阿萊桑德羅·馬吉奧尼
產(chǎn)品經(jīng)理 | CONTROLS
三軸剪切試驗(yàn)是測(cè)量許多可變形固體，特別是土壤（如沙子、粘土）和巖石以及其他顆粒材料或粉末的力學(xué)性能的常用方法。（來源:維基百科）
典型的三軸試驗(yàn)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(duì)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(cè)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(cè)試、應(yīng)力路徑或K0測(cè)試。需要對(duì)受不同應(yīng)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(cè)試（見下文圖1和圖2），以模擬現(xiàn)場(chǎng)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(cè)試中的應(yīng)力條件。
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）
三軸試驗(yàn)是巖土工程中用途廣泛、全面、較廣泛執(zhí)行的試驗(yàn)之一。下表1列出了三軸測(cè)試可以評(píng)估的常見工程問題。
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UU - 快速三軸
CU - CD 有效壓力
三軸滲透率
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UU - 快速三軸
CU-CD有效應(yīng)力
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UU - 快速三軸
CU 有效應(yīng)力
三軸滲透率
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UU - 快速三軸
CU-CD有效應(yīng)力
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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(cè)試更容易執(zhí)行，如標(biāo)準(zhǔn)直接剪切測(cè)試，但這些測(cè)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(cè)量那樣全面。此外，三軸試驗(yàn)有助于計(jì)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(yàn)還可用于確定其他變量，如剪切剛度G和滲透率k。
實(shí)驗(yàn)室可以進(jìn)行三項(xiàng)基本的三軸試驗(yàn)，每項(xiàng)試驗(yàn)都允許觀察不同工程應(yīng)用的土壤響應(yīng)：
UU三軸試驗(yàn)也稱為總應(yīng)力試驗(yàn)，CU/CD三軸試驗(yàn)也稱為有效應(yīng)力試驗(yàn)。UU三軸試驗(yàn)通常用于短期工程問題，CU和CD三軸試驗(yàn)用于評(píng)估長(zhǎng)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(cè)量剪切強(qiáng)度。土壤試樣不進(jìn)行固結(jié)，需要保持其原始結(jié)構(gòu)和含水量，使其抗壓強(qiáng)度取決于現(xiàn)場(chǎng)的靜態(tài)應(yīng)力水平。
通常對(duì)從同一樣品中獲得的三個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)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(yàn)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(cè)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。
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(cè)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(cè)試一組三個(gè)試樣，可以根據(jù)庫(kù)侖模型定義失效包絡(luò)，定義參數(shù)c'和φ'，并評(píng)估不排水的剪切強(qiáng)度。
用這種方法，以有效應(yīng)力來測(cè)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(huì)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(cè)試一組三個(gè)試樣，可以根據(jù)庫(kù)侖模型定義失效包絡(luò)，并定義參數(shù)c'和φ'。
UU三軸測(cè)試速度快，執(zhí)行時(shí)間不到30分鐘，通常不經(jīng)過飽和或固結(jié)階段，因?yàn)闇y(cè)試僅包括剪切階段。而CU和CD三軸測(cè)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(cè)試也需要更長(zhǎng)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(yàn)通常耗時(shí)最長(zhǎng)，因?yàn)樵诩羟须A段，不允許孔隙壓力積聚，導(dǎo)致應(yīng)變率非常低。CU三軸測(cè)試更快，因?yàn)榭紫端畨毫Γ≒WP）允許增加，在整個(gè)剪切階段會(huì)測(cè)量超孔隙水壓力。
測(cè)試前：樣品和系統(tǒng)準(zhǔn)備
測(cè)試的試樣需要在放入三軸壓力室之前從土壤樣品中獲取。對(duì)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(duì)于非粘聚的顆粒土壤，您需要使用對(duì)開模直接在基座上準(zhǔn)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(duì)開模帶抽真空附件
這些模具用于通過壓實(shí)或振動(dòng)制備非粘聚性試樣——這是三軸試驗(yàn)所必需的。模具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(dòng)的樣品，用于三軸試驗(yàn)。
對(duì)開模
用于修剪不受擾動(dòng)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(cè)試，三軸測(cè)試包括三個(gè)主要階段：
階段1-飽和
飽和過程確保測(cè)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(gè)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(jì)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(jì)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(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(cè)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(shí)保持恒定的反壓（通常等于最終飽和度B檢測(cè)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(shí)，還可計(jì)算出剪切試樣的合適應(yīng)變速率。有關(guān)更多信息，請(qǐng)閱讀我們專門用于固結(jié)測(cè)試的文章。
階段3-剪切
剪切試驗(yàn)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(cè)試。
在不排水的測(cè)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(dǎo)致孔隙壓力發(fā)展，將進(jìn)行測(cè)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(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(shí)，您需要拆除系統(tǒng)并進(jìn)行測(cè)試后試樣測(cè)量，例如最終含水量。
要進(jìn)行三軸測(cè)試，系統(tǒng)需要多個(gè)組件：
1.荷載架：荷載架對(duì)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(jié)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(yùn)行一個(gè)（例如，配置一個(gè)框架和三個(gè)三軸壓力室）。當(dāng)荷載架等于三軸壓力室數(shù)時(shí)，荷載架可以視為專用荷載架，從而進(jìn)行額外的高級(jí)測(cè)試，如應(yīng)力路徑和K0測(cè)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(cè)試階段隨時(shí)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(duì)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(cè)壓元件測(cè)量，以及位移傳感器測(cè)量的變形，如有需要，可以測(cè)量樣品中的孔隙壓力。樣品的體積變化從反壓端測(cè)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：
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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(gè)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。
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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(cè)試所需的反壓。
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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(duì)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(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)該單元，使其能夠在三軸測(cè)試的所有階段測(cè)量體積變化。為了便于在開始測(cè)試前將水正確分配到所有設(shè)備，建議添加一個(gè)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(cè)量的UU測(cè)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。
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荷載傳感器-測(cè)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。
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位移傳感器 - 測(cè)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
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體積變化傳感器-用于CU和CD測(cè)試，以測(cè)量進(jìn)出試樣的水量，以及測(cè)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(dāng)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測(cè)量。
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孔隙水壓-用于CU和CD測(cè)試，以測(cè)量試樣內(nèi)孔隙水壓的變化。這可以是壓力計(jì)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(cè)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(chǔ)。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(dòng)系統(tǒng)一起使用時(shí)，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(cè)試所需的所有設(shè)備。
6.數(shù)據(jù)處理和報(bào)告：主要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以生成專門的測(cè)試報(bào)告。
具有模擬測(cè)量裝置的三軸系統(tǒng)是對(duì)不需要數(shù)字測(cè)量的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)三軸測(cè)試的較為理想的基本解決方案，例如有效和總應(yīng)力。所有數(shù)據(jù)采集和測(cè)試管理都是手動(dòng)模式。
具有自動(dòng)外部數(shù)據(jù)采集的三軸系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)三軸測(cè)試（有效和總應(yīng)力）和許多其他土壤測(cè)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(dòng)壓力/體積控制器。數(shù)據(jù)采集可以與其他土壤測(cè)試設(shè)備（如固結(jié)和剪切）采集和/或PC共享。
