GB/T50123-2019土工三轴压缩试验

9.1  一 般 规 定

19.1.1      土样粒径应小于20mm。

19.1.2       根据排水条件的不同，本试验可分为不固结不排水剪 (UU)、 固结不排水剪(CU或 )和固结排水剪(CD)3种试验类型。

19.1.3      对于无法取得多个试样、灵敏度较低的原状土，可采用一个试样多级加荷试验。

19.2  仪 器 设 备

19.2.1      本试验所用的仪器设备应符合下列规定：

1    应变控制式三轴仪(图19.2.1-1):由反压力控制系统、周围压力控制系统、压力室、孔隙水压力量测系统组成。其技术条件应符合现行国家标准《岩土工程仪器基本参数及通用技术条件》 GB/T 15406 及《土工试验仪器  三轴仪  第1部分：应变控制式  三轴仪》GB/T24107.1的规定；

2    附属设备应符合下列规定：

1)击实器(图19.2.1-2);

2)饱和器(图19.2.1-3);

3)切土盘(图19.2.1-4);

4)切土器和切土架(图19.2.1-5);

5)原状土分样器(图19.2.1-6);

6)承膜筒(图19.2.1-7);

7)制备砂样圆模(图19.2.1-8),用于冲填土或砂性土。

3  天平：称量200g,分度值0.01g;称量1000g,分度值0. 1g; 称量5000g,分度值1g;

4    负荷传感器：轴向力的最大允许误差为±1%;

5    位移传感器(或量表):量程30mm,  分度值0 . 01mm;

6    橡皮膜：对直径为39 . 1mm  和 6 1 . 8mm  的试样，橡皮膜厚度宜为0 . 1mm～0.2mm;    对直径为101mm  的试样，橡皮膜厚度宜为 0 . 2mm～0.3mm;

7    透水板：直径与试样直径相等，其渗透系数宜大于试样的 渗透系数，使用前在水中煮沸并泡于水中。

  

图19.2.1-1  三轴仪示意图

 

 

 

图19.2. 1-2  击实器

1一套环；2一定位螺丝；3一导杆；4一击锤；5-底板；6一套筒；7—饱和器；8—底板

 

图19.2. 1-3  饱和器

1-土样简；2一紧箍；3—夹板；4一拉杆；5一透水板

 

图19.2.1-4 切土盘

1—轴；2一上盘；3一下盘

 

图19 . 2 . 1- 5  切 土 器 和 切 土 架

1一切土架；2一切土器；3—土样

  

                          图19.2.1-6原状土分样器

  

图19.2.1-7  承膜简安装示意图

1-压力室底座；2一透水板；3一试样；4一承膜筒；5—橡皮膜；6—上帽；7一吸气孔 

 

图19.2.1-8 制备砂样圆模

1一压力室底座；2一透水板；3一制样圆模(两片合成);

4一紧箍；5—橡皮膜；6一橡皮圈

 19.2.2      试验时的仪器应符合下列规定：

1    根据试样的强度大小，选择不同量程的测力计。

2    孔隙压力量测系统的气泡应排除。其方法是：孔隙压力量 测系统中充以无气水并施加压力，小心地打开孔隙压力阀，让管路 中的气泡从压力室底座排出。应反复几次直到气泡wanquan冲出为 止。孔隙压力量测系统的体积因数应小于1.5×10-⁵ cm³/kPa。

3    排水管路应通畅。活塞在轴套内应能自由滑动，各连接处 应无漏水漏气现象。仪器检查完毕，关周围压力阀、孔隙压力阀和 排水阀以备使用。

4    橡皮膜在使用前应仔细检查。其方法是扎紧两端，在膜内充气，然后沉入水下检查，应无气泡溢出。

19.3 试样的制备和饱和

19.3.1     试样制备应按下列步骤进行：

1   试样高度h与直径D之比(h/D) 应为2.0～2.5,直径D 分别为39.1mm、61.8mm及101.0mm。对于有裂隙、软弱面或构造面的试样，直径D 宜采用101.0mm。

2   原状土试样制备应按下列规定进行：

1)对于较软的土样，先用钢丝锯或削土刀切取一稍大于规 定尺寸的土柱，放在切土盘(图19.2.1-4)的上、下圆盘 之间。再用钢丝据或削土刀紧靠侧板，由上往下细心切 削，边切削边转动圆盘，直至土样的直径被削成规定的直 径为止。然后按试样高度的要求，削平上下两端。对于 直径为10cm 的软黏土土样，可先用原状土分样器(图 19.2.1-6)分成3个土柱，再按上述的方法切削成直径为 39.1mm的试样；

2)对于较硬的土样，先用削土刀或钢丝锯切取一稍大于规 定尺寸的土柱，上、下两端削平，按试样要求的层次方向 放在切土架上，用切土器(图19.2.1-5)切削。先在切土 器刀口内壁涂上一薄层油，将切土器的刀口对准土样顶 面，边削土边压切土器，直至切削到比要求的试样高度高 约 2cm 为止，然后拆开切土器，将试样取出，按要求的高 度将两端削平。试样的两端面应平整，互相平行，侧面垂 直，上下均匀。在切样过程中，当试样表面因遇砾石而成 孔洞时，允许用切削下的余土填补；

3)将切削好的试样称量，直径为101.0mm 的试样应准确 至 1g;直径为61 .8mm  和39 . 1mm  的试样应准确至 0.1g。取切下的余土，平行测定含水率，取其平均值作为 试样的含水率。试样高度和直径用卡尺量测，试样的平 均直径应按下式计算：

 (19.3.1) 

式中：  D₀—— 试样平均直径(mm);

D₁、D₂、D₃——试样上、中、下部位的直径(mm)。

4)对于特别坚硬的和很不均匀的土样，当不易切成平整、均 匀的圆柱体时，允许切成与规定直径接近的柱体，按所需  试样高度将上下两端削平，称取质量，然后包上橡皮膜， 用浮称法称试样的质量，并换算出试样的体积和平均 直径。

3  扰动土试样制备的击实法应按下列步骤进行：

1)选取一定数量的代表性土样。直径为39. 1mm 的试样 约取 2kg,  直径为61.8mm  和101 . 0mm 试样分别取10kg 和 2 0kg 。经风干、碾碎、过筛，筛的孔径应符合本 标准表19.3.1的规定，测定风干含水率，按要求的含水 率算出所需加水量；

表19.3.1 土样粒径与试样直径的关系(mm)

 

2)将需加的水量喷洒到土料上拌匀，稍静置后装入塑料袋， 然后置于密闭容器内至少20h, 使含水率均匀。取出土  料复测其含水率。含水率的最大允许差值应为±1%。 当不符合要求时，应调整含水率至符合要求为止；

3)击样筒的内径应与试样直径相同。击锤的直径宜小于试 样直径，也可采用与试样直径相等的击锤。击样筒壁在 使用前应洗擦干净，涂一薄层凡士林；

4)根据要求的干密度，称取所需土质量。按试样高度分层 击实，粉土分3层～5层，黏土分5层～8层击实。各层 土料质量相等。每层击实至要求高度后，将表面刨毛，再 加第2层土料。如此继续进行，直至击实最后一层。将 击样筒中的试样两端整平，取出称其质量。

4  砂土试样制备应按下列步骤进行：

1)根据试验要求的试样干密度和试样体积称取所需风干砂 样质量，分三等份，在水中煮沸，冷却后待用；

2)开孔隙压力阀及量管阀，使压力室底座充水。将煮沸过 的透水板滑入压力室底座上，并用橡皮带把透水板包扎 在底座上，以防砂土漏入底座中。关孔隙压力阀及量管 阀，将橡皮膜的一端套在压力室底座上并扎紧，将对开模 套在底座上，将橡皮膜的上端翻出，然后抽气，使橡皮膜 贴紧对开模内壁(图19.2.1-8);

3)在橡皮膜内注脱气水约达试样高的1/3。用长柄小勺将 煮沸冷却的一份砂样装入膜中，填至该层要求高度。对 含有细粒土和要求高密度的试样，可采用干砂制备，用 水头饱和或反压力饱和；

4)第1 层砂样填完后，继续注水至试样高度的2/3,再装第 2层砂样。如此继续装样，直至模内装满为止。如果要 求干密度较大，则可在填砂过程中轻轻敲打对开模，使 所称出的砂样填满规定的体积。然后放上透水板、试样 帽，翻起橡皮膜，并扎紧在试样帽上；

5)开量管阀降低量管，使管内水面低于试样中心高程以下 约0.2m, 当试样直径为101mm 时，应低于试样中心高 程以下约0.5m。 在试样内产生一定负压，使试样能站 立。拆除对开模，测量试样高度与直径应符合本标准第 19.3.1条第2款第3项的规定，复核试样干密度。各试样之间的干密度最大允许差值应为±0.03g/cm³。

19.3.2     试样饱和宜选用下列方法：

1   抽气饱和法：应将装有试样的饱和器置于无水的抽气缸内，进行抽气，当真空度接近当地1个大气压后，应继续抽气，继续 抽气时间宜符合表19.3.2的规定。

表19.3.2  不同土性的抽气时间(h)

 

当抽气时间达到表19.3.2的规定后，徐徐注入清水，并保持真 空度稳定。待饱和器wanquan被水淹没即停止抽气，并释放抽气缸的真 空。试样在水下静置时间应大于10h,然后取出试样并称其质量。

2   水头饱和法：适用于粉土或粉土质砂。应按本标准第19.3.1 条第4款第1项～第5项规定的步骤安装试样，试样顶用透水帽， 然后施加20kPa 的周围压力，并同时提高试样底部量管的水面和  降低连接试样顶部固结排水管的水面，使两管水面差在1m 左右。 打开量管阀、孔隙压力阀和排水阀，让水自下而上通过试样，直至  同一时间间隔内量管流出的水量与固结排水管内的水量相等为  止。当需要提高试样的饱和度时，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。二氧化碳的压力宜为  5kPa～10kPa, 再进行水头饱和。

3  反压力饱和法：试样要求wanquan饱和时，可对试样施加反 压力。

1)试样装好后装上压力室罩，关孔隙压力阀和反压力阀，测 记体变管读数。先对试样施加20kPa 的周围压力预压， 并开孔隙压力阀待孔隙压力稳定后记下读数，然后关孔 隙压力阀；

2)反压力应分级施加，并同时分级施加周围压力，以减少对试样的扰动，在施加反压力过程中，始终保持周围压力比 反压力大20kPa, 反压力和周围压力的每级增量对软黏 土取30kPa; 对坚实的土或初始饱和度较低的土，取 50kPa～70kPa;

3)操作时，先调周围压力至50kPa, 并将反压力系统调至 30kPa, 同时打开周围压力阀和反压力阀，再缓缓打开孔 隙压力阀，待孔隙压力稳定后，测记孔隙压力计和体变管 读数，再施加下一级的周围压力和反压力；

4)计算每级周围压力下的孔隙压力增量△u,并与周围压力 增量△σ₃   比较，当孔隙水压力增量与周围压力增量之比 △u/△σ₃   >0.98 时，认为试样饱和；否则应按本标准第 19.3.2条第3款的规定重复，直至试样饱和为止。

19.4  不固结不排水剪试验

19.4.1      试样的安装应按下列步骤进行：

1    对压力室底座充水，在底座上放置不透水板，并依次放置试样、不透水板及试样帽。对于砂性土的试样安装，应按本标准第 19.3. 1条第4款的规定进行。

2    将橡皮膜套在承膜筒内，两端翻出筒外(图19.2.1-7),从 吸气孔吸气，使膜贴紧承膜筒内壁，套在试样外，放气，翻起橡皮膜 的两端，取出承膜筒。用橡皮圈将橡皮膜分别扎紧在压力室底座 和试样帽上。

3    装上压力室罩。安装时应先将活塞提升，以防碰撞试样， 压力室罩安放后，将活塞对准试样帽中心，并均匀地旋紧螺丝。

4  开排气孔，向压力室充水，当压力室内快注满水时，降低进 水速度，水从排气孔溢出时，关闭排气孔。

5  关体变传感器或体变管阀及孔隙压力阀，开周围压力阀， 施加所需的周围压力。周围压力大小应与工程的实际小主应力  3相适应，并尽可能使最大周围压力与土体的最大实际小主应力;大致相等。也可按100kPa、200kPa、300kPa、400kPa施加。

6   上升升降台，当轴向测力计有微读数时表示活塞已与试样 帽接触。然后将轴向负荷传感器或测力计、轴向位移传感器或位 移计的读数调整到零位。

19.4.2      剪切试样应按下列步骤进行：

1    剪切应变速率宜为0.5%/min～1.0%/min。

2   开动试验机，进行剪切。开始阶段，试样每产生轴向应变0.3%～0.4%时，测记轴向力和轴向位移读数各1次。当轴向应变达3%以后，读数间隔可延长为每产生轴向应变0.7%～0.8% 时各测记1次。当接近峰值时应加密读数。当试样为特别硬脆或 软弱土时，可加密或减少测读的次数。

3    当出现峰值后，再继续剪3%～5%轴向应变；轴向力读数 无明显减少时，则剪切至轴向应变达15%～20%。

4    试验结束后，关闭电动机，下降升降台，开排气孔，排去压 力室内的水，拆除压力室罩，揩干试样周围的余水，脱去试样外的 橡皮膜，描述破坏后形状，称试样质量，测定试验后含水率。对于 直径为39. 1mm 的试样，宜取整个试样烘干；直径为61.8mm 和 101mm  的试样，可切取剪切面附近有代表性的部分土样烘干。

 

19.5  固结不排水剪试验

19.5.1      试样的安装应按下列步骤进行：

1    开孔隙压力阀及量管阀，使压力室底座充水排气，并关阀。 然后放上试样，试样上端放一湿滤纸及透水板。在其周围贴上7  条～9条浸湿的滤纸条，滤纸条宽度为试样直径的1/5～1/6。滤  纸条两端与透水石连接，当要施加反压力饱和试样时，所贴的滤纸  条必须中间断开约试样高度的1/4,或自底部向上贴至试样高度  3/4处。

2    应按本标准第19.4. 1条第2款的规定将橡皮膜套在试样 外。橡皮膜下端扎紧在压力室底座上。

3  用软刷子或双手自下向上轻轻按抚试样，以排除试样与橡 皮膜之间的气泡。对于饱和软黏土，可开孔隙压力阀及量管阀，使 水徐徐流人试样与橡皮膜之间，以排除夹气，然后关闭。

4    开排水管阀，使水从试样帽徐徐流出以排除管路中气泡， 并将试样帽置于试样顶端。排除顶端气泡，将橡皮膜扎紧在试样  帽上。

5     降低排水管，使其水面至试样中心高程以下20cm~ 40cm, 吸出试样与橡皮膜之间多余水分，然后关排水管阀。

6    应按本标准第19.4.1条第3款、第4款的规定，装上压力  室罩并注满水。然后放低排水管使其水面与试样中心高度齐平， 测记其水面读数，并关排水管阀。

19.5.2      试样排水固结应按下列步骤进行：

1   使量管水面位于试样中心高度处，开量管阀，测读传感器， 记下孔隙压力起始读数，然后关量管阀。

2   施加周围压力应符合本标准第19.4. 1条第5款的规定， 并调整负荷传感器或测力计、轴向位移传感器或位移计的读数。

3    打开孔隙压力阀，测记稳定后的孔隙压力读数，减去孔隙 压力计起始读数，即为周围压力与试样的初始孔隙压力。

4    开排水管阀，按0min 、0.25min 、1min 、4min 、9min …时间 测记排水读数及孔隙压力计读数。固结度至少应达到95%,固结  过程中可随时绘制排水量△V 与时间平方根或时间对数曲线及孔  隙压力消散度与时间对数曲线。若试样的主固结时间已经掌握， 也可不读排水管和孔隙压力的过程读数。

5    当要求对试样施加反压力时，则应符合本标准第19.3.2 条第3款的规定。关体变管阀，增大周围压力，使周围压力与反压 力之差等于原来选定的周围压力，记录稳定的孔隙压力读数和体 变管水面读数作为固结前的起始读数。

6开体变管阀，让试样通过体变管排水，并应按本标准第19.5.2条第2款～第4款的规定进行排水固结。

         7    固结完成后，关排水管阀或体变管阀，记下体变管或排水 管和孔隙压力的读数。开动试验机，到轴向力读数开始微动时，表 示活塞已与试样接触，记下轴向位移读数，即为固结下沉量△h。 依此算出固结后试样高度h_c。然后将轴向力和轴向位移读数都调 至零。

8    其余几个试样按同样方法安装试样，并在不同周围压力下 排水固结。

19.5.3      剪切试样应按下列步骤进行：

1    剪切应变速率宜为0 .05%/min～0. 10%/min,      粉土剪切 应变速率宜为0. 1%/min～0.5%/min;

2    开始剪切试样。测力计、轴向变形、孔隙水压力的测记应 符合本标准第19.5.2条第3款、第4款规定；

3   试验结束后，关闭电动机，下降升降台，开排气孔，排去压 力室内的水，拆除压力室罩，揩干试样周围的余水，脱去试样外的 橡皮膜，描述破坏后形状，称试样质量，测定试验后含水率。

19.6  固结排水剪试验

19.6.1      试样的安装、固结应按本标准第19.5.1条、第19.5.2条 的规定进行。

19.6.2      试样的剪切应按本标准第19.5.3条的规定进行，但在剪切 过程中应打开排水阀。剪切速率宜为0.003%/min～0.012%/min。

19.7  一个试样多级加荷试验

19.7.1      不固结不排水剪试验应按下列步骤进行：

1     试样的安装应符合本标准第19.4.1条的规定。

2   施加第一级周围压力，试样剪切应符合本标准第19.4.2

条第1款的规定。当测力计读数达到稳定或出现倒退时，测记轴 向位移和测力计读数，关闭电机停止剪切，将轴向压力退至零。

3    施加第二级周围压力。此时测力计因施加周围压力而增加，应重新调至原来读数值，然后升高升降台。当测力计读数微动 时，表示试样帽与测力系统重新接触，再按原剪切速率剪切，直至 测力计读数稳定或接近稳定为止。按此进行其余各级周围压力的 试验。最后一级周围压力下的剪切累积应变不应超过20%。

4  试验结束后，关周围压力阀，拆除压力室罩，取下试样称 量，并测定剪切后的含水率。

19.7.2  固结不排水剪试验应按下列步骤进行：

1  试样的安装应符合本标准第19.5.1条的规定。

2  试样的固结应符合本标准第19.5.2条的规定。

3  试样的剪切应符合本标准第19.5.3条的规定。施加第一级周围压力，试样剪切应变速率应符合本标准第19.5.3条第1款 的规定。第一级剪切完成后，退除轴向压力，待孔隙水压力稳定后 施加第二级周围压力，进行排水固结。

4  固结完成后进行第二级周围压力下的剪切，并按本标准第19.7.2条第1款～第3款的步骤进行第三级周围压力下的剪切， 累计剪切累积应变不应超过20%。

5  试验结束后，关周围压力阀，尽快拆除压力室罩，取下试样称量，并测定剪切后的含水率。

19.8  计算、制图和记录

19.8.1  计算应符合下列规定：

1  试样的高度、面积、体积及剪切时的面积应按表19.8.1 中的公式计算。

表19.8.1 高度、面积、体积计算表

 

注：表中，△h_c为固结下沉量，由轴向位移计测得(cm);△V为固结排水量(实测或试验 前后试样质量差换算)(cm³);△V_i为排水剪中剪切时的试样体积变化(cm³),  按体 变管或排水管读数求得;ε₁为轴向应变(%);△h_i试样剪切时高度变化(cm), 由轴 向位移计测得，为方便起见，可预先绘制△V-h_c及△V-A_c的关系线备用。

2  主应力差(σ₁-σ₃) 应按下式计算：

           (19.8.1-1) 

式中：σ₁——大主应力(kPa);

σ₃——小主应力(kPa);

C-— 测力计率定系数(N/0.01mm);

R—— 测力计读数(0.01mm);

A_a—— 试样剪切时的面积(cm²)。

3  有效主应力比σ₁/σ₃ 应按下列公式计算：

      (19.8.1-2)

                         (19.8.1-3) 

                         (19.8.1-4)

 

 

 

式中：——有效大主应力和有效小主应力(kPa);

σ₁、σ₃——大主应力与小主应力(kPa);

u——孔隙水压力(kPa)。

4 孔隙压力系数B 和A 应按下列公式计算：

       (19.8.1-5)

   (19.8.1-6)

式中：u₀——试样在周围压力下产生的初始孔隙压力(kPa);

u_d——试样在主应力差(σ₁-σ₃)下产生的孔隙压力(kPa)。 

19.8.2 制图应符合下列规定：

1 根据需要分别绘制主应力差(σ₁-σ₃)与轴向应变 ε₁的关系曲线，有效主应力比()  与轴向应变ε₁的关系曲线，孔隙压力 μ 与 轴 向 应 变ε₁的关系曲线，用 与  作坐标的应力路径关系曲线。

2 破坏点的取值可以(σ₁-σ₃) 或() 的峰点值作为破坏 点。如(σ₁-σ₃)    和()  均无峰值，应以应力路径的密集点或按 一定轴向应变(一般可取ε₁=15%,  经过论证也可根据工程情况选 取破坏应变)相应的(σ₁-σ₃) 或() 作为破坏强度值。

3  应按下列规定绘制强度包线：

1)对于不固结不排水剪切试验及固结不排水剪切试验，以法向应力σ为横坐标，剪应力 t为纵坐标，在横坐标上以 为圆心，  为半径(f 注脚表示破坏时的 值),绘制破坏总应力圆后，作诸圆包线。该包线的倾角为内摩擦角φ_μ或φ_cμ包线在纵轴上的截距为黏聚力c_c或 c_cu; 

2)在固结不排水剪切中测孔隙压力，则可确定试样破坏时的有效应力。以有效应力为横坐标，剪应力为z为纵坐标，在横坐标轴上以 为圆心，以为半径，绘制不同周围压力下的有效破坏应力圆后，作诸圆包线，包线的倾角为有效内摩擦角,包线在纵轴上的截距为有效黏聚力;

3)在排水剪切试验中，孔隙压力等于零，抗剪强度包线的倾角和在纵轴上的截距分别以φ_d和c_d 表示；

4)如各应力圆无规律，难以绘制各圆的强度包线，可按应力路径取值，即以 为纵坐标，为横坐标，绘制应力圆，作通过各圆之圆顶点的平均直线。根据直线的倾角及在纵坐标上的截距，应按下列公式计算和:

φ'=  sin^-1tana        (19.8.2-1)

                          (19.8.2-2)

式中：α——平均直线的倾角(°);

d—— 平均直线在纵轴上的截距(kPa)。

19.8.3  本试验的记录格式应符合本标准附录 D表D.34～表 D.36 的规定。