阿莱桑德罗·马吉奥尼

产品经理 | CONTROLS

在本文中，我们将探索三轴试验，包括：

• 定义什么是三轴试验

• 概述为什么你应该进行这些试验

• 讲解不同类型的固结试验和方法

• 了解典型的试验步骤

• 了解所需主要组件的详细信息

• 了解典型的可用配置

什么是三轴试验？

三轴剪切试验是测量许多可变形固体，特别是土壤（如沙子、粘土）和岩石以及其他颗粒材料或粉末的力学性能的常用方法。（来源:维基百科）

典型的三轴试验涉及将高度直径比为2:1的密封圆柱形土壤试样限制在加压压力室中，以模拟定义的应力条件。然后对试样进行剪切，直到破坏，从而确定其剪切强度特性。试样通常先饱和，然后固结，最后剪切，大多在压缩条件下。

当然，还可以使用正确的设备进行一些进一步的测试。例如，带有可形成真空附件的顶盖（在加载框架、荷载传感器和试样之间创建刚性连接所必需的）允许在拉伸条件下进行三轴测试、应力路径或K0测试。需要对受不同应力和排水条件影响的未扰动、重塑或压实的试样进行测试（见下文图1和图2），以模拟现场的应力。样品尺寸从38毫米到100毫米不等，但只要使用正确的设备，也可以使用更大的样品。

图1-标准三轴测试中的应力条件。

图2-总应力/有效应力

σ1或σV = 轴向/垂直应力
σ3 或σh =围压/水平压力
u = 孔隙水压力（PWP）

为什么进行三轴试验？

三轴试验是岩土工程中用途广泛、全面、较广泛执行的试验之一。下表1列出了三轴测试可以评估的常见工程问题。

浅层地基引起的不同应力条件示例

浅层地基和开挖相结合引起的不同应力条件的例子。

其他一些测试更容易执行，如标准直接剪切测试，但这些测试没有像不允许控制试样的排水量以及进行孔隙压力测量那样全面。此外，三轴试验有助于计算重要的土壤参数，如内聚力（c’）、摩擦角（φ’）和待确定的剪切强度。三轴试验还可用于确定其他变量，如剪切刚度G和渗透率k。

三轴试验类型

实验室可以进行三项基本的三轴试验，每项试验都允许观察不同工程应用的土壤响应：

• 不固结不排水测试（UU），也称为快剪三轴测试

• 固结不排水测试（CU）

• 固结排水测试（CD）

  
  

UU三轴试验也称为总应力试验，CU/CD三轴试验也称为有效应力试验。UU三轴试验通常用于短期工程问题，CU和CD三轴试验用于评估长期工程问题。

不固结不排水（UU）

用这种方法，以总应力来测量剪切强度。土壤试样不进行固结，需要保持其原始结构和含水量，使其抗压强度取决于现场的静态应力水平。

通常对从同一样品中获得的三个试样进行测试，每个试样都受到不同的围压。在土壤完全饱和状态下，每次试验的剪切强度都是一样的，称为“不排水的剪切强度 ” 。另一种称为无侧限（UCS）的测试也可以使用三轴系统进行，只需将限制压力设置为零。

固结不排水（CU）

这里以有效应力来衡量剪切强度。试样饱和并允许在所需的约束压力下进行固结（土壤固结是改变其结构和含水量的过程）。一旦固结，试样就被施加了一定的荷载，在此期间不允许排水，以便测量孔隙压力。

由于剪切强度受有效应力的影响，通过在不同约束压力下测试一组三个试样，可以根据库仑模型定义失效包络，定义参数c'和φ'，并评估不排水的剪切强度。

固结排水（CD）

用这种方法，以有效应力来测量剪切强度。试样饱和，允许在所需的围压下固结。一旦固结，试样就被施加了一定的荷载，在此期间允许水分排出，而不会产生孔隙压力。

由于剪切强度受到有效应力的影响，通过在不同约束压力下测试一组三个试样，可以根据库仑模型定义失效包络，并定义参数c'和φ'。

UU三轴测试速度快，执行时间不到30分钟，通常不经过饱和或固结阶段，因为测试仅包括剪切阶段。而CU和CD三轴测试通常在饱和阶段开始，然后进入固结段。CU和CD三轴测试也需要更长的时间，有时几天、几周甚至几个月才能完成。CD三轴试验通常耗时最长，因为在剪切阶段，不允许孔隙压力积聚，导致应变率非常低。CU三轴测试更快，因为孔隙水压力（PWP）允许增加，在整个剪切阶段会测量超孔隙水压力。

典型测试步骤

测试前：样品和系统准备

测试的试样需要在放入三轴压力室之前从土壤样品中获取。对于粘聚土壤，这可能涉及修剪从谢尔比管中挤出的未扰动的样本或从块状样品中切割。然而，对于非粘聚的颗粒土壤，您需要使用对开模直接在基座上准备试样。下面是一个模具和以前的模具举例：

用于制备重塑试样的对开模带抽真空附件

这些模具用于通过压实或振动制备非粘聚性试样——这是三轴试验所必需的。模具直接放置在三轴压力室的基座上。为了确保橡皮膜附着在模具的内壁上，施加真空以确保重塑试样的直径正确

切土器

用于从粘聚土样品中制备未扰动的样品，用于三轴试验。

对开模
用于修剪不受扰动的样品的两端。一旦试样准备完成，我们准备进行三轴测试，三轴测试包括三个主要阶段：

阶段1-饱和

饱和过程确保测试试样内的所有空隙都充满水，并确保孔隙压力传感器和排水管路正确排气。最常见的饱和方法是在试样中增加围压和反压。这个过程逐渐提高围压和反压，这可以溶解样品中可能存在的任何空气。

在此过程中，计算孔隙压力系数B以确定饱和度。重复这些步骤，直到样品饱和。大多数标准规定，大于0.95的B值表明标本已充分饱和。B值计算为一个比值 其中 ∆u = 孔压变化  ∆σ3 = 围压变化;

B= ∆u/∆σ3

阶段2-固结

饱和后，试样通常被固结到代表其原位条件的应力状态。固结通常是各向同性的应力-垂直和水平施加给样品的应力相同（σ3 = σ1）。然而，固结也可以是各向异性的，其中 σ3 ≠ σ1。在这种情况下，测试通常缩写为CIU（各向同性固结不排水）或CAU（各向异性固结不排水）。试样固结通常通过增加围压进行，同时保持恒定的反压（通常等于最终饱和度B检测期间达到的孔隙压力）。

一旦固结过程开始，当固结过程使得试样中排出水，试样中超孔隙水压力将开始消失，从而减少其体积。这一过程一直持续到试样的体积变化不再显著，并且至少有95%的超孔隙水压力已经消散。在固结阶段结束时，还可计算出剪切试样的合适应变速率。有关更多信息，请阅读我们专门用于固结测试的文章。

阶段3-剪切

剪切试验也称为破坏或压缩阶段，涉及通过逐渐增加轴向力（σ1）（恒定轴向应变速率）、保持围压（σ3）来剪切试样，直到样品破坏（破坏通常发生在轴向应变的20%以内）。根据剪切阶段需要模拟的工程问题，适用于试样的排水条件将决定是否进行排水或不排水测试。

在不排水的测试中，不允许样品排水-其体积在此阶段不会改变，但形状会发生变化，导致孔隙压力发展，将进行测量。如果允许排水，在剪切阶段，水将从试样中排出，使试样的体积和形状发生变化，同时防止孔隙压力发生变化。

除了确定剪切强度外，内聚力（c’）和phi（φ’）的值也可以使用莫尔圆和应力路径图来确定。在剪切结束时，您需要拆除系统并进行测试后试样测量，例如最终含水量。

三轴系统的主要部件

要进行三轴测试，系统需要多个组件：

1.荷载架：荷载架对试样施加轴向变形，可以与多个三轴压力室共享。在这种配置中，饱和和固结阶段可以同时进行，剪切阶段可以在荷载框架下每次运行一个（例如，配置一个框架和三个三轴压力室）。当荷载架等于三轴压力室数时，荷载架可以视为专用荷载架，从而进行额外的高级测试，如应力路径和K0测试。

2.三轴压力室和三轴压力室配件：三轴压力室可用于各种样品尺寸和额定压力值。压力室容纳三轴试样，并在所有测试阶段随时加压。试样密封在橡胶膜内，然后用水包围，以产生压力，然后用于对样品施加应力（σ3）。

如果需要，可以施加反压使样品饱和。在剪切阶段，试样上的轴向力增加，由测压元件测量，以及位移传感器测量的变形，如有需要，可以测量样品中的孔隙压力。样品的体积变化从反压端测量使用体变管或压力/体积控制器。

3.压力系统：三种类型的系统可用于在三轴系统内施加围压和反压：

空气/水面板包括：

• 配电板-旨在正确地将除气水分配到形成三轴系统的各种设备中。它为每个压力线（通常是两条）配备压力调节器，它还允许技术人员通过压力表调整来自空气压缩机的压力。

• 囊状气缸-在三轴系统中提供压缩空气和水之间的界面。它配有橡胶囊，将气压转换为压力室中使用的水压和三轴测试所需的反压。

• 空气压缩机-用于产生压缩空气。

压力体积/控制器：

这可以通过对水缸施加压力，并在不需要任何压缩空气的情况下产生所需的压力室压力和反压来实现。步进电机驱动该单元，使其能够在三轴测试的所有阶段测量体积变化。为了便于在开始测试前将水正确分配到所有设备，建议添加一个分配面板。

油/水界面：
该设备通常用于在不需要反压和体积变化测量的UU测试中产生约束压力（围压）。它通过使用与泵和油/水容器相连的可调弹簧式自重压力系统来提供恒定的水压。

模拟测量设备或电子测量设备：可以使用一些传感器来监控测试所涉及的不同变量：

• 荷载传感器-测量剪切阶段应用于试样的轴向载荷的变化。它可以是荷载环或外置及内置的水下荷重传感器。

• 位移传感器      - 测量试样高度的变化（轴向应变 εa）。它可以是机械千分表、数字千分表或电位传感器

• 体积变化传感器-用于CU和CD测试，以测量进出试样的水量，以及测试期间试样的体积变化。这可能是一个布列特或自动体积变化装置。当与压力/体积控制器一起使用时，体积也可以用这种传感器来测量。

• 孔隙水压-用于CU和CD测试，以测量试样内孔隙水压的变化。这可以是压力计或孔隙压力传感器。

4.数据采集：数据记录器将从测压元件、孔隙水压和轴向位移传感器获得的模拟读数转换为数字数据，然后存储。它可以内置标准三轴系统，也可以作为外部设备提供。当与自动系统一起使用时，数据采集还可以使用PC和专用软件管理和控制三轴测试所需的所有设备。

5.除气系统：从水中去除溶解空气，是CU/CD测试所必需的。

6.数据处理和报告：主要国际标准要求对数据进行处理，以生成专门的测试报告。

三轴试验典型配置

具有模拟测量装置的三轴系统是对不需要数字测量的实验室进行标准三轴测试的较为理想的基本解决方案，例如有效和总应力。所有数据采集和测试管理都是手动模式。

具有自动内置数据采集的三轴系统是标准三轴测试（有效和总应力）较简单的紧凑解决方案。可配备标准空气/水界面压力系统，也可配备自动压力/体积控制器。对外部数据采集仪和/或PC没有要求。

具有自动外部数据采集的三轴系统是标准三轴测试（有效和总应力）和许多其他土壤测试的可扩展紧凑解决方案。可配备标准空气/水界面压力系统，也可配备自动压力/体积控制器。数据采集可以与其他土壤测试设备（如固结和剪切）采集和/或PC共享。

全自动PC控制的三轴系统AUTOTRIAX EmS2：三轴测试系统，无需任何人工干预，即可自动运行多达6次独立测试。

全自动三轴测试系统-AUTOTRIAXQube：三轴测试的多个组件集成到一个单一紧凑的系统中的自动化三轴测试系统。