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“土体力学性质研究的三轴虚拟仿真实验”于2018年获批国家级虚拟仿真项目

实验目的

通过线上虚拟仿真三轴剪切实验,实现土的不固结不排水剪切实验( UU实验)、固结不排水剪切实验( CU实验)以及固结排水剪切实验( CD实验) ; 掌握上述三种三轴剪切实验操作的区别,体会理解固结与否、剪切快慢对土体强度的影响;做不同土体的三轴虚拟仿真实验,得到无粘性土与粘性土在不同实验条件下的实验曲线,理解无粘性土与粘性土强度与变形性质的差异;实现多种应力路径模拟,模拟土体试样在加压及减压情况下的三轴压缩伸长、各向等压、等比加载等不同应力路径下的反应,进而反映不同工况下土体受力变形破坏的机理。

熟悉真实的三轴试验仪结构以及各部分构件的配合机理,延伸实验教学时间和空间,熟练并掌握复杂的实验流程。

在低成本、低消耗、无安全隐患的前提下,提升实验教学质量和水平,激发学生的学习积极性,切实锻炼学生的动手能力,促进创新创造性能力的综合培养。

实验原理

三轴剪切实验是研究探讨土体力学性质的重要实验。三轴剪切实验的基本原理是对圆柱体土样施加轴向和侧向压励,改变其中的一个压力,使试样受到剪切直至达到破坏的实验方法。图1是三轴实验增加轴向压力情况下的实验土样受力状态:

图1：三轴实验受力状态

( 1 )不固结不排水剪切实验

由于三轴剪切仪能严格控制排水条件,饱和粘性土不固结不排水剪切实验的强度包线是一条完美的直线 , φu=0, Tu=cu ,如图2所示:

图2：不固结不排水剪实验强度包线

( 2 )固结排水剪切实验

在三轴固结排水剪切实验中,施加给试样的荷载完全由骨架承担,不产生超孔隙水压力。测得的强度包线也表示剪切破坏时剪破面上的法向有效应力与抗剪强度关系,如图3所示，由此可得到强度指标cd，φd。

图3：固结排水剪实验强度包线

( 3 )固结不排水剪切实验

进行三轴固结不排水剪切实验时，如果所施加的固结压力o3大于先期固结压力,则剪前试样相对于σ3处于正常固结状态。如果pc>σ3 ,则处于超固结状态。连接正常固结各试样极限应力圆的公切线，可得到一条基本通过原点的强度包线,如图4所示；连接超固结实验中各个试样的极限应力圆的公切线,如图5所示,由此可得到强度指标φcu, Ccu。

图4：正常固结土固结不排水剪实验强度包线          图5：超固结土固结不排水剪实验强度包线

(4)直剪固结快剪与三轴固结不排水剪切指标的对比

在工程中，三轴剪切实验的Ccu, φcu与直剪试验的cq，φg是不区分的,但是严格意义上讲,是有区别的。直剪固结快剪强度包线表示剪前剪破面.上的有效固结应力与抗剪强度的关系,每个试样的抗剪强度对应着剪前的有效固结应力;三轴固结不排水剪,每个试样的抗剪强度与剪前的有效应力并不对应,因而理论上φcu<φcq,如图6所示。

图6：直剪固结快剪与三轴固结不排水剪切强度的比较

( 5)有效应力强度指标

如果在剪破时的主应力σ1f , σ3f中扣除该时刻的孔隙水压力uf ,便得到剪破时的有效主应力o'1f, σ'3f ;σ'1f=C1fUf; σ'3f=O3f-Uf

用二者做应力圆,则得到有效应力圆。由上式可知,有效应力圆仅是总应力圆的平移,大小是相等的。至于向左还是向右,则取决于是正的孔隙水压力还是负的孔隙水压力。由有效应力圆绘制出来的强度包线成为有效强度包线,对应的c' , φ成为有效粘聚力和有效内摩擦角。

( 6)三轴剪切实验中试样的应力路径

三轴试验中轴向加载活塞与试样帽间有拉挂装置时,轴向应力也可为小主应力。按照-定规律变化室压σ3和轴向应力σ1 ,可以模拟出7种应力路径的三轴实验,如图7所示。

图7：各种三轴剪切实验的应力路径

1.各向等压试验( HC )

应力状态为σ1=σ3 ,随着围压的增长,相应的应力分弓|起的体应变增量越来越小。

2.常规三轴压缩( CTC )

保持一定围压不变对试样先进行HC实验 ,之后增加轴向压力直至破坏。

3.常规三轴伸长实验( CTE )

先进行HC实验,保持轴向应力不变，退 ? :羌识别结果 样被挤长。

4.平均主应力p为常数的三轴压缩( TC)与二轴伸长(TE )

TC实验中保持平均主应力p为常数,以轴向应力为大主应力,同时围压减小,使得p保持不变。

TE试验中保持p为常数,但轴向应力为小主应力,减小轴向应力的同时增加围压。

5.减压的三轴压缩( RTC )

试验中轴向应力为大主应力保持不变，围压逐渐减小,试样最终压缩破坏。

6.减压的三轴伸长( RTE )

保持围压不变,轴向应力减小,试样被轴向伸长,可达到破坏。

7.等比加载( PL )

令σa/σc=K ,在这类试验中,试样总是处于加载压缩或者卸载回弹两种状态。