阿(a)萊桑德羅·馬吉奧尼

在本(ben)文中，我們將探索三軸試(shi)驗的(de)所有方(fang)面，包括：

定(ding)義什么是三軸(zhou)試驗

概述為什么應該(gai)進(jin)行這些(xie)試驗

講解不(bu)同類型的固結試(shi)驗和方法

了解典(dian)型(xing)的試驗步驟(zou)

了(le)解所需主要組件的詳(xiang)細信息

了解(jie)典型的(de)可用配置

什么是三軸試驗？

典型的(de)三軸試(shi)驗涉及(ji)將高度(du)直徑比(bi)為2:1的(de)密封圓柱形土壤試(shi)樣(yang)(yang)(yang)限(xian)制(zhi)在(zai)加壓(ya)壓(ya)力(li)室中，以模(mo)擬定義的(de)應力(li)條(tiao)件(jian)。然(ran)后對(dui)試(shi)樣(yang)(yang)(yang)進行剪(jian)切，直到破壞，從而確定其(qi)剪(jian)切強度(du)特(te)性。試(shi)樣(yang)(yang)(yang)通常先飽(bao)和，然(ran)后固(gu)結，最(zui)后剪(jian)切，大(da)多在(zai)壓(ya)縮條(tiao)件(jian)下。

當然，還(huan)可(ke)以使用(yong)正(zheng)確的設備(bei)進(jin)行(xing)一些(xie)進(jin)一步的測(ce)(ce)試。例(li)如，帶有可(ke)形成真空附件的頂蓋（在(zai)加載框架、荷載傳感器和試樣(yang)(yang)之(zhi)間創建剛性連接所必需的）允(yun)許在(zai)拉(la)伸(shen)條(tiao)件下進(jin)行(xing)三軸測(ce)(ce)試、應力路徑(jing)或(huo)K0測(ce)(ce)試。必須對受不同應力和排水條(tiao)件影響的未擾動、重塑或(huo)壓實(shi)的試樣(yang)(yang)進(jin)行(xing)測(ce)(ce)試（見下文圖1和圖2），以模(mo)擬(ni)現(xian)場的應力。樣(yang)(yang)品尺(chi)寸從38毫米到100毫米不等，但只要使用(yong)正(zheng)確的設備(bei)，也可(ke)以使用(yong)更大的樣(yang)(yang)品。

圖1-標準(zhun)三軸測試中的應力條件。

圖2-總應力/有效(xiao)應力

σ1或σV=軸(zhou)向/垂直(zhi)應力

σ3或σh=圍壓/水平(ping)壓力

u=孔隙水壓(ya)力（PWP）

為什么進行三軸試驗？

三(san)軸(zhou)試驗是巖(yan)土工程(cheng)中用途最廣泛、最全面、最廣泛執行(xing)的試驗之一。下表1列出了三(san)軸(zhou)測試可以評估的最常見工程(cheng)問題。

淺層(ceng)地基引起的不同應力(li)條件示例(li)

淺層地基和開挖相結合引起的(de)(de)不同(tong)應力條(tiao)件的(de)(de)例子。

其他一些測(ce)試更(geng)容(rong)易執(zhi)行(xing)，如(ru)標(biao)準直接(jie)剪(jian)切(qie)測(ce)試，但這些測(ce)試沒有像不允許控制試樣(yang)的排水量以及進(jin)行(xing)孔隙壓力測(ce)量那樣(yang)全面。此外，三軸(zhou)(zhou)試驗有助于計算(suan)重要的土壤參(can)數，如(ru)內(nei)聚(ju)力（c’）、摩擦角（φ’）和待確定(ding)的剪(jian)切(qie)強(qiang)度(du)。三軸(zhou)(zhou)試驗還可(ke)用于確定(ding)其他變量，如(ru)剪(jian)切(qie)剛度(du)G和滲透率(lv)k。

三軸試驗類型

實(shi)驗室(shi)可以進(jin)行三項基本的三軸(zhou)試驗，每(mei)項試驗都允許觀察不(bu)同工程應(ying)用的土(tu)壤響應(ying)：

不(bu)固結不(bu)排水測(ce)試(shi)（UU），也(ye)稱為快剪三軸測(ce)試(shi)

固結不排水測(ce)試（CU）

固結(jie)排水測試（CD）

UU三軸(zhou)(zhou)試驗(yan)(yan)也(ye)稱為總應(ying)力(li)試驗(yan)(yan)，CU/CD三軸(zhou)(zhou)試驗(yan)(yan)也(ye)稱為有效應(ying)力(li)試驗(yan)(yan)。UU三軸(zhou)(zhou)試驗(yan)(yan)通常用于(yu)短期工(gong)程問題，CU和CD三軸(zhou)(zhou)試驗(yan)(yan)用于(yu)評估長期工(gong)程問題。

不固結不排水（UU）

用這種(zhong)方法，以(yi)總應(ying)力來測量(liang)剪切強度(du)。土壤試樣不進行固結，必須保持其(qi)原始(shi)結構和含(han)水量(liang)，使其(qi)抗(kang)壓(ya)強度(du)取決(jue)于現場的靜態應(ying)力水平。

通常對(dui)從同一(yi)(yi)樣(yang)品中獲(huo)得的(de)(de)三個試(shi)樣(yang)進(jin)行測試(shi)，每個試(shi)樣(yang)都受到(dao)不同的(de)(de)圍(wei)壓。在(zai)土壤完全飽和狀(zhuang)態下，每次試(shi)驗的(de)(de)剪(jian)切(qie)強度都是一(yi)(yi)樣(yang)的(de)(de)，稱(cheng)為(wei)“不排水(shui)的(de)(de)剪(jian)切(qie)強度”。另一(yi)(yi)種稱(cheng)為(wei)無側限（UCS）的(de)(de)測試(shi)也可以使用三軸系統進(jin)行，只需將(jiang)限制壓力(li)設置為(wei)零。

固結不排水（CU）

這(zhe)里以有(you)效應力(li)來衡量剪切強度。試樣飽和并(bing)允許在所需的約束壓力(li)下進(jin)行固結(jie)(jie)（土壤固結(jie)(jie)是改變其結(jie)(jie)構(gou)和含水量的過程）。一(yi)(yi)旦固結(jie)(jie)，試樣就被施加(jia)了(le)一(yi)(yi)定的荷載，在此期間不允許排水，以便(bian)測量孔隙壓力(li)。

由于(yu)剪(jian)切強度受有效應(ying)力(li)的影響，通過在不同約(yue)束壓力(li)下測試(shi)一組三個試(shi)樣，可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)庫(ku)侖模型定義失(shi)效包絡，定義參(can)數c'和φ'，并評(ping)估不排水的剪(jian)切強度。

固結排水（CD）

用這種(zhong)方法，以有效應力來測量剪切強度。試樣飽和，允許在所需的圍壓下固(gu)結(jie)。一旦固(gu)結(jie)，試樣就被施加了一定(ding)的荷載，在此期間允許水分(fen)排出，而不會產生孔隙(xi)壓力。

由于剪切強度受到有效(xiao)應力(li)的影響，通過在不同約束壓力(li)下測試一(yi)組三(san)個試樣，可以根據(ju)庫侖模型(xing)定義失效(xiao)包絡，并(bing)定義參數c'和φ'。

UU三(san)軸測(ce)試(shi)(shi)(shi)速度快，執行時間不到30分鐘，通(tong)常不經過飽和或固結階(jie)段(duan)(duan)，因為(wei)(wei)測(ce)試(shi)(shi)(shi)僅包括剪(jian)(jian)切階(jie)段(duan)(duan)。而CU和CD三(san)軸測(ce)試(shi)(shi)(shi)通(tong)常在(zai)飽和階(jie)段(duan)(duan)開始，然(ran)后進(jin)入固結段(duan)(duan)。CU和CD三(san)軸測(ce)試(shi)(shi)(shi)也需要(yao)更(geng)(geng)長的時間，有時幾天、幾周(zhou)甚至(zhi)幾個月才能(neng)完成。CD三(san)軸試(shi)(shi)(shi)驗通(tong)常耗時最長，因為(wei)(wei)在(zai)剪(jian)(jian)切階(jie)段(duan)(duan)，不允(yun)許孔隙壓力(li)積(ji)聚，導(dao)致應變(bian)率非常低。CU三(san)軸測(ce)試(shi)(shi)(shi)更(geng)(geng)快，因為(wei)(wei)孔隙水(shui)壓力(li)（PWP）允(yun)許增加(jia)，在(zai)整個剪(jian)(jian)切階(jie)段(duan)(duan)會(hui)測(ce)量(liang)超(chao)孔隙水(shui)壓力(li)。

典型測試步驟

測試前：樣品和系統準備

測試的試樣(yang)(yang)必須在放入三軸壓力(li)室之前從(cong)土(tu)壤樣(yang)(yang)品中獲取(qu)。對(dui)(dui)于粘聚(ju)土(tu)壤，這可能涉(she)及修剪(jian)從(cong)謝(xie)爾比管(guan)中擠出的未擾動的樣(yang)(yang)本或從(cong)塊(kuai)狀樣(yang)(yang)品中切(qie)割。然而，對(dui)(dui)于非粘聚(ju)的顆粒土(tu)壤，您需要使用對(dui)(dui)開模直(zhi)接在基座上(shang)準備試樣(yang)(yang)。下面是一個模具和以前的模具舉例：

用(yong)于制備重塑試樣的對開模帶(dai)抽真(zhen)空附(fu)件

這些模具(ju)用于通(tong)過(guo)壓實或振(zhen)動制備(bei)非(fei)粘聚性試樣(yang)——這是(shi)三(san)軸(zhou)試驗(yan)所必需的(de)。模具(ju)必須直接放置在(zai)三(san)軸(zhou)壓力室(shi)的(de)基座上(shang)。為(wei)了確(que)保橡皮膜附著在(zai)模具(ju)的(de)內壁上(shang)，施加真空以確(que)保重塑試樣(yang)的(de)直徑正確(que) 

切土器

用于(yu)從粘聚土(tu)樣(yang)品中制備未擾動的樣(yang)品，用于(yu)三軸(zhou)試驗(yan)。

對開模

用于修(xiu)剪不受擾動(dong)的樣品的兩端。一(yi)旦試(shi)樣準備完(wan)成，我們(men)準備進(jin)行三軸測試(shi)，三軸測試(shi)包括三個(ge)主要階段：

階(jie)段(duan)1-飽和

飽和過(guo)程(cheng)確(que)(que)保測(ce)試試樣(yang)內的(de)(de)所有(you)空隙都充滿水，并(bing)確(que)(que)保孔隙壓(ya)力傳感(gan)器和排水管路正確(que)(que)排氣(qi)。最(zui)常見的(de)(de)飽和方(fang)法是在試樣(yang)中(zhong)增加圍壓(ya)和反(fan)壓(ya)。這個過(guo)程(cheng)逐漸(jian)提高圍壓(ya)和反(fan)壓(ya)，這可以溶解(jie)樣(yang)品中(zhong)可能存在的(de)(de)任何空氣(qi)。

在此過程中(zhong)，計算孔(kong)隙壓(ya)(ya)力系數(shu)B以確定飽和(he)度。重復(fu)這(zhe)些步驟，直到樣(yang)品飽和(he)。大多數(shu)標準(zhun)規定，大于0.95的B值(zhi)表明標本已充分飽和(he)。B值(zhi)計算為一個(ge)比(bi)值(zhi)其中(zhong)?u=孔(kong)壓(ya)(ya)變化?σ3=圍壓(ya)(ya)變化;

B=?u/?σ3

階段2-固(gu)結

飽和(he)后(hou)，試(shi)樣(yang)通常(chang)被(bei)固(gu)結(jie)(jie)(jie)到代表(biao)其原(yuan)位條(tiao)件的應力狀態。固(gu)結(jie)(jie)(jie)通常(chang)是各向同性(xing)的應力-垂直和(he)水(shui)平施加給樣(yang)品的應力相同（σ3=σ1）。然而，固(gu)結(jie)(jie)(jie)也可以是各向異(yi)(yi)性(xing)的，其中σ3≠σ1。在這種情(qing)況下，測(ce)試(shi)通常(chang)縮寫為CIU（各向同性(xing)固(gu)結(jie)(jie)(jie)不排水(shui)）或CAU（各向異(yi)(yi)性(xing)固(gu)結(jie)(jie)(jie)不排水(shui)）。試(shi)樣(yang)固(gu)結(jie)(jie)(jie)通常(chang)通過增加圍壓進(jin)行，同時保(bao)持恒定的反(fan)壓（通常(chang)等于最(zui)終飽和(he)度B檢測(ce)期(qi)間達到的孔隙壓力）。

一(yi)旦固結過程(cheng)開(kai)始(shi)，當固結過程(cheng)使得試(shi)樣(yang)中排出(chu)(chu)水，試(shi)樣(yang)中超孔隙(xi)水壓力將開(kai)始(shi)消失，從而減少其體積。這一(yi)過程(cheng)一(yi)直持續到試(shi)樣(yang)的(de)體積變(bian)化不再顯(xian)著，并且至(zhi)少有95%的(de)超孔隙(xi)水壓力已經消散。在(zai)固結階段結束時，還可計算出(chu)(chu)剪切試(shi)樣(yang)的(de)合適(shi)應變(bian)速率。有關更(geng)多(duo)信息，請閱(yue)讀我(wo)們專門用于固結測試(shi)的(de)文章。

階段(duan)3-剪切

剪切試(shi)驗也稱(cheng)為破壞或壓縮階(jie)段，涉及通過(guo)逐漸增加軸(zhou)向力（σ1）（恒定(ding)軸(zhou)向應變(bian)速(su)率）、保(bao)持圍壓（σ3）來剪切試(shi)樣，直到樣品破壞（破壞通常(chang)發(fa)生在軸(zhou)向應變(bian)的20%以(yi)內）。根(gen)據剪切階(jie)段需要模擬的工程問(wen)題(ti)，適用于試(shi)樣的排(pai)水(shui)條件將決定(ding)是否進行排(pai)水(shui)或不排(pai)水(shui)測試(shi)。

在不(bu)排水(shui)的測試(shi)中，不(bu)允許(xu)樣(yang)(yang)(yang)品排水(shui)-其體積在此階(jie)段不(bu)會改變，但形狀(zhuang)會發生變化(hua)，導致孔隙壓力(li)發展，將(jiang)(jiang)進行(xing)測量(liang)。如(ru)果(guo)允許(xu)排水(shui)，在剪切(qie)階(jie)段，水(shui)將(jiang)(jiang)從試(shi)樣(yang)(yang)(yang)中排出，使試(shi)樣(yang)(yang)(yang)的體積和(he)形狀(zhuang)發生變化(hua)，同時防止(zhi)孔隙壓力(li)發生變化(hua)。

除(chu)了確(que)定(ding)剪切強度外，內聚(ju)力（c’）和phi（φ’）的(de)值也可以使用莫爾圓和應力路徑圖來確(que)定(ding)。在剪切結(jie)束時(shi)，您需要拆除(chu)系(xi)統并(bing)進行測試后試樣(yang)測量(liang)，例如最終(zhong)含水量(liang)。

三軸系統的主要部(bu)件

要進行(xing)三(san)軸測試，系統需(xu)要多(duo)個組(zu)件：

1.荷(he)載架(jia)：荷(he)載架(jia)對試(shi)樣施加軸(zhou)(zhou)向變形(xing)，可以(yi)與(yu)多個三(san)軸(zhou)(zhou)壓力(li)室共享。在這種配(pei)置中，飽(bao)和(he)和(he)固(gu)結(jie)階段可以(yi)同時(shi)進(jin)行(xing)，剪切階段可以(yi)在荷(he)載框架(jia)下每次運行(xing)一個（例如(ru)，配(pei)置一個框架(jia)和(he)三(san)個三(san)軸(zhou)(zhou)壓力(li)室）。當荷(he)載架(jia)等于(yu)三(san)軸(zhou)(zhou)壓力(li)室數時(shi)，荷(he)載架(jia)可以(yi)視為專用荷(he)載架(jia)，從而進(jin)行(xing)額(e)外的(de)高級測(ce)試(shi)，如(ru)應力(li)路徑和(he)K0測(ce)試(shi)。

2.三(san)軸壓(ya)(ya)力(li)室和三(san)軸壓(ya)(ya)力(li)室配件：三(san)軸壓(ya)(ya)力(li)室可用(yong)(yong)于(yu)各種樣(yang)品尺(chi)寸和額定壓(ya)(ya)力(li)值(zhi)。壓(ya)(ya)力(li)室容(rong)納三(san)軸試(shi)樣(yang)，并在所(suo)有測試(shi)階段(duan)隨時加壓(ya)(ya)。試(shi)樣(yang)密封在橡(xiang)膠膜內，然后用(yong)(yong)水包圍(wei)，以產生壓(ya)(ya)力(li)，然后用(yong)(yong)于(yu)對樣(yang)品施加應(ying)力(li)（σ3）。

如果需(xu)要(yao)(yao)，可以施加反壓使(shi)(shi)樣(yang)品(pin)飽和(he)。在剪切階段，試樣(yang)上的(de)軸向力(li)增加，由測壓元件測量，以及位移(yi)傳感(gan)器測量的(de)變形，如有需(xu)要(yao)(yao)，可以測量樣(yang)品(pin)中的(de)孔隙壓力(li)。樣(yang)品(pin)的(de)體積(ji)變化從反壓端(duan)測量使(shi)(shi)用(yong)體變管或壓力(li)/體積(ji)控制器。

3.壓力系統(tong)：三種類(lei)型的系統(tong)可用于在三軸系統(tong)內施(shi)加圍壓和(he)反(fan)壓：

空氣/水面板包括：

配(pei)電板-旨在正確地將除氣(qi)水(shui)分配(pei)到形成三(san)軸系統(tong)的各種設備中。它為每(mei)個壓力(li)線(xian)（通常是兩(liang)條）配(pei)備壓力(li)調節器(qi)，它還(huan)允許技術人員通過壓力(li)表調整來自空氣(qi)壓縮機的壓力(li)。

囊(nang)狀(zhuang)氣缸-在三軸(zhou)系統中提供壓(ya)縮空(kong)氣和水(shui)之間(jian)的界面。它配有(you)橡(xiang)膠囊(nang)，將氣壓(ya)轉換為壓(ya)力室中使用的水(shui)壓(ya)和三軸(zhou)測試所需的反(fan)壓(ya)。

空(kong)氣壓(ya)縮機-用于產生壓(ya)縮空(kong)氣。

壓力體(ti)積/控制(zhi)器：

這可以通(tong)過對(dui)水缸施加壓力，并在(zai)(zai)不需(xu)要任何壓縮(suo)空氣的情況(kuang)下產生(sheng)所需(xu)的壓力室壓力和(he)反(fan)壓來實(shi)現。步進電(dian)機驅動該單元，使其(qi)能夠在(zai)(zai)三軸測試的所有階(jie)段(duan)測量體積變化。為了便于(yu)在(zai)(zai)開始測試前將水正確分配到(dao)所有設備，建議添加一個(ge)分配面板(ban)。

油/水界面：

該設備通常用于(yu)在(zai)不需要反壓(ya)和體積變化測量(liang)的(de)(de)UU測試中產生約束(shu)壓(ya)力（圍(wei)壓(ya)）。它(ta)通過使用與泵(beng)和油/水(shui)容(rong)器相連(lian)的(de)(de)可調彈簧式自重壓(ya)力系統(tong)來提供恒(heng)定(ding)的(de)(de)水(shui)壓(ya)。

 模擬測(ce)量(liang)設備(bei)或電子測(ce)量(liang)設備(bei)：可以使用一(yi)些傳感器來監控測(ce)試所涉及的(de)不(bu)同變量(liang)：

荷(he)載傳感(gan)器-測量剪切階段應用(yong)于試樣的(de)(de)軸(zhou)向(xiang)載荷(he)的(de)(de)變化。它可以是荷(he)載環或外置(zhi)及內置(zhi)的(de)(de)水下荷(he)重傳感(gan)器。

 位(wei)移傳(chuan)感(gan)器-測量(liang)試樣高度的變化（軸(zhou)向(xiang)應變εa）。它可(ke)以是機(ji)械千分表(biao)、數字千分表(biao)或電位(wei)傳(chuan)感(gan)器

體(ti)積(ji)變(bian)化(hua)傳感器(qi)(qi)-用(yong)于CU和CD測(ce)試，以測(ce)量(liang)(liang)進出試樣的(de)水量(liang)(liang)，以及測(ce)試期間(jian)試樣的(de)體(ti)積(ji)變(bian)化(hua)。這可能是一個布列特或自(zi)動(dong)體(ti)積(ji)變(bian)化(hua)裝置。當(dang)與壓力/體(ti)積(ji)控制器(qi)(qi)一起使(shi)用(yong)時，體(ti)積(ji)也可以用(yong)這種(zhong)傳感器(qi)(qi)來測(ce)量(liang)(liang)。

孔(kong)(kong)隙水(shui)壓(ya)(ya)-用于CU和CD測(ce)試，以(yi)測(ce)量試樣(yang)內孔(kong)(kong)隙水(shui)壓(ya)(ya)的變化。這可以(yi)是壓(ya)(ya)力計或孔(kong)(kong)隙壓(ya)(ya)力傳(chuan)感器。

4.數(shu)(shu)據采集(ji)：數(shu)(shu)據記錄器將從測壓元(yuan)件(jian)、孔隙水壓和軸(zhou)(zhou)向位移傳感器獲得的模(mo)擬讀數(shu)(shu)轉(zhuan)換為(wei)(wei)數(shu)(shu)字數(shu)(shu)據，然后存儲。它可(ke)以內置標準三軸(zhou)(zhou)系統，也可(ke)以作為(wei)(wei)外部設備提供。當與自動系統一起(qi)使用(yong)時，數(shu)(shu)據采集(ji)還可(ke)以使用(yong)PC和專用(yong)軟(ruan)件(jian)管理(li)和控(kong)制三軸(zhou)(zhou)測試(shi)所(suo)需的所(suo)有(you)設備。

5.除氣(qi)系統：從水中去除溶解空氣(qi)，是CU/CD測試所必需的。

6.數據(ju)處(chu)理和報告(gao)：主(zhu)要國際(ji)標準要求對數據(ju)進(jin)行處(chu)理，以(yi)生(sheng)成專門的測(ce)試報告(gao)。

三軸(zhou)試驗典型(xing)配置

具有(you)模擬(ni)測(ce)(ce)量裝置(zhi)的(de)(de)三(san)軸系(xi)統是對不需(xu)要數字測(ce)(ce)量的(de)(de)實驗室進(jin)行(xing)標準(zhun)三(san)軸測(ce)(ce)試的(de)(de)理想(xiang)基(ji)本解決方案，例如有(you)效(xiao)和(he)總應力。所有(you)數據采集和(he)測(ce)(ce)試管理都是手動模式。

具有自動內置數據采集的三軸系統是標準(zhun)三軸測試（有效和總(zong)應力(li)(li)）最簡(jian)單的緊湊解決(jue)方案。可配(pei)備(bei)標準(zhun)空氣/水界面壓(ya)力(li)(li)系統，也可配(pei)備(bei)自動壓(ya)力(li)(li)/體積控(kong)制器。對外部數據采集儀(yi)和/或PC沒有要(yao)求。

具(ju)有自動外部數(shu)據采(cai)集的三軸系(xi)統(tong)是(shi)標(biao)準三軸測試(shi)（有效和(he)總應力）和(he)許多其(qi)他(ta)土(tu)壤測試(shi)的可擴展緊湊解決方案。可配(pei)(pei)備(bei)標(biao)準空氣(qi)/水(shui)界面壓力系(xi)統(tong)，也可配(pei)(pei)備(bei)自動壓力/體(ti)積控制器。數(shu)據采(cai)集可以與其(qi)他(ta)土(tu)壤測試(shi)設備(bei)（如固結和(he)剪切）采(cai)集和(he)/或(huo)PC共(gong)享。

全自動(dong)PC控制的(de)三軸(zhou)系統AUTOTRIAX EmS2：先進的(de)三軸(zhou)測試(shi)系統，無需任何人(ren)工(gong)干預，即可(ke)自動(dong)運(yun)行多達6次獨立測試(shi)。

全自(zi)(zi)動三軸(zhou)測(ce)試系(xi)統-AUTOTRIAXQube：三軸(zhou)測(ce)試的(de)多個(ge)組件集成到(dao)一個(ge)單一緊湊的(de)系(xi)統中的(de)自(zi)(zi)動化三軸(zhou)測(ce)試系(xi)統。