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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

简介

本文介绍了一套三轴测试系统， 可用来确定通例三轴系统不可获得的土体参数，或者让土体的反应尽量接近现场状态。

本文包括以下部分：
局部应变丈量
局部孔压丈量
弯曲元试验
非饱和土试验
高级软件控制

局部应变丈量

通例三轴系统丈量变形的传感器通常在三轴压力室的外部。在这种情况下，位移传感器装置在加压杆（第一部分图 2：三轴试验介绍）上面，轴向应变通过反压控制器的体积变革或者位移传感器来丈量。

虽然这些设计在通例三轴试验可能提供足够的精度应变丈量， 但不可丈量刚度或者强度的峰值或者有代表原位土壤响应剪切区爆发的小应变。这主要是由于位移传感器丈量的数值包括系统运动和变形等一些无关试样体积变革的量；鸹怠⒍ッ北谎谷胧匝ゲ，也造成无法精确丈量小应变。试样顶部和底部与顶盖和底座接触爆发摩擦使得试样高度规模内爆发不均匀的变形，这意味着只有中间三分之一的试样被认为是不受限制的,组成主剪切区域，这代表原状土的响应。

这些误差都可以通过安排的轴向和径向的应变传感器直接丈量来减小。

局部轴向应变传感器

试样的局部应变可以通过将两个相隔 180°的位移传感器笔直装置在试样中部的 1/3 区域来丈量。图 1 显示的是霍尔效应位移传感器，也可以应用其它传感器，如迷你线性位移传感器 （LVDT）。每个传感器通过两个装置块牢固在试样上，它们相对运动来丈量试样变形。 这种传感器通过盘算两个装置块之间距离的变革（称为计量长度）来盘算试样的轴向应变，而不是接纳试样的初始高度。

局部轴向应变传感器

三轴试样的径向应变可以通过装置在试样中心的一个位移传感器来丈量。通过两个相隔 180 度的垫块牢固在试样上，垫块的两个部分接纳铰链连接。当试样膨胀时两个垫块距离增大，当收缩时距离减小。该传感器装置成钳口开放的形式，致使所测得的位移是实际变形的两倍。 图 1 显示的是装置径向霍尔效应传感器，如果需要也可以接纳LVDT。

传感器选择、维修技巧和优势

本文所介绍的两种局部位移传感器（霍尔效应和 LVDT）都适用于丈量局部变形。总之，霍尔效应传感器比 LVDT 小，重量也轻，装置时只对试样施加了一个很小的荷载使得它在软土测试中实用。LVDT 传感器坚固，其精度也高。所以LVDT 适用于越发坚硬的试样，或者围压更大的情况。

接纳何种方法牢固传感器到土样上需要凭据所测的土体。通常接纳粘合剂，例如乐泰胶水或者接纳硅胶和不锈钢针联合使用在试样上装置轴向或者径向垫块。由于不刺穿橡皮膜，所以接触粘合剂应用较多。

但在某些情况下可能要用针将垫片牢固在某些地方，这需要使用硅密封胶来避免电池液泄漏到试样上，注意只有当试样足够软允许将针插入试样内部。

为了说明接纳局部应变传感器的利益，图 2 展示了接纳总应变丈量和局部应变丈量两种测得的结果。通过小应变传感器能够捕获到小的应变，并消除了底座损坏和系统的制约，使得两种要领的结果有着显著地差别（好比 0.5%）， 同 时试样初始刚度比接纳总应变测得的更大。

接纳局部应变测得的刚度更高也更切合现场状态，图 3 展示了剪切模量的退化曲线。通过接纳小的剪切模量和不太守旧的设计，能够降低工程本钱。注意：在进行数值盘算时接纳小应变来准确预计土的剪切模量也是很是重要的。

局部孔压丈量

就像古板的三轴系统丈量试样的总应变一样，孔隙水压力的丈量也倾向于接纳压力室外部的传感器来读取数据。这使得数据值为试样端部孔隙水压力的响应，而不是主要剪切区（试样中部1/3 规模内）的值。因此，为了增加剪切历程中孔隙压力的丈量精度，中平面孔压传感器能够在三轴系统中应用。图 4 为一个应用该传感器的一个图例。

就像它的名称一样，这些传感器装置在试验中部或者接近中部。在橡皮膜上开一个小孔并将传感器与试样接触，在试样和橡皮膜之间安顿一个法兰环。在这个位置透水石与试样直接接触，通过隔膜的运动来丈量孔压。需要包管隔膜与透水石之间完全被水填充以包管测试的准确性。

弯曲元测试

试样中很是小的应变响应可以通过弯曲元获得。如图 3 所示，弯曲元还可以丈量最大剪切模量（Gmax），这个参数在岩土设计和数值盘算中很有用。

弯曲元接纳两个双晶片陶瓷插入试样一定深度，他们能够笔直安排（如图 1 中安排在顶帽和底座上）或者水平安排，确定试样的各向异性。当试验时，给其中的一个元件提供电源使其在试 样中爆发 P 波或者 S 波，同时另一个元件接收通过试样的波。

图 5 展示了三轴试样中一个典范笔直弯曲元的原理详图。注意这个图中发射或者接受的波均为 S 波。

两种类型的波的主要区别在于离子相关于波的运动偏向。P波为纵波，体现离子的移动偏向与波的流传一致。 S 波为横向波，这体现离子移动的偏向与波的传动偏向笔直。

更多关于波在土壤中的通报可以检察文献，关于弯曲元方面的重要结论如下：

P 波的速率被土体的体积和剪切模量控制，划分为 K 和 G。
P 波通过水来流传，所以 P 波的速率与土体的饱和度有关
S 波的速率由土的剪切模量 G 控制
由于饱和度缺乏以影响剪切模量，所以试样中 S 波的流传速率基本不但独受饱和度的影响
Vp>Vs’

实际上，弯曲元就是来测试 Vp 和 Vs’ 。通过丈量波从一个元件发送到另一个元件所需要的时间，然后用两个元件之间的距离除以该时间。值得注意的是由于不可准确获得波流传到接受元件 的时间，所以流传时间不直接获取，主要凭据岩土力学中推荐的要领由用户来确定。

估算 P 波和 S 波的速率后，要估算 K 和 G 值只需要知道试样的体积密度，体积密度乘以波速的平方，波速需要尽可能准确简直定。注意：有时候 P 波可以用来体现试样的饱和度，当试样达 到饱和时 P 波的速率应该接近 1450m/s（P 波在水中的速率）。

图 6 展示了弯曲元系统，包括控制箱用于收罗和纪录波形。如果 在三轴系统中不止一套弯曲元（例如同时使用笔直和横向元件），可以增加一个隶属箱。

非饱和试验

古板三轴系统和一系列的革新都是要求试样完全饱和，这个要求也就相当于在现场中土壤位于地下水位以下，如图 7 所示，然而在现实中有许多情况下土体在地下水位以上，事实上地球上60%的人口处于干旱地区，地下水位很深，也就是说在这些区域岩土工程主要为非饱和土。

当评估不饱和土壤时,Fredlund 和 Rahardjo(1993)建议不但仅考虑现场的有效应力，而接纳两个应力变量：通例应力（）和基质吸力（）, σ为总法相应力，为孔隙水压力，为孔隙气压力，并且。由于孔隙气压力的保存，在研究非饱和土时需要特另外硬件，在测试试样体变时也需要越发庞大的要领。

孔隙气压力施加

孔隙气压力有两种施加要领：通过压缩空气供应，或者接纳空气压力/体积控制器。接纳压缩空气施加气压力比压力/体积控制器越发快速（这主要是由于空气的高压缩性造成的），可是接纳压缩空气供应时不可丈量进入试样的气体体积。

如图 8 所示，气压力通过试样帽施加，反压（孔隙水压力）通过基座施加。接纳适合高压空气的圆盘作为底座，或者HAEPD。HAEPD 需要将孔隙气和孔隙水离开，使试样维持一个基质吸力（）。接纳天然陶瓷质料，当饱和后在其上方施加一个比孔隙水压力大的孔隙气压。这个质料能够阻止空气流出试样，气体压力的最大值就是进气值。HAEPD 的进气值一般在 300~1500kPa 之间。

丈量试样体变

当进行非饱和三轴试验时，试样最初处于饱和状态，然后增加基质吸力使其酿成非饱和状态 （通过土水特征曲线中基质吸力与饱和度来确定）。改变土体的非饱和状态时不可够单独接纳反压体积，体变丈量越发庞大，这主要是由于试样中的空气的高压缩性造成的，所以需要接纳其它要领来丈量试样的体变。丈量体变需要的硬件如下：

1. 使用空气气压/体积控制器。
2. 接纳内压力室和小量程的差压传感器。
3. 接纳双层压力室。
4. 接纳局部轴向和径向应变传感器。

每一种丈量体变的要领都接纳了差别的技术，同时它们也有各自的优点和缺点。关于种种要领的总结如下：

接纳孔隙气压和反压体积两个控制器联合使用来盘算试样的体变。
接纳两个或者三个装置来丈量由于试样体积变革引起的内压力室水位或者体积的变革。
直接接纳局部应变传感器丈量轴向和径向应变来盘算试样体变。

要确定那个选型最适合进行三轴试验，每种要领都要进行详细的 评估，也要考虑试验类型。

软件控制

现代电脑允许用户进行比以前三轴试验庞大的自动化测试，这可以减少用户操作仪器所需的时间。这可以通过控制软件控制硬件来实现，通过闭合回路的开与关，数字压力/体积控制器基于系统传感器反响值来按期调解位置的速率。使用软件来进行试验的办法如下：

自动饱和——增加围压和反压，通过 B-check 来检测增量。软件基于孔压传感器反响的值盘算 B 值来确定饱和度。

K0 固结——围压以指定的速度增加，而帧速度基于径向应变传感器的反响值自动调解。软件的目标就是坚持径向应变为零（即一维固结），使试样坚持应力条件稳定。

应力路径控制——围压和帧速度凭据用户指定的线性应力路径进行调解，图 9 显示的是一种应力路径。在加载历程中，偏应力 q 和有效应力 p’都随着荷重传感器、轴向位移和反压体积的念书而变革(这些都用于盘算试样目今的应力和面积)，所以需要通过软件重新盘算。

应力循环控制——加载在试样上面的循环偏应力（正弦）的帧速率不绝调解，注意由于没有专门的加载架，加载频率为 0.015 赫兹或更少。

参考文献

Clayton, C. R. I. & Khatrush, S. A. 1986. A new device for measuring local axial strains on triaxial specimens. Géotechnique, Vol. 36, No. 4, p 593-597. Fredlund, D. G. & Rahardjo, H. 1993. Soil Mechanics for Unsaturated Soils, New York, John Wiley.
Jardine, R. J., Symes, M. J. & Burland, J. B. 1984.
The measurementof soil stiffness in the triaxial apparatus. Géotechnique, Vol. 34, No. 3, p 323-340.
Meilani, I., Rahardjo, H., Leong, E-C. & Fredlund, D. G. 2002.Mini suction probe for matric suction measurements. Canadian Geotechnical Journal, Vol. 39, p 1427-1432.
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Special Lecture: Indian Geotechnical Conference Madras, Dec 11-14.
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