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综述：这三部系列主要用于介绍岩土工程试验中通用的要领之——三轴试验
。该报告对三轴试验这个课题提供的详尽的介绍
，包括许多衍生可以用于评估土体响应规模内的工程应用
。

Overview: This three part series has been written to introduce one of the most versatile tests in the geotechnical laboratory – the triaxial test. The papers provide a detailed introduction to the subject of triaxial testing, including the many variations available for assessing soil response across a range of engineering applications.

本系列文章共分为以下主题：

1. 三轴试验介绍
2. 高级三轴试验
3. 动三轴试验

引言

本文主要介绍三轴试验
，包括解释试验目的
，试验土体的应力状态
，所需要的试验系统部件以及运行三轴试验的通用程序
。本文以土力学知识为基础
，关于报告中一些术语不太了解的读者
，建议浏览GDS简介的第一部分-----土&岩试验系列
，在那里可以查到相应的术语以及工程参数
。

为什么进行三轴试验
？

三轴试验目前是室内岩土试验中通用且运用广泛的一种
，用于研究岩土体的抗剪强度及其刚度
。程序相对简单
，包括直接剪切试验及能控制试样的排水及丈量孔隙水压力

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，另外如剪切刚度、压缩系数和渗透系数也可以在试验中获得
。图1提供一个工程应用的示例
，对土边坡顶部土体进行三轴压缩
，同时相应的力学参数可以再边坡坡脚获得
。

三轴试验组成

三轴试验一般需要一个直径38mm~100mm的圆柱形土样
，放进压力室内受压
。大大都试样高径比约2:1
，且用橡胶模包裹
。

为了接近土体原始状态
，试验对试样的初始准备事情包括：饱和、固结及剪切
。土体在剪切历程中需要施加轴向荷载
，用于压缩
，一般情况下不做拉伸
，如图2所示为三轴试样一般组成部件
。

三轴试验的类型

以下三种为主要的实验室剖析要领
，差别的工程应用都能获得相应的力学参数
。
? (UU) 不固结不排水
? (CU) 固结不排水
? (CD) 固结排水

UU试验简单快捷
，试验历程中土样只需进行总应力的控制和纪录

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，用来评估短期状态下土体稳定性（例如用于施工项目进行期间测试
，或者追随测试）
。注意：该试验一般用于粘性土中
。

CD试验另一方面适用于长时间荷载加载下的反应
，在有效应力下可获得其力学参数（如c、Φ值）
，试验需要消耗大宗时间来完成
，因为关于粘性土
，需要施加足够慢的剪切速率才华对孔隙水压力爆发微小变革
。

最后介绍CU试验
，该试验较为常用
，在有效应力的基础上可以确定土体力学参数（如c、Φ值）同时相关于CD试验
，其剪切速率更快
。 这些参数简直定通过纪录试样剪切历程中超孔隙水压力变革获得
。

三轴试验历程中的应力状态

图3显示的是三轴压缩试验中施加在试样上的应力漫衍情况
。侧限应力σc的加载通过对压力室内部的试样周围的液体加压实现—也即是径向应力σr或最小主应力σ3
。偏应力q通过对土样施加一个轴向应变εa获得
，另外偏应力在轴向上提供的q与σc之和即是轴向应力或最大主应力σ1
，当σ1 = σ3时
，处于各向同性应力状态
，当σ1 ≠ σ3时处于各相异性状态
。

注意
，在进行拉伸试验时
，主应力偏向旋转90°
，也就是说径向应力相当于最大主应力而轴向应力则提供最小主应力
。

三轴试验系统组分

三轴试验由许多部件组成才华抵达试样的应力状态
，并进行剪切试验及数据纪录
。表1列出了GDS三轴系统的主要组成部分及对应的主要功效
。完整系统见图4

表1 –GDS自动三轴系统的组成部分

GDSLab控制&获取软件

一般三轴试验历程

本报告简要介绍下这个部分
，三轴试验
，作为室内岩土试验的标准（BS1377 第8部分
，1990年）主要包括4个办法：试样和系统准备历程、饱和、固结和剪切（注意
，UU试验中不要饱和及固结
，详见BS1377 第7部分
，1990年）
。以下基于GDS三轴自动化系统来简要介绍每个办法
。

试样和系统准备事情

试样装置在压力室之前
，首先必须从土样中制备试样
。关于粘性土
，首先用谢尔比管取原状土
，在试验前从管中挤出或直接取方块样
，在试验前进行修边处理
。关于砂性土则可直接用模具放在基架上
。关于如图5所示的粘性土
，可以用承膜筒将已包裹橡胶模土样放在底座上
。注意
，试验制备历程中土样应尽可能受到小的扰动

试样制备完成之后
，再组装压力室和系统的其他组件
。在这个历程中
，将压力室内充满水
，连接好压力/体检控制器并按要求设定传感器
。

饱和

饱和的历程通俗的讲就是将试样中的空隙填满水的历程
，并且孔压传感器和排水线路应当进行除气
。首先施加局部真空到样品中以去除空气
，同时把水注入到传感器和排水线路
，随后其围压和反压将呈线性增长
。之后的历程如图6所示
，在这个历程中
，应该坚持恒定的有效应力
，任何时候
，有效应力的增量都不要高于所需要的剪切值
，因为这样会导致土样超固结
。为了资助土样抵达完全饱和状态
，需接纳以下办法：

1.用除气水充填试样空隙
2.增加反压将空气压入溶液

注意：如果不使用除气水的话
，可能需要相当长的时间
，或者反压需要施加高达700kPa 以上
，试样才华完全饱和
。

试样在进行固结试验之前
，一个小的参数—Skempton B值可以用来检测试样的饱和水平
。所谓的B检测
，是要求试样在全关闭的情况下排水
，同时围压上升至约50kpa
。如图7中所示
，B值≥ 0.95代表试样已经完全饱和
。注意
，B值的巨细与图的种类有关
，关于一般固结的软土在完全饱和的情况下
，其值抵达1.00
，而关于密实砂或硬粘土
，纵然完全饱和状态下
，其值可能只有0.91
。

固结

固结阶段
，需要将试样压缩至剪切历程需要的有效应力状态这个历程通常通过持恒定的反压（即是B检测时候最终饱和情下的孔压）情况下增加围压实现
，如图8所示
，这个历程将连续行
，直到试样体变ΔV很是小或者超静孔压至少消散95%
。固结程中获得的试验数据可以用于估算剪切阶段施加的应变速率
。

剪切

通过荷载架的向上（压缩）或向下（拉伸）历程
，给土样提供了一个恒定速率的轴向应变来抵达剪切土体的目的
。速率的巨细及试样的排水条件取决于三轴试验类型
。表2总结了所有试验类型的 试验条件
。

表2 剪切阶段的试验条件概述

剪切历程中试样的变革
，可以通过偏应力q或有效主应力比σ?1/σ?3与轴向应变εa的变革曲线实时监测
。
该阶段需要连续进行
，直到抵达指定破坏标准
，如：识别偏应力峰值或有效主应力比的峰值
，或视察恒定应力和超孔隙水压或体积变革值
，或者简单的设定轴向应变抵达一个特定值（如εa = 20%）
。关于正常固结的粘土而言其变革曲线如图9所示
，包括CU实验历程中的超静孔隙压力变革历程和可以视察CD实验的试样体积变革
。图中可见
，关于粘性土试样
，其剪切阶段完成后,破坏面相对突出（大多剪切应变爆发在该面）
。

应力路径三轴试验系统

迄今为止
，三轴系统及试验历程多关注恒定速率的应变控制
，其中通过荷载架的移动来控制速率从而引起剪切应力
。为了施加和控制试样的轴向压力
，古板上使用应力路径三轴压力室
。运用一个低增压舱来输送轴向应力给土样
，并陪同有轴向应变
。随着系统的生长
，试样可在更多庞大应力条件下进行测试
，相比于速度控制的荷载架更适合研究性的项目
。如 图10显示的是一个应力路径三轴系统
，可以看到
，通过传感器反响
，能够同时使荷载架和应力路径系统运行相同的庞大试验
，仅保存较小的性能差别（荷载架相对更适合应变控制；应力路径系统适合应力控制
。

参考文献

以下内容大部分为刊登的信息
，是研究三轴试验时被建议参考的文献（不包括特殊的试验标准）：
Day, R. W. 2001. Soil Testing Manual: Procedures, Classification
Data, amd Sampling Practices, New York, McGraw-Hill.
Head, K. H. 1998. Manual of Soil Laboratory Testing Volume 3:
Effective Stress Tests, Chichester, John Wiley & Sons Ltd.
Knappett, J. A. & Craig, R. F. 2012. Craig’s Soil Mechanics, Oxon, Spon Press.
Simons, N., Menzies, B. & Matthews, M. 2002. A Short Course
in Geotechnical Site Investigation, London, Thomas Telford Ltd.