阿萊桑德羅·馬吉奧尼

在本文中，我們將探索三軸試驗的所有方面，包括：

定義什么是三軸試驗

概述為什么應(yīng)該進(jìn)行這些試驗

講解不同類型的固結(jié)試驗和方法

了解典型的試驗步驟

了解所需主要組件的詳細(xì)信息

了解典型的可用配置

什么是三軸試驗？

典型的三軸試驗涉及將高度直徑比為2:1的密封圓柱形土壤試樣限制在加壓壓力室中，以模擬定義的應(yīng)力條件。然后對試樣進(jìn)行剪切，直到破壞，從而確定其剪切強(qiáng)度特性。試樣通常先飽和，然后固結(jié)，最后剪切，大多在壓縮條件下。

當(dāng)然，還可以使用正確的設(shè)備進(jìn)行一些進(jìn)一步的測試。例如，帶有可形成真空附件的頂蓋（在加載框架、荷載傳感器和試樣之間創(chuàng)建剛性連接所必需的）允許在拉伸條件下進(jìn)行三軸測試、應(yīng)力路徑或K0測試。必須對受不同應(yīng)力和排水條件影響的未擾動、重塑或壓實的試樣進(jìn)行測試（見下文圖1和圖2），以模擬現(xiàn)場的應(yīng)力。樣品尺寸從38毫米到100毫米不等，但只要使用正確的設(shè)備，也可以使用更大的樣品。

圖1-標(biāo)準(zhǔn)三軸測試中的應(yīng)力條件。

圖2-總應(yīng)力/有效應(yīng)力

σ1或σV=軸向/垂直應(yīng)力

σ3或σh=圍壓/水平壓力

u=孔隙水壓力（PWP）

為什么進(jìn)行三軸試驗？

三軸試驗是巖土工程中用途最廣泛、最全面、最廣泛執(zhí)行的試驗之一。下表1列出了三軸測試可以評估的最常見工程問題。

淺層地基引起的不同應(yīng)力條件示例

淺層地基和開挖相結(jié)合引起的不同應(yīng)力條件的例子。

其他一些測試更容易執(zhí)行，如標(biāo)準(zhǔn)直接剪切測試，但這些測試沒有像不允許控制試樣的排水量以及進(jìn)行孔隙壓力測量那樣全面。此外，三軸試驗有助于計算重要的土壤參數(shù)，如內(nèi)聚力（c’）、摩擦角（φ’）和待確定的剪切強(qiáng)度。三軸試驗還可用于確定其他變量，如剪切剛度G和滲透率k。

三軸試驗類型

實驗室可以進(jìn)行三項基本的三軸試驗，每項試驗都允許觀察不同工程應(yīng)用的土壤響應(yīng)：

不固結(jié)不排水測試（UU），也稱為快剪三軸測試

固結(jié)不排水測試（CU）

固結(jié)排水測試（CD）

UU三軸試驗也稱為總應(yīng)力試驗，CU/CD三軸試驗也稱為有效應(yīng)力試驗。UU三軸試驗通常用于短期工程問題，CU和CD三軸試驗用于評估長期工程問題。

不固結(jié)不排水（UU）

用這種方法，以總應(yīng)力來測量剪切強(qiáng)度。土壤試樣不進(jìn)行固結(jié)，必須保持其原始結(jié)構(gòu)和含水量，使其抗壓強(qiáng)度取決于現(xiàn)場的靜態(tài)應(yīng)力水平。

通常對從同一樣品中獲得的三個試樣進(jìn)行測試，每個試樣都受到不同的圍壓。在土壤完全飽和狀態(tài)下，每次試驗的剪切強(qiáng)度都是一樣的，稱為“不排水的剪切強(qiáng)度”。另一種稱為無側(cè)限（UCS）的測試也可以使用三軸系統(tǒng)進(jìn)行，只需將限制壓力設(shè)置為零。

固結(jié)不排水（CU）

這里以有效應(yīng)力來衡量剪切強(qiáng)度。試樣飽和并允許在所需的約束壓力下進(jìn)行固結(jié)（土壤固結(jié)是改變其結(jié)構(gòu)和含水量的過程）。一旦固結(jié)，試樣就被施加了一定的荷載，在此期間不允許排水，以便測量孔隙壓力。

由于剪切強(qiáng)度受有效應(yīng)力的影響，通過在不同約束壓力下測試一組三個試樣，可以根據(jù)庫侖模型定義失效包絡(luò)，定義參數(shù)c'和φ'，并評估不排水的剪切強(qiáng)度。

固結(jié)排水（CD）

用這種方法，以有效應(yīng)力來測量剪切強(qiáng)度。試樣飽和，允許在所需的圍壓下固結(jié)。一旦固結(jié)，試樣就被施加了一定的荷載，在此期間允許水分排出，而不會產(chǎn)生孔隙壓力。

由于剪切強(qiáng)度受到有效應(yīng)力的影響，通過在不同約束壓力下測試一組三個試樣，可以根據(jù)庫侖模型定義失效包絡(luò)，并定義參數(shù)c'和φ'。

UU三軸測試速度快，執(zhí)行時間不到30分鐘，通常不經(jīng)過飽和或固結(jié)階段，因為測試僅包括剪切階段。而CU和CD三軸測試通常在飽和階段開始，然后進(jìn)入固結(jié)段。CU和CD三軸測試也需要更長的時間，有時幾天、幾周甚至幾個月才能完成。CD三軸試驗通常耗時最長，因為在剪切階段，不允許孔隙壓力積聚，導(dǎo)致應(yīng)變率非常低。CU三軸測試更快，因為孔隙水壓力（PWP）允許增加，在整個剪切階段會測量超孔隙水壓力。

典型測試步驟

測試前：樣品和系統(tǒng)準(zhǔn)備

測試的試樣必須在放入三軸壓力室之前從土壤樣品中獲取。對于粘聚土壤，這可能涉及修剪從謝爾比管中擠出的未擾動的樣本或從塊狀樣品中切割。然而，對于非粘聚的顆粒土壤，您需要使用對開模直接在基座上準(zhǔn)備試樣。下面是一個模具和以前的模具舉例：

用于制備重塑試樣的對開模帶抽真空附件

這些模具用于通過壓實或振動制備非粘聚性試樣——這是三軸試驗所必需的。模具必須直接放置在三軸壓力室的基座上。為了確保橡皮膜附著在模具的內(nèi)壁上，施加真空以確保重塑試樣的直徑正確

切土器

用于從粘聚土樣品中制備未擾動的樣品，用于三軸試驗。

對開模

用于修剪不受擾動的樣品的兩端。一旦試樣準(zhǔn)備完成，我們準(zhǔn)備進(jìn)行三軸測試，三軸測試包括三個主要階段：

階段1-飽和

飽和過程確保測試試樣內(nèi)的所有空隙都充滿水，并確保孔隙壓力傳感器和排水管路正確排氣。最常見的飽和方法是在試樣中增加圍壓和反壓。這個過程逐漸提高圍壓和反壓，這可以溶解樣品中可能存在的任何空氣。

在此過程中，計算孔隙壓力系數(shù)B以確定飽和度。重復(fù)這些步驟，直到樣品飽和。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，大于0.95的B值表明標(biāo)本已充分飽和。B值計算為一個比值其中?u=孔壓變化?σ3=圍壓變化;

B=?u/?σ3

階段2-固結(jié)

飽和后，試樣通常被固結(jié)到代表其原位條件的應(yīng)力狀態(tài)。固結(jié)通常是各向同性的應(yīng)力-垂直和水平施加給樣品的應(yīng)力相同（σ3=σ1）。然而，固結(jié)也可以是各向異性的，其中σ3≠σ1。在這種情況下，測試通常縮寫為CIU（各向同性固結(jié)不排水）或CAU（各向異性固結(jié)不排水）。試樣固結(jié)通常通過增加圍壓進(jìn)行，同時保持恒定的反壓（通常等于最終飽和度B檢測期間達(dá)到的孔隙壓力）。

一旦固結(jié)過程開始，當(dāng)固結(jié)過程使得試樣中排出水，試樣中超孔隙水壓力將開始消失，從而減少其體積。這一過程一直持續(xù)到試樣的體積變化不再顯著，并且至少有95%的超孔隙水壓力已經(jīng)消散。在固結(jié)階段結(jié)束時，還可計算出剪切試樣的合適應(yīng)變速率。有關(guān)更多信息，請閱讀我們專門用于固結(jié)測試的文章。

階段3-剪切

剪切試驗也稱為破壞或壓縮階段，涉及通過逐漸增加軸向力（σ1）（恒定軸向應(yīng)變速率）、保持圍壓（σ3）來剪切試樣，直到樣品破壞（破壞通常發(fā)生在軸向應(yīng)變的20%以內(nèi)）。根據(jù)剪切階段需要模擬的工程問題，適用于試樣的排水條件將決定是否進(jìn)行排水或不排水測試。

在不排水的測試中，不允許樣品排水-其體積在此階段不會改變，但形狀會發(fā)生變化，導(dǎo)致孔隙壓力發(fā)展，將進(jìn)行測量。如果允許排水，在剪切階段，水將從試樣中排出，使試樣的體積和形狀發(fā)生變化，同時防止孔隙壓力發(fā)生變化。

除了確定剪切強(qiáng)度外，內(nèi)聚力（c’）和phi（φ’）的值也可以使用莫爾圓和應(yīng)力路徑圖來確定。在剪切結(jié)束時，您需要拆除系統(tǒng)并進(jìn)行測試后試樣測量，例如最終含水量。

三軸系統(tǒng)的主要部件

要進(jìn)行三軸測試，系統(tǒng)需要多個組件：

1.荷載架：荷載架對試樣施加軸向變形，可以與多個三軸壓力室共享。在這種配置中，飽和和固結(jié)階段可以同時進(jìn)行，剪切階段可以在荷載框架下每次運行一個（例如，配置一個框架和三個三軸壓力室）。當(dāng)荷載架等于三軸壓力室數(shù)時，荷載架可以視為專用荷載架，從而進(jìn)行額外的高級測試，如應(yīng)力路徑和K0測試。

2.三軸壓力室和三軸壓力室配件：三軸壓力室可用于各種樣品尺寸和額定壓力值。壓力室容納三軸試樣，并在所有測試階段隨時加壓。試樣密封在橡膠膜內(nèi)，然后用水包圍，以產(chǎn)生壓力，然后用于對樣品施加應(yīng)力（σ3）。

如果需要，可以施加反壓使樣品飽和。在剪切階段，試樣上的軸向力增加，由測壓元件測量，以及位移傳感器測量的變形，如有需要，可以測量樣品中的孔隙壓力。樣品的體積變化從反壓端測量使用體變管或壓力/體積控制器。

3.壓力系統(tǒng)：三種類型的系統(tǒng)可用于在三軸系統(tǒng)內(nèi)施加圍壓和反壓：

空氣/水面板包括：

配電板-旨在正確地將除氣水分配到形成三軸系統(tǒng)的各種設(shè)備中。它為每個壓力線（通常是兩條）配備壓力調(diào)節(jié)器，它還允許技術(shù)人員通過壓力表調(diào)整來自空氣壓縮機(jī)的壓力。

囊狀氣缸-在三軸系統(tǒng)中提供壓縮空氣和水之間的界面。它配有橡膠囊，將氣壓轉(zhuǎn)換為壓力室中使用的水壓和三軸測試所需的反壓。

空氣壓縮機(jī)-用于產(chǎn)生壓縮空氣。

壓力體積/控制器：

這可以通過對水缸施加壓力，并在不需要任何壓縮空氣的情況下產(chǎn)生所需的壓力室壓力和反壓來實現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動該單元，使其能夠在三軸測試的所有階段測量體積變化。為了便于在開始測試前將水正確分配到所有設(shè)備，建議添加一個分配面板。

油/水界面：

該設(shè)備通常用于在不需要反壓和體積變化測量的UU測試中產(chǎn)生約束壓力（圍壓）。它通過使用與泵和油/水容器相連的可調(diào)彈簧式自重壓力系統(tǒng)來提供恒定的水壓。

模擬測量設(shè)備或電子測量設(shè)備：可以使用一些傳感器來監(jiān)控測試所涉及的不同變量：

荷載傳感器-測量剪切階段應(yīng)用于試樣的軸向載荷的變化。它可以是荷載環(huán)或外置及內(nèi)置的水下荷重傳感器。

位移傳感器-測量試樣高度的變化（軸向應(yīng)變εa）。它可以是機(jī)械千分表、數(shù)字千分表或電位傳感器

體積變化傳感器-用于CU和CD測試，以測量進(jìn)出試樣的水量，以及測試期間試樣的體積變化。這可能是一個布列特或自動體積變化裝置。當(dāng)與壓力/體積控制器一起使用時，體積也可以用這種傳感器來測量。

孔隙水壓-用于CU和CD測試，以測量試樣內(nèi)孔隙水壓的變化。這可以是壓力計或孔隙壓力傳感器。

4.數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)記錄器將從測壓元件、孔隙水壓和軸向位移傳感器獲得的模擬讀數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，然后存儲。它可以內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)三軸系統(tǒng)，也可以作為外部設(shè)備提供。當(dāng)與自動系統(tǒng)一起使用時，數(shù)據(jù)采集還可以使用PC和專用軟件管理和控制三軸測試所需的所有設(shè)備。

5.除氣系統(tǒng)：從水中去除溶解空氣，是CU/CD測試所必需的。

6.數(shù)據(jù)處理和報告：主要國際標(biāo)準(zhǔn)要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以生成專門的測試報告。

三軸試驗典型配置

具有模擬測量裝置的三軸系統(tǒng)是對不需要數(shù)字測量的實驗室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)三軸測試的理想基本解決方案，例如有效和總應(yīng)力。所有數(shù)據(jù)采集和測試管理都是手動模式。

具有自動內(nèi)置數(shù)據(jù)采集的三軸系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)三軸測試（有效和總應(yīng)力）最簡單的緊湊解決方案。可配備標(biāo)準(zhǔn)空氣/水界面壓力系統(tǒng)，也可配備自動壓力/體積控制器。對外部數(shù)據(jù)采集儀和/或PC沒有要求。

具有自動外部數(shù)據(jù)采集的三軸系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)三軸測試（有效和總應(yīng)力）和許多其他土壤測試的可擴(kuò)展緊湊解決方案。可配備標(biāo)準(zhǔn)空氣/水界面壓力系統(tǒng)，也可配備自動壓力/體積控制器。數(shù)據(jù)采集可以與其他土壤測試設(shè)備（如固結(jié)和剪切）采集和/或PC共享。

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