉工程和交通工程，使工程师感到困难的就是地下水位以上土体中水的流动问题。他们使用了毛细作用来描述水从地下水位向上的流动，以后对土中毛细水流动的研究至少长达20年。在1936年的国际会议上，Ostashev 提出了两篇有关土中毛细作用的论文，他指出了土中存在毛细作用；Boulichev 介绍了计算毛细水压力和毛细水高度的方法。Terzaghi 在《理论土力学》中总结和吸收Hogentogle 和Barder 的研究成果，假定土的孔隙率n 和渗透系数k 不变，提出毛细水上升到某个高度z 所需要的时间t ：log nh h z t k h z h ????=- ???-???? 式中：h ——毛细水的最大高度。 这一阶段研究的主要精力都在毛细水，局限性明显，因此研究进展缓慢，所取得的成功有限。 20世纪60年代到80年代末，这一阶段研究的特点是将饱和土力学有关理论借用到非饱和土力学研究中，以Bishop 和Fredlund 为代表。Hogentogle 和Barder 就已经认识到毛细水的应力状态对非饱和土强度的影响，并认为毛细水的流动严格符合公认的表面张力、重力和水力学原理；Bernatizk 也已经观测到水-气弯液面会使土的强度增加，并建议用土的无侧限抗压强度来研究毛细张力；Black 和Crony （1957），Williams （1957），Bishop （1960）等和Aitchison （1967）将饱和土有效应力原理引进非饱和土中，提出非饱和土有效应力的概念，并用其解决非饱和土的强度问题；Coleman （1962），Matyas 和Radhakrishna （1968），以及Fredlund 和Morgenstern （1977）用两个独立的应力状态变量来研究非饱和土的力学性质。这阶段对非饱和土强度问题取得一些公认的结果，对变形问题还处于探索阶段。 20世纪80年代后，对非饱和土的变形进行了更深入地研究。Alonso(1990)和Toll(1990)分别提出了土的弹塑性本构模型；Alonso(1992)根据非饱和土（膨胀土）的变形特性提出了描述膨胀土体积和剪切变形的本构模型；陈正汉（1998）
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
第十二章 组合变形的强度计算 思 考 题 1 何谓组合变形？如何计算组合变形杆件横截面上任一点的应力？ 2 何谓平面弯曲？何谓斜弯曲？二者有何区别？ 3 何谓单向偏心拉伸（压缩）？何谓双向偏心拉伸（压缩）？ 4 将斜弯曲、拉（压）弯组合及偏心拉伸（压缩）分解为基本变形时，如何确定各基本变形下正应力的正负？ 5 对斜弯曲和拉（压）弯组合变形杆进行强度计算时，为何只考虑正应力而不考虑剪应力？ 6 什么叫截面核心？为什么工程中将偏心压力控制在受压杆件的截面核心范围内？ 习 题 1 矩形截面悬臂梁受力如图所示，Ｆ通过截面形心且与ｙ轴成角，已知Ｆ＝1.2ｋN ，ｌ＝２ｍ，5.1, 12==?b h ?，材料的容许正应力［σ］＝10MPa ，试确定ｂ和ｈ的尺寸。 2 承受均布荷载作用的矩形截面简支梁如图所示，ｑ与ｙ轴成?角且通过形心，已知ｌ＝4ｍ，ｂ＝10ｃｍ，ｈ＝15ｃｍ，材料的容许应力［σ］＝10MPa ，试求梁能承受的最大分布荷载m ax q 。 题 1 图 题 2 图 3 如图所示斜梁横截面为正方形，a ＝10ｃｍ，Ｆ＝３ｋＮ作用在梁纵向对称平面内且为铅垂方向，试求斜梁最大拉压应力大小及其位置。
4 矩形截面杆受力如图所示，Ｆ 1和Ｆ2的作用线均与杆的轴线重合，Ｆ3作用在杆的对称平面内，已知Ｆ1＝5ｋN ，Ｆ2＝10ｋN ，Ｆ3.＝1.2ｋN ， ＝2ｍ，ｂ＝12cm ，ｈ=18cm ，试求杆中的最大压应力。 题 3 图 题 4 图 5 图为起重用悬臂式吊车，梁ＡＣ由№18工字钢制成，材料的许用正应力[σ] =100MPa 。当吊起物重（包括小车重）Ｑ＝25ｋＮ，并作用与梁的中点Ｄ时，试校核梁ＡＣ的强度。 6 柱截面为正方形，边长为ａ，顶端受轴向压力Ｆ作用，在右侧中部挖一个槽（如图），槽深4 a 。求开槽前后柱内的最大压应力值。 题 5 图 题 6 图 7 砖墙及其基础截面如图，设在1ｍ长的墙上有偏心力Ｆ＝40kN 的作用，试求截面1-1和2-2上的应力分布图。 8 矩形截面偏心受拉木杆，偏心力Ｆ＝160kN ，ｅ＝5cm ，［σ］＝10MPa ，矩形截面宽度ｂ＝16cm ，试确定木杆的截面高度ｈ
砂土液化动三轴实验报告 、实验目的 通过试验，掌握试样的制备方法、动三轴试验仪的使用方法、动三轴测定土的抗液化强度的基本操作以及试验数据的处理。 二、实验仪器 振动三轴仪，托盘天平，游标卡尺，击实仪等。 三、实验原理振动液化是饱和土在动荷载作用下丧失其原有强度而转变为一种类似液体状态的现象。 在本试验中，借助动三轴仪对已饱和的砂土施加振动荷载，观察并记录土样中孔隙水压力的变化，一旦试验内部的超静孔隙水压力到达试样的围压，则出现液化现象。 如果将地震作用视为由基岩向上传递的剪切波，则当地面近于水平时，在地基内任一水平面上，地震前只有法向应力σ,没有剪应力T错误！未找到引用源。即τ=0;地震时的地震作用将引起一个反复循环作用的剪应力±τ而法向应力仍然保持σ不变。这样我们可以通过动三轴仪试样中45o面上应力的变化来模拟地震时地基中任一水平面上的应力状态。此时，地震前的应力状态就相当于在试样上施加一个均等的固结应力，即σc= σc= σ;在地震期间，可以用在轴向施加轮番增加和减少的动应力也，径向压力保持不变。此时单向激震动三轴的应力条件可视为与地震时的应力条件相等效。 四、实验步骤 1.试样制备
（1）用托盘天平称取153g干砂和10ml水，将两者均匀混合。 （2）将土样分成4份依次装入击实筒中，分层击实，每次击实高度为2cm，为了防止土样分层，每层击实后应将试样表面打毛。最后一次击实后，土柱高度为8cm,直径为3.91Cm,密度为1.697g∕cm3 （3）用抽气法使乳胶薄膜与样模的周壁紧贴，形成要求的体积和形状的空腔，将压实制备好的土样放入样模中，然后在负压下进行脱模。 （4）在套有乳胶模的试样两侧安装上透水石。 2.试样安装 将制备好的套有乳胶薄膜和安好透水石的试样，固定在三轴仪上，将试样的乳胶薄膜分别套在三轴仪的试样帽和试样座上，并用橡皮条将乳胶薄膜与试样帽和试样座勒紧。 3.试样饱和 试样采用抽气法使试样饱和。具体步骤如下： （1）关闭排水阀，打开抽气阀，从试样的上部抽气，向三轴试验仪的压力室内充水，使水没过试样少许即可。 （2）抽气持续15-20 分钟后，打开排水阀，使水缓慢的从试样底进入试样，使土样饱和。注意玻璃管内的水位变化，及时向玻璃管内加水。 （3）当水从试样顶部的抽气管流出后，关闭抽气阀。此时玻璃管内的水位仍在下降，说明水仍在流入试样中，先不要关闭排水阀，持续一段时间，待玻璃管内的水位与压力室内的水位持平，并且不再下降时，关闭排水阀。 4.试样固结 （1）保持排水阀、抽气阀关闭，将控制柜上显示的孔隙水压力调零。 （2）保持排水阀、抽气阀关闭，向试样施加100kPa 的围压。观察控制柜上显示的空隙水压力的最终值，如果孔隙水压力大于或等于95kPa,此时认为土样 已经充分饱和。 （3）如果土样充分饱和，则打开排水阀，进行排水固结。
;. 三轴压缩试验 一、试验目的 测定土的抗剪强度，提供计算地基强度和稳定使用的土的强度指标内摩擦角 和 内聚力c。 二、试验方法 一般有不固结不排水试验（UU）、固结不排水试验（CU）和固结排水试验（CD）。 三、仪器设备 1．三轴压缩议：应变控制式，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、承膜筒和对开圆模。 3．天平：称量200 g，感量0.01 g；称量1000 g，感量0.1 g。 4．橡皮膜：应具有弹性，厚度应小于橡皮膜直径的1／100，不得有漏气孔。 四、试样制备 （1）本试验需要3～4个试样，分别在不同周围压力下进行试验。 （2）试样尺寸：最小直径为φ35 mm，最大直径为φ101 mm，试样高度宜为试样直径的2～2.5倍。对于有裂缝、软弱面和构造面的试样，试样直径宜大于60 mm。（3）原状试样制备，应将土切成圆柱形试样，试样两端应平整并垂直于试样轴，当试样侧面或端部有小石子或凹坑时，允许用削下的余土修整，试样切削时应避免扰动，并取余土测定试样的含水量。 （4）扰动试样制备，应根据预定的干密度和含水量，在击实器内分层击实，粉质土宜为3～5层，粘质土宜为5～8层，各层土料数量应相等，各层接触面应刨毛。 （5）对于砂性土应先在压力室底座．全依次放上不透水板，橡皮膜和对开圆膜。将砂料填入对开圆膜内，分3层按预定干密度击实。当制备饱和试样时，在对开圆膜内注入纯水至1／3高度，将煮沸的砂料分3层填入，达到预定高度。放上不透水板、试样帽，扎紧橡皮膜。对试样内部施加5 kPa负压力使试样能站立，折除对开圆膜。 （6）对制备好的试样，应量测其直径和高度。试样的平均直径应按下式计算： 分别为试样上、中、下部位的直径。，D式中D，D3l2 五、三轴试验操作步聚
实验四 三轴压缩实验 （实验性质：综合性实验） 一、概述 1910年摩尔（Mohr ）提出材料的破坏是剪切破坏，并指出在破坏面上的剪应力τ是为该面上法向应力σ的函数，即 ()f f τσ= 这个函数在f τσ-坐标中是一条曲线，称为摩尔包线，如图4-1实线所示。摩尔包线表示材料受到不同应力作用达到极限状态时，滑动面上法向应力σ与剪应力f τ的关系。土的摩尔包线通常可以近似地用直线表示，如图4-1虚线所示，该直线方程就是库仑定律所表示的方程（c tg τσ?=+）。由库仑公式表示摩尔包线的 土体强度理论可称为摩尔－库仑强度理论。 图4-1 摩尔包线 当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就发生剪切破坏，该点也即处于极限平衡状态。 根据材料力学，设某一土体单元上作用着的大、小主应力分别为1σ和3σ，则在土体内与大主应力1σ作用面成任意角α的平面a a -上的正应力σ和剪应力τ，可用 τσ-坐标系中直径为13()σσ-的摩尔应力圆上的一点（逆时针旋转2α,如图4-2 中之A 点）的坐标大小来表示，即 13131311 ()()cos 2221 ()sin 22 σσσσσα τσσα =++-=- 将抗剪强度包线与摩尔应力画在同一张坐标纸上，如图4-3所示。它们之间的关系可以有三种情况：①整个摩尔应力圆位于抗剪强度包线的下方（圆Ⅰ），说明通过该点的任意平面上的剪应力都小于土的抗剪强度，因此不会发生剪切破坏；②摩尔压力圆与抗剪强度包线相割（圆Ⅲ），表明该点某些平面上的剪应力已超过了土的抗剪强度，事实上该应力圆所代表的应力状态是不存在的；③摩尔应力圆与抗剪强度包线相切（圆Ⅱ），切点为A 点，说明在A 点所代表的平面上，剪应力正好等于土的抗剪强度，即该点处于极限平衡状态，圆Ⅱ称为极限应力圆。
第四章软土强度与变形特性的微细观分析 §4.1 微观测试仪器简介 §4.1.1环境扫描电子显微镜(ESEM) 借助电子显微技术技术，可直接观察到土体的微观结构，从微观层次解释土体的工程性质。环境扫描电子显微镜（ESEM）是现阶段研究土体微结构重要的、最常用的显微观察仪器，该仪器能对含水土样直接观察，不需干燥和镀膜处理，可在接近天然原状条件下观测土体的微观结构图像，是一种很有前景的土体微观试验研究手段。扫描电子显微镜（ESEM）的工作原理如图4-1所示；图4-2所示为荷兰FEI 公司生产的型号为Quanta 200的环境扫描电子显微镜，其主要技术参数如下： 1 分辨率： 二次电子像: 高真空模式 1.2nm @ 30kV; 3.0nm @ 1kV 低真空模式 1.5nm @ 30kV; 3.0nm @ 3kV 环境真空模式 1.5nm @ 30kV
背散射电子: 高真空和低真空模式: 2.5nm @ 30kV 扫描透射STEM探测器: 0.8nm @ 30kV 图4-1 扫描电镜原理示意图
2 加速电压200V ～30kV,连续可调 3 放大倍数：12倍～100万倍 4 电子枪：高亮度肖特基热场发射电子枪，4 极电子枪单 5 最大电子束流：100nA 6 样品室压力最高达4000Pa 7 样品台：全对中样品台，5轴马达驱动 X≥100mm，Y≥100mm，Z≥60mm，T≥-5～+70°（手动）R=360°连续旋转，最大样品尺寸: 左右284mm。 图4-2 Quanta 200环境电子扫描显微镜 图4-3所示为膨润土粉末在不同放大倍数的电子扫描图片。
三轴压缩实验 （实验性质：综合性实验） 一、概述 1910年摩尔（Mohr ）提出材料的破坏是剪切破坏，并指出在破坏面上的剪应力τ是为该面上法向应力σ的函数，即 ()f f τσ= 这个函数在f τσ-坐标中是一条曲线，称为摩尔包线，如图4-1实线所示。摩尔包线表示材料受到不同应力作用达到极限状态时，滑动面上法向应力σ与剪应力f τ的关系。土的摩尔包线通常可以近似地用直线表示，如图4-1虚线所示，该直线方程就是库仑定律所表示的方程（c tg τσ?=+）。由库仑公式表示摩尔包线的 土体强度理论可称为摩尔－库仑强度理论。 图4-1 摩尔包线 当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就发生剪切破坏，该点也即处于极限平衡状态。 根据材料力学，设某一土体单元上作用着的大、小主应力分别为1σ和3σ，则在土体内与大主应力1σ作用面成任意角α的平面a a -上的正应力σ和剪应力τ，可用 τσ-坐标系中直径为13()σσ-的摩尔应力圆上的一点（逆时针旋转2α,如图4-2 中之A 点）的坐标大小来表示，即 13131311 ()()cos 2221 ()sin 22 σσσσσα τσσα =++-=- 将抗剪强度包线与摩尔应力画在同一张坐标纸上，如图4-3所示。它们之间的关系可以有三种情况：①整个摩尔应力圆位于抗剪强度包线的下方（圆Ⅰ），说明通过该点的任意平面上的剪应力都小于土的抗剪强度，因此不会发生剪切破坏；②摩尔压力圆与抗剪强度包线相割（圆Ⅲ），表明该点某些平面上的剪应力已超过了土的抗剪强度，事实上该应力圆所代表的应力状态是不存在的；③摩尔应力圆与抗剪强度包线相切（圆Ⅱ），切点为A 点，说明在A 点所代表的平面上，剪应力正好等于土的抗剪强度，即该点处于极限平衡状态，圆Ⅱ称为极限应力圆。
第三章 土的变形特性 3.1 应力-应变试验与试验曲线 目前，为了测定土的变形和强度特性，在土工试验方面经常使用的土工仪器有固结仪、直剪仪和常规三轴仪。另外，还有真三轴仪、平面应变仪和扭剪仪等，但使用不很普遍。由于能施加复合应力的试验设备的设计、制造和使用都比较困难，因此目前通常采用的研究方法是通过少量简单的试验，求取在比较简单的应力状态下的应力应变关系试验曲线，然后利用一些理论，如增量弹塑性理论，把这些试验结果推广应用到复杂的应力状态上去，建立所需要的应力-应变模型。土的应力-应变模型建立后，再用应力路径不同的试验以及用复杂应力状态的试验来验证模型的正确性。必要时，可对建立的应力应变模型进行修正。 下面简要介绍各向等压力固结试验和三轴压缩试验的情况，以及相应的试验曲线的特性。 3.1.1 各向等压力固结试验和土的固结状态 各向等压力固结试验，即123σσσ==条件下的排水压缩试验，可用常规三轴仪进行。 试验得到的应力-应变关系曲线，通常称为压缩和回弹曲线，如图3-1 所示。一般情况下，土体压缩时，土体孔隙比e 与平均有效应力p '的关系在半对数坐标图上可简化为直线关系，压缩曲线的方程可表示为： 0ln e e p λ'=- （3.1.1） 式中0e ——p '等于单位应力时土体的孔隙比； λ——半自然对数坐标图上压缩曲线的斜率。 当卸荷及重复加荷时，土体孔隙比与平均有效应力的关系在半对数坐标上也可近似表示为直线关系，回弹曲线的方程可表示为： ln e e p κκ'=- （3.1.2） 式中e κ——回弹曲线上p ′等于单位压力时土体的孔隙比； κ——半自然对数坐标图上压缩曲线的斜率。
土三轴压缩试验报告 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】
实验六土三轴压缩试验 实验人：学号： （一）、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。 （二）、试验原理 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和UCU?； 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CUCCU?或有效抗剪强度指标和C???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dCd?。（三）、试验仪器设备 1、三轴剪力仪（分为应力控制式和应变控制式两种）。
应变控制式三轴剪力仪有以下几个组成部分（图8-1）： 图8-1 应变控制式三轴剪切仪 1－调压桶；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－测力环；9－排气孔；10－轴向加压设备；11－压力室；12－量管阀；13－零位指标器；14－孔隙压力表；15－量管；16－孔隙压力阀；17－离合器；18－手轮；19－马达；20－变速箱。 （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。 （5）孔隙水压力测量系统孔隙水压力由孔隙水压力传感器测得。 （6）轴向应变（位移）测量装置轴向距离采用大量程百分表（0～30mm百分表）或位移传感器测得。 （7）反压力体变系统由体变管和反压力稳定控制系统组成，以模拟土体的实际应力状态或提高试件的饱和度以及测量试件的体积变化。
指导老师： 班级：岩土工程2007级小组：第一小组时间：2008.5～2008.6 小组成员：
一 实验目的 1．通过静三轴压缩实验了解实验过程及方法； 2. 通过实验数据的处理掌握用EXCEL 处理实验数据； 3．通过实验加深对土的本构关系的理解； 4．掌握邓肯—张模型参数的计算方法。 二 实验原理 Duncan —Chang 模型是与时间无关的试验本构模型，其本质是依据Kondner 提出的用双曲线拟合应力应变关系，即 a 13a a b εσσε-= + （1） 其中a 、b 为试验常数。 1．切线变形模量E t 对于常规三轴压缩试验，εa ＝ε1，将（1）式改写为 1113 a b εεσσ+= - （2） 将常规三轴压缩试验的结果按 113 εσσ-～1ε的关系进行整理，则二者近似成 线性关系。其中，a 为直线截距；b 为直线斜率。参看图1。 图1 土的应力应变的双曲线关系 在常规三轴压缩试验中，由于d σ2＝d σ3＝0，所以切线模量为 13t 2 11d()d () a E a b σσεε-= =+ （3） 在试样的起始点，ε1＝0，E t ＝E i ，则 i 1 E a = （4） 这表明a 代表的是在这个试验中的起始变形模量E i 的倒数。在（1）式中，如果1ε→∞，则 13ult 1 ()b σσ-= （5）
或者 13ult 1 ()b σσ= - （6） 由此可看出b 代表的是双曲线的渐近线所对应得极限偏差应力（σ1－σ3）ult 的倒数。 在土的试样中，如果应力应变曲线近似于双曲线关系，则往往是根据一定应变值（如ε1＝15％）来确定土的强度（σ1－σ3）f ，而不可能在试验中使ε1无限大，求取（σ1－σ3）ult ；对于有峰值点的情况，取（σ1－σ3）f ＝（σ1－σ3）峰，这样（σ1－σ3）f ＜（σ1－σ3）ult 。定义破坏比R f 为 13f f 13ult ()()R σσσσ-= - （7） f 13ult 13f 1 ()()R b σσσσ= =-- （8） 将式（8）、（4）代入式（3）中，得 2 t f i 1i 13f 11 1()E R E E εσσ?? ? ?= ?+ ? -?? （9） 式（9）中E t 表示为应变ε1的函数，使用时不够方便，可将E t 表示为应力的函数形式。从式（2）可以得到 13113() 1() a b σσεσσ-= -- （10） 将式（10）代入式（3），得 t 2 2 2 131******** 1 ()()111()1()1()a E ab b a a a b b b σσσσσσσσσσ= = = ?? ????--++?? ????------? ??? ?? （11） 将式（8）、（4）代入式（11），得 2 13t i f 13f 1()E E R σσσσ?? -=-??-? ? （12） 根据莫尔－库仑强度准则，有
第8章 组合变形的强度计算 8.1 组合变形的概念 在前面几章中，研究了构件在发生轴向拉伸(压缩)、剪切、扭转、弯曲等基本变形时的强度和刚度问题。在工程实际中，有很多构件在荷载作用下往往发生两种或两种以上的基本变形。若有其中一种变形是主要的，其余变形所引起的应力(或变形)很小，则构件可按主要的基本变形进行计算。若几种变形所对应的应力(或变形)属于同一数量级，则构件的变形为组合变形。例如，如图8.1(a)所示吊钩的AB 段，在力P 作用下，将同时产生拉伸与弯曲两种基本变形；机械中的齿轮传动轴(如图8.1(b)所示)在外力作用下，将同时发生扭转变形及在水平平面和垂直平面内的弯曲变形；斜屋架上的工字钢檀条(如图8.2(a)所示)，可以作为简支梁来计算(如图8.2(b)所示)，因为q 的作用线并不通过工字截面的任一根形心主惯性轴(如图8.2(c)所示)，则引起沿两个方向的平面弯曲，这种情况称为斜弯曲。 图8.1 吊钩及传动轴 屋架 屋面 檀条 q (a) (b)(c) (a) (b) (c) 图8.2 斜屋架上的工字钢檀条 求解组合变形问题的基本方法是叠加法，即首先将组合变形分解为几个基本变形，然
材料力学 180 后分别考虑构件在每一种基本变形情况下的应力和变形。最后利用叠加原理，综合考虑各基本变形的组合情况，以确定构件的危险截面、危险点的位置及危险点的应力状态，并据此进行强度计算。实验证明，只要构件的刚度足够大，材料又服从胡克定律，则由上述叠加法所得的计算结果是足够精确的。反之，对于小刚度、大变形的构件，必须要考虑各基本变形之间的相互影响，例如大挠度的压弯杆，叠加原理就不能适用。 下面分别讨论在工程中经常遇到的几种组合变形。 8.2 斜 弯 曲 前面已经讨论了梁在平面弯曲时的应力和变形计算。在平面弯曲问题中，外力作用在截面的形心主轴与梁的轴线组成的纵向对称面内，梁的轴线变形后将变为一条平面曲线，且仍在外力作用面内。在工程实际中，有时会遇到外力不作用在形心主轴所在的纵向对称面内，如上节提到的屋面檀条的受力情况(如图8.2所示)。在这种情况下，杆件可考虑为在两相互垂直的纵向对称面内同时发生平面弯曲。实验及理论研究指出，此时梁的挠曲线不再在外力作用平面内，这种弯曲称为斜弯曲。 现在以矩形截面悬臂梁为例(如图8.3(a)所示)，分析斜弯曲时应力和变形的计算。这时梁在F 1和F 2作用下，分别在水平纵向对称面(Oxz 平面)和铅垂纵向对称面(Oxy 平面)内发生对称弯曲。在梁的任意横截面m —m 上，由F 1和F 2引起的弯矩值依次为 1y M F x =，2()z M F x a =- 在横截面m —m 上的某点(C y ,)z 处由弯矩M y 和M z 引起的正应力分别为 y y M z I σ'= ，z z M y I σ''=- 根据叠加原理，σ'和σ''的代数和即为C 点的正应力，即 y z y z M M z y I I σσ'''+=- (8-1) 式中，I y 和I z 分别为横截面对y 轴和z 轴的惯性矩；M y 和M z 分别是截面上位于水平 和铅垂对称平面内的弯矩，且其力矩矢量分别与y 轴和z 轴的正向一致(如图8.3(b)所示)。在具体计算中，也可以先不考虑弯矩M y 、M z 和坐标y 、z 的正负号，以其绝对值代入，然后根据梁在F 1和F 2分别作用下的变形情况，来判断式(8-1)右边两项的正负号。 (a) (b) 图8.3 斜弯曲
2010年 第4期(总第194期) 黑龙江交通科技 HEIL ONGJI A NG JI A OTONG KEJI No .4,2010(Sum No .194) 浅谈土的变形特性 李连志1,王 佳2 (1 黑龙江工程学院土木与建筑工程学院;2 黑龙江省公路局) 摘 要:土的力学性质研究是建立在三大力学基础之上,但又因为土的多相性、散体性和自然变异性,使其与 金属材料有着本质的区别。在土的非线性、剪胀性、硬化与软化、应力路径和应力历史等方面分析了土有别于金属材料的变形特性。 关键词:土体;变形特性;本构关系 中图分类号:U 416 1 文献标识码:C 文章编号:1008-3383(2010)04-0004-01 收稿日期:2010-02-08 0 概 述 土是一种具有多相性、散体性和自然变异性的材料,与材料力学中的金属有着本质的区别。为了研究土的变形往往应用压缩固结仪、三轴压缩仪、平面应变仪、真三轴仪等进行试验,得出土的应力 应变关系。这种关系反映了土体变形的特性。但试验有一定的局限性,试验总是在某种简化条件下进行的,即使真三轴仪能考虑三维受力状态,试验也只能按某种应力状态,某种加荷方式进行。为了更好的了解土的变形特性,仅就土区别于金属材料的变形特性阐述。1 非线性和非弹性 大部分坚硬材料,如金属和混凝土,在受轴向拉压时,应力 应交关系如图1(a)所示,初始阶段为直线,材料处于弹性变形状态。当应力达到某一临界值时,应力 应交关系明显地转为曲线,材料同时存在弹性变形和塑性变形。土体也有类似的特性,图1(b)为土的三轴试验得出的轴向应力 1- 3与轴向应变 之间的关系曲线。与金属等材料不同的是,初始的直线阶段很短,对于松砂和正常固结黏土,几乎没有直线阶段,加荷一开始就呈非线性。土体的非线性变形特性比其他材料明显得多。 这种非线性变化的产生,就是因为除弹性变形以外还出现了不可恢复的塑性变形。土体是松散介质,受力后颗粒之间的位置调整在荷载卸除后,不能恢复,形成较大的塑性变形。如果加荷到某一应力后再卸荷,曲线将如图1(b)虚线所示。oa 为加荷段,ab 为卸荷段。卸荷后能恢复的应变 e 即弹性应变。不可恢复的那部分应变 p 为塑性应变。经过一个加荷退荷循环后,再加荷,将如图1(b)中的bc 段所示,它并不与ab 线重合,而存在一个环,叫回滞环。回滞环的存在表示卸荷再加荷过程中能量消耗了,要给以能量的补充。再加荷还会产生新的不可恢复的变形,不过同一荷载多次重复后塑性变形逐渐减小。 土体在各种应力状态下都有塑性变形,甚至在加荷初始应力 应变关系接近直线的阶段,变形仍然包含弹性和塑性两部分。卸荷后不能恢复到原点。非线性和非弹性是土体变形的突出特点。 2 塑性体积应变和剪胀性 土体受力后会有明显的塑性体积变形。由土样在三轴仪中逐步施加各向相等的压力P 后,再卸除,所得到的P 与体积应变 v 之间的关系曲线,可见存在不可恢复的塑性体积应变,而且它往往比弹性体积应变更大。这一点与金属不同,金属被认为是没有塑性体积变形的。塑性变形是由于晶格之间的错动滑移而造成的,它只体现形状改变,不产生体积变化。土体的塑性变形也与颗粒的错位滑移有关。在各向相等的压力作用下,从宏观上来说,是不受剪切的,但在微 观上,颗粒间是有错动的。压缩前,颗粒架空,存在较大孔隙,压缩后,有些颗粒挤入原来的孔隙中,颗粒错动,相对位置调整,颗粒之间发生着剪切位移。当荷载卸除后,不能再使它们架空,无法恢复到原来的体积,就形成较大的塑性体 积变形。 (a)金属;(b)土体 图1 材料的应用 应变关系 不仅压力会引起塑性体积变形,而且剪切也会引起塑性体积变形。剪切引起的体积收缩叫剪缩。软土和松砂常表现为剪缩。若剪切引起体积膨胀,则称之为剪胀。紧密砂土,超固结黏土,常表现为剪胀。文献中常把剪切引起的体积变化,不管剪缩还是剪胀,统称为剪胀性,剪缩是负的剪胀。剪胀性是散粒体材料的一个非常重要的特性。3 硬化和软化 三轴试验测得的轴向应力 1- 3与轴向应变 a 的关系曲线有两种形态。图2(a)所示曲线有一直上升的趋势直至破坏,这种形状的应力应变关系称为硬化型。软土和松砂表现为这种形态,图2(b)所示曲线前面部分是上升的,应力达到某一峰值后转为下降曲线,即应力在降低,而应变却在增加,这种形态称之为软化型。紧密砂和超压密黏土表现为这种形态。 密砂受剪时,由于顺位排列紧密,一部分颗粒要滚过另一部分颗粒而产生相对错动,须克服较大的 咬合 作用力,故表现为较高的抗剪强度。而一旦一部分颗粒绕过了另一部分颗粒,结构便变松,抗剪能力减小了,因而表现为软化。超固结黏土剪切破坏后结构黏聚力丧失,也降低强度,表现为软化。对于松砂和软土,剪切过程中结构变得紧密,一般表现为剪缩,因而强度也在提高,呈现硬化特性。硬化和软化与剪缩和剪胀,常有一定联系,但也不是必然联系,软化类型的土往往是剪胀的,剪胀土未必都是软化的。 (下转第7页) 4