土工测试
实验报告书
1.分级连续加载条件下的粘性土蠕变试验
2.三轴压缩实验测土的抗剪强度参数
3.Duncan-Chang模型参数的确定
4.通过标准固结试验测固结系数
5.剑桥模型的推导
1分级连续加载条件下的粘性土蠕变试验
实验目的：
通过测定试样在分级连续加载条件下固结引起的变形随时间的变化，分析试样得蠕变特性及相应的模型。
实验器材：（试样采用非饱和的细粒土）
固结容器：由刚性底座、护环、环刀、上环、透水板、加压上盖和密封圈组成。（1）环刀：直径61.8mm，高度20mm，一端有刀刃，应具有一定刚度，内壁应保持较高的光洁度，宜涂一薄层硅脂和聚四氟乙烯。
（2）透水板：由氧化铝或不受腐蚀的金属材料制成。渗透系数应大于试样的渗透系数。试样上部透水板直径宜小于环刀内径0.2~0.5mm，厚度5mm。
（3）变形量测设备：量表，单位为0.1mm。
（4）加荷设备：砝码、杠杆加压设备。
实验步骤：
1.制备土样将土块加水饱和，尽量搅拌至各处含水率均匀，备用。用电子秤秤环刀的重
量。
2.取土样用环刀切取已准备好的土样，用工具沿环刀高度切平土面，去掉多余的土、用
水浸湿，将滤纸盖在土样的两边，再次称量重量。
3.安装土样将环刀和土样一起放入固结盒，在土样上下各放置一块透水石，盖上加压盖，
安装到加载装置上。
4.调平将加压杠杆调平，装好量表，调至零点。
5.分级加载分为4个荷载等级加载：60KPa,120KPa,180KPa,240KPa，分别为并在每级荷
载下记录0s,15s,2min15s,4min,6min15s,9min,12min15s,16min2
20min15s时的量表读数。
6.实验结束清理仪器，整理数据。
数据整理及实验分析：
室内分级加载固结蠕变实验结果如表1及图1所示：
表1 各级荷载下土的应变（mm）
图1 各种荷载作用下的蠕变曲线
蠕变是在恒定应力作用下变形随时间增长的现象。图1是土样在各种荷载作用下的蠕变曲线，在各级荷载作用下，土体的蠕变曲线非常相似。经历了加载时的瞬时变形、随时间急剧的变形，如果时间够长，还可以观察到随时间缓慢增加并趋于稳定的阶段，且荷载越大，变形越大，达到稳定的时间越长。从而粘性土的蠕变ε、应力σ与时间t的关系：
ε＝f(σ,t)
且为非线性蠕变关系。
基本流变元件有虎克弹簧、牛顿粘壶及圣维南刚塑体三种，计算模型都是由以上三种线性基本元件组合而成。由于应变随时间最后达到稳定状态，则可以用麦钦特（Merchant）模型来描述，该模型由虎克弹簧和伏埃脱体串联而成，如图2所示。在常应力作用下，有如下关系：
ε＝σ／E0 +σ（1-exp(-E1t/k1)）/E1 图2 Merchant模型
2三轴压缩实验测土的抗剪强度参数
试验目的：
三轴压缩实验是测定土的抗剪强度的一种比较完善的室内试验方法，通过本试验主要是让我们熟悉重塑土样的制作方法以及熟练掌握应变式控制三轴仪的操作规程，再利用摩尔—库伦破坏准则确定土的抗剪强度参数。
试验原理：
本试验采用一个圆柱形试样，分别在不同的围压下进行固结不排水剪切，分别测得三个不同围压下测得土的抗剪强度，利用摩尔—库伦破坏准则确定土的抗剪强度参数。
试验仪器：
应变控制式三轴剪切仪，三轴压力室、轴向加荷系统，轴向压力量测系统、周围压力稳定系统、孔隙水压力量测系统、轴向变形量测系统，反压力体变系统组成。
附属设备：
（1）变形量测设备：量表，单位为0.01mm。
（2）固结容器。由环刀、护环、透水石、加压上盖等组成，土样面积12cm2，高度8cm。
（3）其它：
如击实筒、承膜筒、乳膜薄膜、橡皮膜、橡皮筋、吸水球、滤纸、钢丝锯、饱和器、对开圆模、不透水板和2mm筛。
试验步骤：
1、用击实器制备重塑土样，分五层击实，每一层之间应当刮毛，这样能保证重塑土
样的连续性和完整性。
2、试样安装
①把已检查过的乳膜薄膜套在承膜筒上，两端翻起，用吸水球从气嘴不断吸气使
乳膜薄膜紧贴于筒壁，小心将它套在试样外面；然后让气嘴放气，使橡皮膜紧
贴试样周围，翻起橡皮膜两端，用橡皮筋圈将橡皮膜下端紧扎在底座上。
②打开与试样帽连通的阀门，让量水管中的水流入试样帽，并连同透水石，滤纸
放在试样的上端，排尽试样上端及量管系统的气泡后关闭阀门，将橡皮膜上端
翻贴在试样帽上并用橡皮筋圈扎紧。
③装上压力室罩，此时，活塞应放在最高位置，以免和试样碰撞，拧紧压力室罩
密封螺帽，并使传压活塞于土样帽接触
3、试样固结
向压力室内施加试样的周围压力，周围压力的大小一般应等于和大于覆盖压力，
但由于受仪器本身的限制，最大周围压力一般不超过0.6Mpa（低压三轴仪）
4、试样剪切
转动细档手轮使试样帽与活塞及测力计接触，装上轴向变形指示计，调整量测轴
向变行的位移计的初读数和轴向压力测力计的初读数。开动电机，剪切应变速率
为0.5mm/min。在试样的剪切过程中记录测力计读数和轴向变形指示计的读数。当
第一级加载完毕后，卸除围压，重新施加下一级围压，进行排水固结，固结完成
后继续剪切；第二级加载完毕后，再施加第三级围压进行固结不排水剪切，直到
试验结束。
5、 试验结束，关电动机，卸除周围压力并取出试样，描述试样破坏时的形状。
6、 成果整理
①计算固结后的高度和面积
013(1)(1)(1)3c o o o O O
V V
h h h h V V ε??=-=-≈-
2
2232(1)(1)(1)443c o o o o O O
V V
A d d A V V ππ
ε??=-=-≈-
式中：
O V ，o h ,o d -----试样固结前的体积，高度和直径
V ?----------试样固结后的体积改变量
c A ，c h -----------试样固结后的平均断面积和高度
②计算试样剪切过程中的平均断面积和应变值
1c
h
h ε?=∑
1
1c
a A A ε=
- 式中：
1ε------试样剪切过程中的轴向应变（﹪）
h ?∑-----试样剪切时的轴向变形(mm)
a A --------试样剪切过程中的平均断面积（cm 2）
③计算主应力差：
113(1)10
10a c
CR CR
A A εσσ--== 式中：
C-------测力计率定系数（8.789N/0.01mm ） R--------测力计读数（0.01mm ） 10-------单位换算系数
④以主应力差13σσ-为纵坐标，以轴向应变1ε为横坐标，绘制主应力差与轴向应变
关系曲线。
⑤以剪应力ι为纵坐标，以法向应力σ为横坐标，在横坐标轴以破坏时的
132
f f
σσ+为
圆心，以
132
f f
σσ-为半径，绘制破坏总应力圆，并绘制不同围压下诸破坏总应
力圆的包线，即计算出内包线的倾角为内摩擦角cu ?，包线在纵坐标上的截距为粘聚力cu C
数据处理：
本次试验采用固结不排水剪切，所测得的应力-应变曲线见图1，测得的围压与轴向偏差应力结果见表1。根据图1和表1绘制其总应力摩尔圆及强度包络线图，见图2。
表1试样的固结不排水剪切试验结果
图1 多级荷载作用下试样轴向应变与偏应力关系图
50100150200250300350400450500550
50100
150
2000
σ(kPa)
τ(kPa)图2 试样
总应力摩尔圆与强度包络线图
由图中可测得该重塑土试样的抗剪强度指标cu c =26.13kPa, 12cu ?=?
实验总结
（1）由于设备仪器所限，本实验无法测定孔隙水压力和计算孔隙压力
系数，因此所得到的是三轴剪切试验的总应力变化曲线，所绘制的是图样的破坏总应力摩尔圆，得到的强度指标是总应力抗剪强度指标
cu c 、cu ?，而不是有效应力指标c '和?'。
（2）实验时间有限，无法满足标准实验所需的固结时间要求，因此得到数
据存在一定的误差。
（3）通过对本实验的学习与操作，我们更加深入地了解了三轴实验的原理
和操作方法，对于土样的三轴应力状态有了更为细致的认识，学会了如何绘制强度包络线从而得出土的两个基本剪切强度参数，这是研究土的物理力学性质的基础，对进一步深入了解土的工程性质有重要的意义。