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

概述為什么應該進(jìn)行這些試驗

講解不同類(lèi)型的固結試驗和方法

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，從而確定其剪切強度特性。試樣通常先飽和，然后固結，最后剪切，大多在壓縮條件下。

當然，還可以使用正確的設備進(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、應力路徑或K0測試。必須對受不同應力和排水條件影響的未擾動(dòng)、重塑或壓實(shí)的試樣進(jìn)行測試（見(jiàn)下文圖1和圖2），以模擬現場(chǎng)的應力。樣品尺寸從38毫米到100毫米不等，但只要使用正確的設備，也可以使用更大的樣品。

圖1-標準三軸測試中的應力條件。

圖2-總應力/有效應力

σ1或σV=軸向/垂直應力

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、最廣泛執行的試驗之一。下表1列出了三軸測試可以評估的最常見(jiàn)工程問(wèn)題。

淺層地基引起的不同應力條件示例

淺層地基和開(kāi)挖相結合引起的不同應力條件的例子。

其他一些測試更容易執行，如標準直接剪切測試，但這些測試沒(méi)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，如內聚力（c’）、摩擦角（φ’）和待確定的剪切強度。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(lèi)型

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

不固結不排水測試（UU），也稱(chēng)為快剪三軸測試

固結不排水測試（CU）

固結排水測試（CD）

UU三軸試驗也稱(chēng)為總應力試驗，CU/CD三軸試驗也稱(chēng)為有效應力試驗。UU三軸試驗通常用于短期工程問(wèn)題，CU和CD三軸試驗用于評估長(cháng)期工程問(wèn)題。

不固結不排水（UU）

用這種方法，以總應力來(lái)測量剪切強度。土壤試樣不進(jìn)行固結，必須保持其原始結構和含水量，使其抗壓強度取決于現場(chǎng)的靜態(tài)應力水平。

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

固結不排水（CU）

這里以有效應力來(lái)衡量剪切強度。試樣飽和并允許在所需的約束壓力下進(jìn)行固結（土壤固結是改變其結構和含水量的過(guò)程）。一旦固結，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。

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

固結排水（CD）

用這種方法，以有效應力來(lái)測量剪切強度。試樣飽和，允許在所需的圍壓下固結。一旦固結，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(huì )產(chǎn)生孔隙壓力。

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

UU三軸測試速度快，執行時(shí)間不到30分鐘，通常不經(jīng)過(guò)飽和或固結階段，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(kāi)始，然后進(jìn)入固結段。CU和CD三軸測試也需要更長(cháng)的時(shí)間，有時(shí)幾天、幾周甚至幾個(gè)月才能完成。CD三軸試驗通常耗時(shí)最長(cháng)，因為在剪切階段，不允許孔隙壓力積聚，導致應變率非常低。CU三軸測試更快，因為孔隙水壓力（PWP）允許增加，在整個(gè)剪切階段會(huì )測量超孔隙水壓力。

典型測試步驟

測試前：樣品和系統準備

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(dòng)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(kāi)模直接在基座上準備試樣。下面是一個(gè)模具和以前的模具舉例：

用于制備重塑試樣的對開(kāi)模帶抽真空附件

這些模具用于通過(guò)壓實(shí)或振動(dòng)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(zhù)在模具的內壁上，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(dòng)的樣品，用于三軸試驗。

對開(kāi)模

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

階段1-飽和

飽和過(guò)程確保測試試樣內的所有空隙都充滿(mǎn)水，并確?？紫秹毫鞲衅骱团潘苈氛_排氣。最常見(jiàn)的飽和方法是在試樣中增加圍壓和反壓。這個(gè)過(guò)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(guò)程中，計算孔隙壓力系數B以確定飽和度。重復這些步驟，直到樣品飽和。大多數標準規定，大于0.95的B值表明標本已充分飽和。B值計算為一個(gè)比值其中?u=孔壓變化?σ3=圍壓變化;

B=?u/?σ3

階段2-固結

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

一旦固結過(guò)程開(kāi)始，當固結過(guò)程使得試樣中排出水，試樣中超孔隙水壓力將開(kāi)始消失，從而減少其體積。這一過(guò)程一直持續到試樣的體積變化不再顯著(zhù)，并且至少有95%的超孔隙水壓力已經(jīng)消散。在固結階段結束時(shí)，還可計算出剪切試樣的合適應變速率。有關(guān)更多信息，請閱讀我們專(zhuān)門(mén)用于固結測試的文章。

階段3-剪切

剪切試驗也稱(chēng)為破壞或壓縮階段，涉及通過(guò)逐漸增加軸向力（σ1）（恒定軸向應變速率）、保持圍壓（σ3）來(lái)剪切試樣，直到樣品破壞（破壞通常發(fā)生在軸向應變的20%以?xún)龋?。根據剪切階段需要模擬的工程問(wèn)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(huì )改變，但形狀會(huì )發(fā)生變化，導致孔隙壓力發(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(shí)防止孔隙壓力發(fā)生變化。

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

三軸系統的主要部件

要進(jìn)行三軸測試，系統需要多個(gè)組件：

1.荷載架：荷載架對試樣施加軸向變形，可以與多個(gè)三軸壓力室共享。在這種配置中，飽和和固結階段可以同時(shí)進(jìn)行，剪切階段可以在荷載框架下每次運行一個(gè)（例如，配置一個(gè)框架和三個(gè)三軸壓力室）。當荷載架等于三軸壓力室數時(shí)，荷載架可以視為專(zhuān)用荷載架，從而進(jìn)行額外的高級測試，如應力路徑和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(shí)加壓。試樣密封在橡膠膜內，然后用水包圍，以產(chǎn)生壓力，然后用于對樣品施加應力（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：三種類(lèi)型的系統可用于在三軸系統內施加圍壓和反壓：

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的各種設備中。它為每個(gè)壓力線(xiàn)（通常是兩條）配備壓力調節器，它還允許技術(shù)人員通過(guò)壓力表調整來(lái)自空氣壓縮機的壓力。

囊狀氣缸-在三軸系統中提供壓縮空氣和水之間的界面。它配有橡膠囊，將氣壓轉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-用于產(chǎn)生壓縮空氣。

壓力體積/控制器：

這可以通過(guò)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(lái)實(shí)現。步進(jìn)電機驅動(dòng)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(kāi)始測試前將水正確分配到所有設備，建議添加一個(gè)分配面板。

油/水界面：

該設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(guò)使用與泵和油/水容器相連的可調彈簧式自重壓力系統來(lái)提供恒定的水壓。

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

荷載傳感器-測量剪切階段應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（軸向應變εa）。它可以是機械千分表、數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(gè)布列特或自動(dòng)體積變化裝置。當與壓力/體積控制器一起使用時(shí)，體積也可以用這種傳感器來(lái)測量。

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

4.數據采集：數據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轉換為數字數據，然后存儲。它可以?xún)戎脴藴嗜S系統，也可以作為外部設備提供。當與自動(dòng)系統一起使用時(shí)，數據采集還可以使用PC和專(zhuān)用軟件管理和控制三軸測試所需的所有設備。

5.除氣系統：從水中去除溶解空氣，是CU/CD測試所必需的。

6.數據處理和報告：主要國際標準要求對數據進(jìn)行處理，以生成專(zhuān)門(mén)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是對不需要數字測量的實(shí)驗室進(jìn)行標準三軸測試的理想基本解決方案，例如有效和總應力。所有數據采集和測試管理都是手動(dòng)模式。

具有自動(dòng)內置數據采集的三軸系統是標準三軸測試（有效和總應力）最簡(jiǎn)單的緊湊解決方案?？膳鋫錁藴士諝?水界面壓力系統，也可配備自動(dòng)壓力/體積控制器。對外部數據采集儀和/或PC沒(méi)有要求。

具有自動(dòng)外部數據采集的三軸系統是標準三軸測試（有效和總應力）和許多其他土壤測試的可擴展緊湊解決方案?？膳鋫錁藴士諝?水界面壓力系統，也可配備自動(dòng)壓力/體積控制器。數據采集可以與其他土壤測試設備（如固結和剪切）采集和/或PC共享。

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