三轴压缩试验课件.ppt

1、1/108楊全成楊全成 編著編著土壤力學實驗土壤力學實驗試驗十試驗十 三軸壓縮試驗三軸壓縮試驗2/108土壤之三軸壓縮試驗法土壤之三軸壓縮試驗法Method of Test for Triaxial Compression of Soils試驗十試驗十 三軸壓縮試驗三軸壓縮試驗3/108試驗規範試驗規範ASTM D2850-95，D4767-95試驗十試驗十 三軸壓縮試驗三軸壓縮試驗4/108 求土壤之凝聚力及內摩擦角，作為擋土牆分析、邊坡穩定分析及承載力計算之依據。( (一一) )試驗目的試驗目的5/108 三軸壓力室的裝置，圖柱試體，包以不透水的橡皮膜，置於可加液壓的密閉透明桶中(用不變形

2、的硬塑膠所做)軸向壓力經由一長棒，加於試體頂上的墊鈑上，用以控制主應力差(或稱為軸差應力)。( (二二) )試驗說明試驗說明6/108三軸壓縮試驗三軸壓縮試驗 試體的兩端連以管路，用以測量孔隙水壓力(C閥門)，或用以排水及加反水壓之用(B1及B2閥門)。7/108 反水壓反水壓(Back Pressure)(Back Pressure)為由B1及B2閥門加諸於試體內部，藉著高壓將試體內之空氣加以壓縮，使水分佔滿孔隙之空間，而達到飽和試體之目的。8/108三軸壓力室三軸壓力室9/108三軸壓縮試驗之壓力室及自動化週邊設備三軸壓縮試驗之壓力室及自動化週邊設備10/108 試驗時，作用壓力是分兩階段

3、加上，首先，整個試體的三個軸向都受至液壓3的作用，所以液壓3又稱為包圍壓力(Confined Pressure)，然後，再加上軸差應力軸差應力(Deviator (Deviator Stress)Stress)a，至試體剪壞為止。11/108 (a)加圍壓加圍壓 (b)加軸差應力加軸差應力 (c)總主應力總主應力三軸壓縮試驗之二階段加壓三軸壓縮試驗之二階段加壓12/10813/10814/10815/108三軸壓縮試驗之種類三軸壓縮試驗之種類16/108 剪力強度參數之應用： 大多數之工程問題設計，最困難者為其有效應力隨時在改變，孔隙水壓力在施工之初期、施工期間、完工後，由於壓密、排水等作用，

4、其值皆有不同，故有效應力亦隨之改變，故設計時，究應採用何種試驗結果，實需詳加考慮。17/1081.cu與u(由SUU試驗或Q試驗求得) 飽和粘土層因迅速載重而產生剪應力，若含水量變化不大時，可用cu參數決定剪力強度，例如：(a)結構建築物或堤壩於飽和粘土上建立基礎時之初期穩定性分析。(b)粘土之開挖工程或擋土工程開挖支撐之初期穩定性分 析。(c)粘土之深開挖中對底部上拱初期穩定性分析。18/1082.cu與u(由SCU試驗或Qc試驗求得) 在基礎構築中或受土壤自重作用下，已完成壓密之土層，在迅速加載，而含水量不再改變之情況下，可利用試驗之結果來決定其剪力強度。19/108例如：(a)不透水性滾

5、壓填土於急速洩降之穩定性分析。(b)粘土自然邊坡於急速洩降之穩定性分析。(c)粘土坑或溝於急速洩降之穩定性分析。此因在急速洩降時，土壤重量由浸水單位重變為飽和單位重，使土重增加，且因水位急降，土內水分不及排出之故。20/1083.ccd與cd(由SCD試驗或S試驗求得) (a)長期穩定情況下，斜坡、土工(土壩、土堤、堤壩)，擋土工與背後填土之分析：此由於在長期穩定情形下，荷重不再增加，且孔隙水壓力因負荷重而逐漸消除，故孔隙水壓已經穩定，不再有超額孔隙水壓力產生之故。 21/108 (b)砂土或礫石之斜坡積水洩降，孔隙水壓力分佈受孔隙水之排水率控制時之分析。 上述之工程設計，亦可用SCU試驗之c

6、cu，cu，來分析，此因同一性質之土壤，其 ccccucdcucd，22/108孔 隙 水 壓 力 參 數 A 、 B 在 推 算 土 壩 或 較 大 土 工 的 安 全 問 題中 ， 常 需 明 瞭 主 要 應 力 變 化 與 土 壤 內 孔 隙水 壓 力 變 化 間 之 關 係 。1 .孔 隙 水 壓 力 參 數 B 之 求 法 ： 使 土 樣 受 有 效 圍 壓 3， 並 且 不 使 排水 ， 測 孔 隙 水 壓 力 變 化 量 u1， 此 u1/3之比 值 用 B 符 號 來 代 表 ： 即31uB23/10824/108孔隙水壓力參數孔隙水壓力參數B與土壤飽和度的關係與土壤飽和度的關

7、係25/1082 .孔 隙 水 壓 力 參 數 A 之 求 法 ：於壓密不排水試驗( S C U ) 中，施加 包 圍 壓 力 3壓 密 後 ， 試 體 在 不 排 水情況下，施加軸差應力( 1- 3) 時，孔隙水壓力之變化量為)(AB)(Du31312亦 即)(u)(BuA312312 ( S = 1 0 0 %時 B = 1 )26/10827/108孔隙水壓力參數孔隙水壓力參數A與與OCR的關係的關係28/108 各 種 三 軸 壓 縮 試 驗 ， 孔 隙 水 壓 力 增 加 量 與 孔 隙 水 壓 力 參 數 A 、 B 間 之 關 係 ： 1 .U U U T e s t)(ABu3

8、13 2 .S U U T e s t )(Au313 3 .S C U T e s t )(Au31 4 .S C D T e s t 0u29/108三軸壓縮試驗與直接剪力試驗比較之優缺點：三軸壓縮試驗之優點：三軸壓縮試驗之優點：1.試樣內部之應力應變狀態較直接剪力試驗者為均勻。2.含水量能自由調節，可進行排水或不排水試驗。3.飽和土壤之體積變化，能簡單地加以測定。4.試樣之模截面可依軸向應變作適當的修正。5.試驗時，試樣承受1及3之作用，且3可依土壤實際 情況做適當選擇，故試樣之荷重條件與實際載重情形比 較接近。30/108三軸壓縮試驗之缺點：三軸壓縮試驗之缺點：1.試驗裝置複雜，操作必

9、需熟練。2.試體大，低滲透性土壤之排水試驗，需時甚長。3.試驗費用昂貴。31/108(1)三軸壓力室：放置試體，施加室壓，並提供試樣受剪環 境。其底座共有4個閥門，分別為A室壓閥門、B1及B2 反水壓兼排水閥門及C孔隙水壓閥門。(三三)試驗儀器試驗儀器32/108試驗儀器之簡介試驗儀器之簡介(1) 雙端靜力壓實模 測 微 尺 33/108試驗儀器之簡介試驗儀器之簡介(1) 薄 管 鐵鎚木樁及鏟子 34/108試驗儀器之簡介試驗儀器之簡介(2) 磅 秤 橡膠膜與橡膠膜套筒 35/108試驗儀器之簡介試驗儀器之簡介(2) 頂 土 機 濾 紙 與 透 水 石36/108試驗儀器之簡介試驗儀器之簡介(

10、3) 三 軸 室 剖 面 圖 及 平 面 圖37/108試驗儀器之簡介試驗儀器之簡介(4) 孔隙水壓力計 PW 變位計 LVDT 體積變化計 VC 荷 重 計 LC荷重計LC38/108試驗儀器之簡介試驗儀器之簡介(5) 移動式數字顯示器 固定式數字顯示器39/108試驗儀器之簡介試驗儀器之簡介(6) 操 作 面 板 三軸試驗自動化裝置40/108三軸壓力室三軸壓力室41/108三軸壓力室三軸壓力室42/108三軸壓力室之分解三軸壓力室之分解43/108三軸室之四個閥門三軸室之四個閥門44/108試體與橡皮膜試體與橡皮膜45/108(2)自動平衡水銀定壓系統：由水銀提升之壓力，經由水傳 遞至三

11、軸壓力室之試體，適當選擇彈簧之彈性係數，於 試驗過程上筒水銀面有所變化時，彈簧長度亦隨之變 動，而達試驗過程之定壓。46/108自動平衡水銀系統自動平衡水銀系統47/108自動平衡水銀系統自動平衡水銀系統48/108(3)加壓桿軸：藉由壓力機之上升施加軸差應力於試體，其 上配置壓力環(Proving Ring)或荷重計(Load Cell)，以求 得軸差應力。但需注意壓力環，或荷重計應於試體受室 壓後歸零，經此化算始為軸差應力。49/108三軸加壓桿軸三軸加壓桿軸50/108(4)室壓力及反水壓力測定系統：經由水銀壓傳給水壓之壓 力可經此壓力系統讀數而得之。室壓與反水壓應分別量 度其差值即為圍

12、壓3。51/108三軸試驗加壓閥門三軸試驗加壓閥門52/108三軸壓力試驗面板三軸壓力試驗面板53/108三軸壓力面板三軸壓力面板54/108(5)孔隙水壓力測定系統：當試樣有孔隙水流出(或流入) 時，施加(或降低)壓力使水銀面保持在零點指示器之零 點指標處，則壓力表之差值即為孔隙水壓力。55/108零點指示器零點指示器56/108(6)體積變化：利用染成紅色之煤油在量管之上升下降，而 讀得試樣體積之變化量。 57/108體積變化儀體積變化儀58/108三軸壓縮試驗管線裝置圖三軸壓縮試驗管線裝置圖59/108三軸壓縮試驗數據數值化三軸壓縮試驗數據數值化60/108三軸壓縮試驗提供壓力之空壓機三

13、軸壓縮試驗提供壓力之空壓機61/108三軸壓縮試驗自動化各硬體設備之組合架構圖三軸壓縮試驗自動化各硬體設備之組合架構圖62/108三軸壓縮試驗流程圖三軸壓縮試驗流程圖( (四四) )試驗步驟試驗步驟63/108三軸壓縮試驗流程圖三軸壓縮試驗流程圖64/108概要概要l將試樣修整成圓柱體l包裹橡膠膜，置於三軸室l由空壓系統施加室壓3l壓桿施加軸差壓力(13)l繪莫爾圓求c、值65/108(1)裝上試體。(2)加室壓4.05kg/cm2，反水壓4.00kg/cm2。 a.不使試體飽和(U)：排水閥門關閉。 b.使試體飽和(S)：排水閥門打開，至體積變化儀不變為止。66/108(3)提昇室壓：如欲加

14、圍壓3=1.00kg/cm2，則室壓之壓力表應指 示5.00kg/cm2，反水壓之壓力表讀數仍為4.00kg/cm2。 a.不使試體壓密(U)：排水閥門關閉，可兼測孔隙水壓力變化量 u1。 b.使試體壓密(C)：排水閥門打開，至體積變化儀不變為止，壓 密完畢超靜水壓力為0。 67/108(4)開機加軸差應力1-3。 a.不使試體排水(U)：排水閥門關閉，可兼測孔隙水壓力變化量 u2。 b.使試體排水(D)：排水閥門打開，於加壓過程超靜水壓力為0。(5)改變3，重覆(1)至(4)之步驟，繪莫爾圓，求凝聚力及內摩擦 角。68/108三軸壓縮試驗應力圖及莫爾圓三軸壓縮試驗應力圖及莫爾圓69/108試

15、體套上橡皮膜試體套上橡皮膜70/108試體與頂蓋底座試體與頂蓋底座71/108試體裝進三軸室試體裝進三軸室72/108土樣準備土樣準備(1)u用測微尺量取號雙端靜力壓實模之直徑及高度u計算其體積u土壤之濕單位重乘以體積即得所需之土樣重u量秤所需土樣重後並倒入雙端靜力壓實模中73/108土樣準備土樣準備(2)用頂土機進行重模試體製作將號鐵模拔除後頂出號鐵模內試體將套筒套上橡膠膜開啟抽氣機使橡膠膜緊貼圓筒內壁並將試體套入74/108土樣準備土樣準備(3)l將試體兩端蓋上濾紙及透水石l將試樣下端之橡膠膜反套於底座並以橡皮圈套緊l其次再將頂鈑放入試樣頂面，頂端橡膠膜套於頂鈑並以橡皮圈套緊75/108土

16、樣準備土樣準備(4)+裝上三軸壓力室之外罩並鎖緊+將水經由入水閥門(A)注入三軸室+搬上壓縮試驗機並調整高度+將面板上之室壓出口、入水口、出水口、孔隙水壓力計分別連接三軸室之四個閥門(A、B1、B2、C)76/108試驗步驟試驗步驟1.裝上試體2.加室壓4.05 /cm2， 反水壓4.0/cm2(1)不使試體飽和(U)(2)使試體飽和(S) 77/108 3.提昇室壓提昇室壓(若圍壓若圍壓31.0 /cm2 則壓力錶應指示則壓力錶應指示5.0 /cm2) (1)不使試體壓密不使試體壓密(U) ，可兼測，可兼測 孔隙水壓力變化量孔隙水壓力變化量u1 (2)使試體壓密使試體壓密(C)，壓密完畢，壓

17、密完畢 過剩孔隙水壓力為過剩孔隙水壓力為0試驗步驟試驗步驟(續續)78/108 4.開機加軸差壓力開機加軸差壓力13 (1)不使試體排水不使試體排水(U) ，可兼測孔隙，可兼測孔隙 水壓力變化量水壓力變化量u1 (2)使試體排水使試體排水(D)，加壓過程過剩孔，加壓過程過剩孔 隙水壓力為隙水壓力為05.改變改變3，重複，重複14之步驟即可繪莫之步驟即可繪莫 爾圓以求凝聚力爾圓以求凝聚力c及內摩擦角及內摩擦角 試驗步驟試驗步驟(續續)79/108 加壓系統準備加壓系統準備l氣壓水室A、B充水1.閥門3號旋至22，水昇高至23左右，再旋至33l驅除管線內氣泡1.閥門1及10號旋至12及22處，並打

18、開14號閥門2.注意觀察管內氣泡流動80/108UUU試驗試驗1.三軸室之進、出水口(B1、B2)關閉2.加室壓後立即開始進行試驗3.記讀LC、LVDT及PW讀數4直至試體剪壞或應變達15以上為止 81/108SUU試驗試驗 1.打開閥門5號，閥門8號旋至室壓數位計讀數2.閥門4號轉至12 、閥門3號轉至22並以A調壓閥調整壓力大小，飽和一天3.三軸室之進、出水口(B1、B2)關閉4.加室壓後立即開始進行試驗5.記讀LC、LVDT及PW讀數6.直至試體剪壞或應變達15以上為止 82/108SUU試驗試驗 83/108SCU試驗試驗(飽和)1.打開閥門5號，閥門8號旋至室壓數位計讀數2.閥門4號

19、轉至12 、閥門3號轉至22並以A調壓閥調整壓力大小，飽和一天(壓密)3.三軸室進水口關閉，打開試體出水口4.閥號9旋至12、閥號10旋至225.閥號11關閉 84/108 SCU試驗試驗(續續)7.閥號12及閥號11同時旋至向下排水12及22(不排水快剪階段)8.三軸室之進、出水口(B1、B2)關閉9.加室壓後立即開始進行試驗10.記讀LC、LVDT及PW讀數11.直至試體剪壞或應變達15以上為止85/108SCU試驗試驗 86/108SCD試驗試驗 (飽和)1.打開閥門5號，閥門8號旋至室壓數位計讀數2.閥門4號轉至12 、閥門3號轉至 22並以A調壓閥調整壓力(壓密)3.三軸室入水口關閉

20、4.閥號9旋至12、閥號10旋至225.閥號11關閉 87/108(排水慢剪階段排水慢剪階段) 7.加室壓排水後啟動抗壓機，慢速進行試驗加室壓排水後啟動抗壓機，慢速進行試驗8.記讀記讀LC、LVDT及及PW讀數，試驗進行時超讀數，試驗進行時超額孔隙水壓力應為額孔隙水壓力應為09.直至試體剪壞或應變達直至試體剪壞或應變達15以上為止以上為止P.S.閥門閉啟方式同閥門閉啟方式同SCU試驗試驗 SCD試驗試驗(續續)88/108三軸壓縮試驗中三軸壓縮試驗中89/108三軸試驗自動記錄三軸試驗自動記錄90/108三軸壓縮試驗實例三軸壓縮試驗實例例題 有三軸壓縮試驗記錄如表所示：(SCU試驗)(1)繪總

21、應力與有效應力強度包絡線。(2)粘土預壓力800KN/m2，繪出孔隙水壓力參數A與OCR關係 圖。(五五)試驗試驗用表及用表及結果整理結果整理範例範例91/108圍壓軸差應力與孔隙水壓力表92/108總應力強度包絡線【解答】(1)總應力強度包絡線總應力強度包絡線93/108有效應力強度包絡線(1-1)有效應力強度包絡線有效應力強度包絡線94/108孔隙水壓力參數A與OCR關係圖(2)孔隙水壓力參數孔隙水壓力參數A與與OCR關係圖關係圖95/108 注意事項注意事項l橡膠膜套於試樣外不能扭曲l軸差應力增加至試樣應變超過15為止l試驗時隨時注意氣水壓力室A、B之水位l重模試樣可用雙端靜力壓實模獲得

22、；若以夯實法應設法去除層次96/108三軸透水試驗之三軸壓力室 三軸透水試驗之三軸壓力室，控制室壓4.95kg/cm2，上端反水壓閥門控制到4.5kg/cm2，下端反水壓閥門維持3.95kg/cm2。97/108Test10.xls應用說明:軸差應力，KN/m2孔隙水壓力，KN/m21313A410-65510100575165-0.15854520-10720200730210-0.0192372080112040010403200.111111980180158060014004200.18367398/108Test10.xls應用說明:99/108Test10.xls應用說明應用說明:

23、sin2cos2112233440.00 1.00 510.00 0.00 720.00 0.00 1120.00 0.00 1580.00 0.00 0.09 1.00 509.22 17.87 719.01 22.66 1118.63 31.38 1578.14 42.71 0.17 0.98 506.89 35.60 716.05 45.15 1114.53 62.51 1572.56 85.09 0.26 0.97 503.01 53.06 711.14 67.29 1107.73 93.18 1563.30 126.82 0.34 0.94 497.64 70.11 704.32 8

24、8.93 1098.29 123.13 1550.45 167.59 0.42 0.91 490.79 86.64 695.64 109.88 1086.27 152.14 1534.09 207.08 0.50 0.87 482.54 102.50 685.17 130.00 1071.77 180.00 1514.35 245.00 0.57 0.82 472.93 117.58 672.98 149.13 1054.89 206.49 1491.38 281.05 0.64 0.77 462.04 131.77 659.17 167.13 1035.78 231.40 1465.36 3

25、14.97 0.71 0.71 449.96 144.96 643.85 183.85 1014.56 254.56 1436.48 346.48 0.77 0.64 436.77 157.04 627.12 199.17 991.40 275.78 1404.97 375.36 100/108101 三軸試驗之目的在求那些土壤力學參數： (1)k (2)Cv、Cc (3)c、。102 SCU試驗所加之圍壓於壓密開始究係有效應力或總應 力：(1)總應力 (2)有效應力 (3)皆是。103 SCU試驗所加之圍壓於壓密終了究係有效應力或總應 力：(1)總應力 (2)有效應力 (3)皆是。104 S

26、CU試驗所加之圍壓於加軸差應力時究係有效應力或總 應力：(1)總應力 (2)有效應力 (3)皆是。( (六六) )試驗問題試驗問題101/108105 三軸試驗孔隙水壓力參數B=1.0時飽和度為： (1)100% (2)50% (3)0%。106 三軸試驗孔隙水壓力參數A=0時過壓密比約為： (1)10 (2)4 (3)0。107 三軸試驗之種類有四種下列何者有誤： (1)SCU (2)UCD (3)SUU。108 三軸壓縮試驗，三軸室有幾個閥門：(1)2個 (2)3個 (3)4個。109 三軸試驗八罐水銀是串聯或並聯： (1)串聯 (2)並聯 (3)皆有。102/1081010 三軸壓縮試驗

27、，如何使試體飽和： (1)加反水壓 (2)打水銀 (3)抽水。1011 三軸壓縮試驗，如何測知試體有否飽和： (1)由體積變化儀 (2)由孔隙水壓力表 (3)皆可。1012 三軸壓縮試驗，如何測知試體有否壓密： (1)由體積變化儀 (2)由孔隙水壓力表 (3)皆可。1013 三軸壓縮試驗，水從試體跑出，孔隙水壓力表如何 跑：(1)順時鐘方向 (2)反時鐘方向 (3)不動。1014 三軸壓縮試驗，水從試體進去，孔隙水壓力表如何 跑：(1)順時鐘方向 (2)反時鐘方向 (3)不動。103/1081015 三軸壓縮試驗，水從試體跑出，孔隙水壓力為正或 負：(1)正 (2)負 (3)零。1016 三軸

28、壓縮試驗，水從試體進去，孔隙水壓力為正或 負：(1)正 (2)負 (3)零。1017 三軸壓縮試驗，圍壓為1.00kg/cm2，室壓及反水壓應 如何控制： (1)室壓5.00kg/cm2 (2)反水壓4.00kg/cm2 (3)以上皆 是。1018 三軸壓縮試驗，圍壓加1.00kg/cm2，壓力環之反應如 何：(1)順時鐘方向 (2)反時鐘方向 (3)不動。104/1081019 三軸壓縮試驗，圍壓加1.00kg/cm2，壓力環應否歸 零：(1)應該 (2)不必 (3)不動。1020 三軸壓縮試驗，圍壓加1.00kg/cm2，壓力環歸零，而 後所得之壓力是： (1)最大主應力 (2)最小主應力

29、 (3)軸差應力。1021 三軸壓縮試驗，SCU試驗分三大步驟，下列何者有 誤：(1)飽和試體 (2)不壓密試體 (3)加軸差應力。1022 三軸壓縮試驗，SCU試驗圍壓加1.00kg/cm2時，飽和 時超額孔隙水壓力為何： (1)1.00kg/cm2 (2)0.5kg/cm2 (3)0kg/cm2。105/1081023 三軸壓縮試驗，SCU試驗圍壓加1.00kg/cm2時，壓密 前超額孔隙水壓力為何： (1)1.00kg/cm2 (2)0.6kg/cm2 (3)0kg/cm2。1024 三軸壓縮試驗，SCU試驗圍壓加1.00kg/cm2時，壓密 後前超額孔隙水壓力為何： (1)1.00kg

30、/cm2 (2)0.6kg/cm2 (3)0kg/cm2。1025 三軸壓縮試驗，UUU試驗圍壓加1.00kg/cm2時，超額 孔隙水壓力0.60kg/cm2，孔隙水壓力參數B為何： (1)0.6 (2)0.6 (3)0。1026 三軸壓縮試驗，SCU試驗軸差壓力加3.00kg/cm2時， 超額孔隙水壓力0.60kg/cm2，孔隙水壓力參數A為 何：(1)0.2 (2)0.2 (3)0。106/1081027 三軸壓縮試驗，SCU試驗軸差壓力加3.00kg/cm2時， 測超額孔隙水壓力時排水閥門應： (1)打開 (2)關閉 (3)皆可。1028 三軸壓縮試驗，三軸室桿軸周圍有幾個閥門? (1)

31、一個 (2)二個 (3)三個。1029 三軸試驗如何測知軸向應力： (1)壓力環 (2)速率 (3)體積變化儀。1030 三軸試驗如何測知體積變化： (1)壓力環 (2)速率 (3)體積變化儀。試驗十【答】：(3)(1)(2)(1)(1)(2)(2)(3)(1)(1) (3)(3)(1)(2)(1)(2)(3)(1)(1)(3) (2)(1)(1)(3)(1)(2)(2)(1)(1)(3)107/1081.三軸壓縮試驗如何準備試體三軸壓縮試驗如何準備試體? 如何飽和試體如何飽和試體? 如何壓密試體如何壓密試體?2.三軸試驗儀之三軸室如何加反水壓以便做三軸透水試驗三軸試驗儀之三軸室如何加反水壓以便做三軸透水試驗?3.何謂何謂SCU三軸壓縮試驗三軸壓縮試驗?4.如何以如何以SCU三軸壓縮試驗結果，求出土壤凝聚力及內摩三軸壓縮試驗結果，求出土壤凝聚力及內摩 擦角擦角?(七七)試驗討論問題試驗討論問題108/108敬請指教敬請指教