Испытание грунта на прочность при трехосном сдвиге измеряет механические свойства грунта. В этом испытании образец грунта подвергается нагрузке, причем напряжение, полученное в одном направлении, будет отличаться от напряжения в перпендикулярном направлении. По результатам этого испытания определяются такие свойства грунта, как сопротивление сдвигу, связность и напряжение дилатансии. Это испытание наиболее широко используется и подходит для всех типов грунтов.
- Условия эффективного напряжения
Аппаратура для испытания на трехосный сдвиг
Важными приборами для испытания на трехосный сдвиг являются:
Принцип испытания на трехосный сдвиг
В испытании используется цилиндрический образец, обычно с отношением длины к диаметру 2, который подвергается нагрузке в условиях осевой симметрии так, как показано на рисунке ниже.
Схематическая диаграмма системы напряжений в почве при трехосном испытании
Аппарат для трехосного испытания
Обычный размер образца составляет 76 мм х 38 мм и 100 мм х 50 мм. Образец подвергается трем основным напряжениям. Среди этих трех напряжений два напряжения обусловлены давлением воды, которая находится в пределах ограничивающей ячейки. Эти два значения равны.
Приложение нагрузки к верхней части ячейки с помощью плунжера, как показано выше, является приложенным третьим напряжением. Это напряжение отличается от двух других напряжений.
Испытуемый образец имеет концы, уплотненные верхней крышкой и нижней подставкой с помощью резиновых уплотнительных колец. Если речь идет об измерении порового давления, то в нижней и верхней части образца могут быть помещены пористые камни.
Датчики давления используются для измерения давления, развиваемого внутри образца.
Испытание на трехосный сдвиг может проводиться в два этапа:
Шаг 1: Образец грунта подготавливается и помещается в трехосную камеру. Затем прикладывается ограничивающее давление.
Шаг 2: Здесь прикладывается девиаторное напряжение, которое является дополнительным осевым напряжением. Это вызывает напряжения сдвига в образце. Осевое напряжение увеличивается до тех пор, пока образец грунта не разрушится.
Приложенные напряжения, осевая деформация и давление поровой воды измеряются для обоих вышеуказанных этапов.
Процедура испытания на трехосный сдвиг
Образец может быть подготовлен как в отформованном, так и в ненарушенном виде. Неповрежденный грунт может быть испытан на почвах, обладающих достаточной связностью. Для того чтобы изготовить восстановленный грунт, собирается связный грунт и уплотняется должным образом. При подготовке грунтов с низкой связностью соблюдается осторожность.
Испытание на трехосный сдвиг может проводиться в различных вариантах. Наиболее часто используемыми типами являются:
1. Неконсолидированный недренированный тест (UU)
Как следует из названия, образец почвы подвергается давлению на клетки без обеспечения дренажа. При этом давление в камере поддерживается на постоянном уровне, а приложенное отклоняющее напряжение увеличивается до тех пор, пока образец не разрушится. Это называется быстрым испытанием.
2. Консолидированное испытание без дренажа (CU)
Здесь во время приложения давления в камере к образцу допускается дренаж. А девиаторное напряжение прикладывается при постоянном давлении в камере и без обеспечения дальнейшего дренажа.
3. Консолидированное дренированное испытание (CD)
Это испытание также называют дренажным или медленным испытанием. Здесь отклоняющее напряжение увеличивается, позволяя дренажу происходить в прежнем режиме, а давление в камере также поддерживается постоянным. Скорость нагружения прикладывается медленно, чтобы в образце не развивалось избыточное поровое давление.
Подготовленный образец обволакивается мембраной и помещается в трехосную ячейку. К нему прикладывается необходимое боковое давление. Пока образец не разрушится, прикладывается боковое давление. Регистрируется вертикальная деформация и показания нагрузки.
Основная цель испытания – определить значения когезии и угла внутреннего трения. Для определения этих значений необходимо испытать на образце три различных значения бокового давления.
Расчеты
Образец для испытаний подвергается боковому давлению по всему периметру ( 
). Девиационное напряжение 
). Девиационное напряжение . Тогда полное вертикальное напряжение равно
,
Круг Мора строится путем построения графиков и и по оси x, а напряжение сдвига – по оси y. Огибающая разрыва Мора получается путем проведения касательной к полученным окружностям. Касательная будет пересекаться с осью y. Пересечение по оси y даст значение когезии (C). Наклон плоскости разрушения или линии касательной даст угол внутреннего трения почвы (ø).
Нагрузка может увеличить поперечное сечение образца грунта. Это потребует поправки на девиационное напряжение . В данном случае поправка вводится в предположении, что объем образца остается постоянным, а площадь изменяется. Скорректированное девиатрическое напряжение имеет вид
P1 = Приложенная нагрузка
Ao = Исходная площадь поперечного сечения
l0 = Исходная длина образца
l = деформация образца
Сопротивление сдвигу образца определяется по:
Определение параметров напряжений с помощью круга Мора
Условия эффективного напряжения
Эффективные напряжения, действующие на образец грунта во время испытания, показаны на рисунке. В данном случае эффективное малое главное напряжение равно давлению в камере (давление жидкости) минус поровое давление. Главное основное напряжение равно девиаторному напряжению плюс давление в камере. Следовательно, эффективное главное принципиальное напряжение 
равно главному главному напряжению минус поровое давление.
Пусть компоненты напряжения на плоскости разрушения MN равны 
и 
и плоскость разрушения наклонена под углом 
к основной плоскости.
Рис.4.Определение эффективного напряжения с помощью круга Мора
Пусть огибающая DF рассекает абсциссу под углом 
а C – центр окружности Мора.
Из 
и 
получаем,
Отношения главных напряжений при разрушении
OC = 
OF = 
Опять же из 
,
Решая это уравнение, получаем
Но 
Следовательно, 
Из проведенной окружности Мора прямая линия образует плоскость разрушения, а образовавшийся перекресток является параметром эффективной прочности c’ грунта. Угол, образованный плоскостью ø’, образует угол трения. Следовательно, эффективная прочность на сдвиг определяется как
Измерение давления поровой воды
Давление поровой воды должно измеряться в условиях отсутствия потока как из образца, так и в него, иначе правильное давление будет изменено. Можно измерить давление поровой воды на одном конце образца, в то время как на другом конце происходит дренаж. Условие отсутствия потока поддерживается с помощью нулевого индикатора, представляющего собой U-образную трубку, частично заполненную ртутью.
Преимущества трехосного испытания
Недостатки трехосного испытания
- Прочность грунтов на срез и ее испытания.
- Прочность грунта на сдвиг с помощью испытания на прямой сдвиг.
- Прочность грунта на сдвиг с помощью испытания на сдвиг лопастью.
- ГЕОТЕХНИЧЕСКИЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ.
- Концепция проектирования высотных зданий из железобетона.
- СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ.
- ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД.