綜述：這三部系列主要用于介紹巖土工程試驗(yàn)中通用的方法之——三軸試驗(yàn)。該報(bào)告對(duì)三軸試驗(yàn)這個(gè)課題提供的詳盡的介紹，包括許多衍生可以用于評(píng)估土體響應(yīng)范圍內(nèi)的工程應(yīng)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.
本系列文章共分為以下主題：
1. 三軸試驗(yàn)介紹
2. 高級(jí)三軸試驗(yàn)
3. 動(dòng)三軸試驗(yàn)
引言
本文主要介紹三軸試驗(yàn)，包括解釋試驗(yàn)?zāi)康?，試?yàn)土體的應(yīng)力狀態(tài)，所需要的試驗(yàn)系統(tǒng)部件以及運(yùn)行三軸試驗(yàn)的通用程序。本文以土力學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，對(duì)于報(bào)告中一些術(shù)語(yǔ)不太了解的讀者，建議瀏覽GDS簡(jiǎn)介的第一部分-----土&巖試驗(yàn)系列，在那里可以查到相應(yīng)的術(shù)語(yǔ)以及工程參數(shù)。
為什么進(jìn)行三軸試驗(yàn)？
三軸試驗(yàn)目前是室內(nèi)巖土試驗(yàn)中通用且運(yùn)用廣泛的一種，用于研究巖土體的抗剪強(qiáng)度及其剛度。程序相對(duì)簡(jiǎn)單，包括直接剪切試驗(yàn)及能控制試樣的排水及測(cè)量孔隙水壓力?？梢垣@得相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)：如內(nèi)摩擦角、粘聚力及不排水抗剪強(qiáng)度cu，另外如剪切剛度、壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)也可以在試驗(yàn)中得到。圖1提供一個(gè)工程應(yīng)用的示例，對(duì)土邊坡頂部土體進(jìn)行三軸壓縮，同時(shí)相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)可以再邊坡坡腳得到。
圖1 三軸試驗(yàn)的工程應(yīng)用
三軸試驗(yàn)組成
三軸試驗(yàn)一般需要一個(gè)直徑38mm~100mm的圓柱形土樣，放進(jìn)壓力室內(nèi)受壓。大多數(shù)試樣高徑比約2:1，且用橡膠模包裹。
為了接近土體原始狀態(tài)，試驗(yàn)對(duì)試樣的初始準(zhǔn)備工作包含：飽和、固結(jié)及剪切。土體在剪切過(guò)程中需要施加軸向荷載，用于壓縮，一般情況下不做拉伸，如圖2所示為三軸試樣一般組成部件。
圖 2 三軸壓力室的土體試樣一般配置
三軸試驗(yàn)的類型
以下三種為主要的實(shí)驗(yàn)室分析方法，不同的工程應(yīng)用都能得到相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)。
? (UU) 不固結(jié)不排水
? (CU) 固結(jié)不排水
? (CD) 固結(jié)排水
UU試驗(yàn)簡(jiǎn)單快捷，試驗(yàn)過(guò)程中土樣只需進(jìn)行總應(yīng)力的控制和記錄?？梢詼y(cè)試不排水情況下土體抗剪強(qiáng)度，用來(lái)評(píng)估短期狀態(tài)下土體穩(wěn)定性（例如用于施工項(xiàng)目進(jìn)行期間測(cè)試，或者跟隨測(cè)試）。注意：該試驗(yàn)一般用于粘性土中。
CD試驗(yàn)另一方面適用于長(zhǎng)時(shí)間荷載加載下的反應(yīng)，在有效應(yīng)力下可得到其力學(xué)參數(shù)（如c、Φ值），試驗(yàn)需要消耗大量時(shí)間來(lái)完成，因?yàn)閷?duì)于粘性土，需要施加足夠慢的剪切速率才能對(duì)孔隙水壓力產(chǎn)生微小變化。
最后介紹CU試驗(yàn)，該試驗(yàn)較為常用，在有效應(yīng)力的基礎(chǔ)上可以確定土體力學(xué)參數(shù)（如c、Φ值）同時(shí)相對(duì)于CD試驗(yàn)，其剪切速率更快。 這些參數(shù)的確定通過(guò)記錄試樣剪切過(guò)程中超孔隙水壓力變化獲得。
三軸試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)
圖3顯示的是三軸壓縮試驗(yàn)中施加在試樣上的應(yīng)力分布情況。側(cè)限應(yīng)力σc的加載通過(guò)對(duì)壓力室內(nèi)部的試樣周圍的液體加壓實(shí)現(xiàn)—也等于徑向應(yīng)力σr或最小主應(yīng)力σ3。偏應(yīng)力q通過(guò)對(duì)土樣施加一個(gè)軸向應(yīng)變?chǔ)臿獲得，另外偏應(yīng)力在軸向上提供的q與σc之和等于軸向應(yīng)力或最大主應(yīng)力σ1，當(dāng)σ1 = σ3時(shí)，處于各向同性應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)σ1 ≠ σ3時(shí)處于各相異性狀態(tài)。
圖3 三軸過(guò)程中的試驗(yàn)應(yīng)力狀態(tài)
注意，在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，主應(yīng)力方向旋轉(zhuǎn)90°，也就是說(shuō)徑向應(yīng)力相當(dāng)于最大主應(yīng)力而軸向應(yīng)力則提供最小主應(yīng)力。
三軸試驗(yàn)系統(tǒng)組分
三軸試驗(yàn)由許多部件組成才能達(dá)到試樣的應(yīng)力狀態(tài)，并進(jìn)行剪切試驗(yàn)及數(shù)據(jù)記錄。表1列出了GDS三軸系統(tǒng)的主要組成部分及對(duì)應(yīng)的主要功能。完整系統(tǒng)見圖4
表1 –GDS自動(dòng)三軸系統(tǒng)的組成部分
GDSLab控制&獲取軟件
一般三軸試驗(yàn)過(guò)程
本報(bào)告簡(jiǎn)要介紹下這個(gè)部分，三軸試驗(yàn)，作為室內(nèi)巖土試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)（BS1377 第8部分，1990年）主要包括4個(gè)步驟：試樣和系統(tǒng)準(zhǔn)備過(guò)程、飽和、固結(jié)和剪切（注意，UU試驗(yàn)中不要飽和及固結(jié)，詳見BS1377 第7部分，1990年）。以下基于GDS三軸自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)簡(jiǎn)要介紹每個(gè)步驟。
試樣和系統(tǒng)準(zhǔn)備工作
試樣安裝在壓力室之前，首先必須從土樣中制備試樣。對(duì)于粘性土，首先用謝爾比管取原狀土，在試驗(yàn)前從管中擠出或直接取方塊樣，在試驗(yàn)前進(jìn)行修邊處理。對(duì)于砂性土則可直接用模具放在基架上。對(duì)于如圖5所示的粘性土，可以用承膜筒將已包裹橡膠模土樣放在底座上。注意，試驗(yàn)制備過(guò)程中土樣應(yīng)盡可能受到小的擾動(dòng)
圖5 修整后的粘性土（左）；承膜筒（中）；用于砂性土的對(duì)開模。
試樣制備完成之后，再組裝壓力室和系統(tǒng)的其他組件。在這個(gè)過(guò)程中，將壓力室內(nèi)充滿水，連接好壓力/體檢控制器并按要求設(shè)定傳感器。
飽和
飽和的過(guò)程通俗的講就是將試樣中的空隙填滿水的過(guò)程，并且孔壓傳感器和排水線路應(yīng)當(dāng)進(jìn)行除氣。首先施加局部真空到樣品中以去除空氣，同時(shí)把水注入到傳感器和排水線路，隨后其圍壓和反壓將呈線性增長(zhǎng)。之后的過(guò)程如圖6所示，在這個(gè)過(guò)程中，應(yīng)該保持恒定的有效應(yīng)力，任何時(shí)候，有效應(yīng)力的增量都不要高于所需要的剪切值，因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致土樣超固結(jié)。為了幫助土樣達(dá)到完全飽和狀態(tài)，需采取以下步驟：
1.用除氣水充填試樣空隙
2.增加反壓將空氣壓入溶液
注意：如果不使用除氣水的話，可能需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，或者反壓需要施加高達(dá)700kPa 以上，試樣才能完全飽和。
圖6 通過(guò)加大反壓飽和試樣
試樣在進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)之前，一個(gè)小的參數(shù)—Skempton B值可以用來(lái)檢測(cè)試樣的飽和程度。所謂的B檢測(cè)，是要求試樣在全封閉的情況下排水，同時(shí)圍壓上升至約50kpa。如圖7中所示，B值≥ 0.95代表試樣已經(jīng)完全飽和。注意，B值的大小與圖的種類有關(guān)，對(duì)于一般固結(jié)的軟土在完全飽和的情況下，其值達(dá)到1.00，而對(duì)于密實(shí)砂或硬粘土，即使完全飽和狀態(tài)下，其值可能只有0.91。
圖7 B值 確定試驗(yàn)飽和情況
固結(jié)
固結(jié)階段，需要將試樣壓縮至剪切過(guò)程需要的有效應(yīng)力狀態(tài)這個(gè)過(guò)程通常通過(guò)持恒定的反壓（等于B檢測(cè)時(shí)候最終飽和情下的孔壓）情況下增加圍壓實(shí)現(xiàn)，如圖8所示，這個(gè)過(guò)程將持續(xù)行，直到試樣體變?chǔ)非常小或者超靜孔壓至少消散95%。固結(jié)程中得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以用于估算剪切階段施加的應(yīng)變速率。
圖8 試樣的固結(jié)試
剪切
通過(guò)荷載架的向上（壓縮）或向下（拉伸）過(guò)程，給土樣提供了一個(gè)恒定速率的軸向應(yīng)變來(lái)達(dá)到剪切土體的目的。速率的大小及試樣的排水條件取決于三軸試驗(yàn)類型。表2總結(jié)了所有試驗(yàn)類型的 試驗(yàn)條件。
表2 剪切階段的試驗(yàn)條件概述
剪切過(guò)程中試樣的變化，可以通過(guò)偏應(yīng)力q或有效主應(yīng)力比σ?1/σ?3與軸向應(yīng)變?chǔ)臿的變化曲線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
該階段需要持續(xù)進(jìn)行，直到達(dá)到指定破壞標(biāo)準(zhǔn)，如：識(shí)別偏應(yīng)力峰值或有效主應(yīng)力比的峰值，或觀察恒定應(yīng)力和超孔隙水壓或體積變化值，或者簡(jiǎn)單的設(shè)定軸向應(yīng)變達(dá)到一個(gè)特定值（如εa = 20%）。對(duì)于正常固結(jié)的粘土而言其變化曲線如圖9所示，包括CU實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的超靜孔隙壓力變化過(guò)程和可以觀察CD實(shí)驗(yàn)的試樣體積變化。圖中可見，對(duì)于粘性土試樣，其剪切階段完成后,破壞面相對(duì)突出（大多剪切應(yīng)變發(fā)生在該面）。
圖9 一般固結(jié)粘土剪切過(guò)程（左）；粘性土剪切后破壞面（右）
剪切試驗(yàn)結(jié)束后，試樣可以被拆除，可以進(jìn)行試驗(yàn)后的試樣測(cè)量（例如最終含水量等）
應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)系統(tǒng)
迄今為止，三軸系統(tǒng)及試驗(yàn)過(guò)程多關(guān)注恒定速率的應(yīng)變控制，其中通過(guò)荷載架的移動(dòng)來(lái)控制速率從而引起剪切應(yīng)力。為了施加和控制試樣的軸向壓力，傳統(tǒng)上使用應(yīng)力路徑三軸壓力室。運(yùn)用一個(gè)低增壓艙來(lái)輸送軸向應(yīng)力給土樣，并伴隨有軸向應(yīng)變。隨著系統(tǒng)的發(fā)展，試樣可在更多復(fù)雜應(yīng)力條件下進(jìn)行測(cè)試，相比于速度控制的荷載架更適合研究性的項(xiàng)目。如 圖10顯示的是一個(gè)應(yīng)力路徑三軸系統(tǒng)，可以看到，通過(guò)傳感器反饋，能夠同時(shí)使荷載架和應(yīng)力路徑系統(tǒng)運(yùn)行相同的復(fù)雜試驗(yàn)，僅存在較小的性能差異（荷載架相對(duì)更適合應(yīng)變控制；應(yīng)力路徑系統(tǒng)適合應(yīng)力控制。
參考文獻(xiàn)
以下內(nèi)容大部分為刊登的信息，是研究三軸試驗(yàn)時(shí)被建議參考的文獻(xiàn)（不包含特殊的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)）：
Day, R. W. 2001. Soil Testing Manual: Procedures, Classification
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Head, K. H. 1998. Manual of Soil Laboratory Testing Volume 3:
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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.
