三軸試驗原理

    根據(jù)力學(xué)試驗原理，假定一土體保持平衡狀態(tài)，則其中某一點必有三種作用于互相垂直面上的應(yīng)力。如從上體中切出一小立方體，如圖“主應(yīng)力與主應(yīng)力面”所示，圖中平行于X、Y、Z三個方向的力，分別稱為大主應(yīng)力σ1、中主應(yīng)力σ2、小主應(yīng)力σ3。與三個主應(yīng)力垂直的作用面分別稱為大主應(yīng)力面、中主應(yīng)力面和小主應(yīng)力面。三個主應(yīng)力值的大小為σ1>σ2>σ3，且互相垂直，主應(yīng)力面上只有法向應(yīng)力，無剪應(yīng)力。這種應(yīng)力狀態(tài)，可以在室內(nèi)用一個立方體試樣進(jìn)行模擬。如圖“剛性板結(jié)構(gòu)的真三軸儀示意圖”所示，利用六塊可以互相移動的剛性板，分別施加σ1、σ2、σ3力于試樣，使之達(dá)到破壞，并測定試樣三個方向的變形和體積變化，這種試驗稱為真三軸試驗。

    真三軸試驗所施加的應(yīng)力和所測得的強(qiáng)度參數(shù)以及變形參數(shù)能較真實地反映實際情況。然而這種試驗的儀器構(gòu)造復(fù)雜、操作麻煩。目前除了作研究用外，很少被巖土工程師用于實際的工程勘察設(shè)計。

    許多土工問題如土坡、路堤、擋土墻、碼頭等均屬于平面問題，在設(shè)計上作為平面應(yīng)變狀態(tài)處理，即只考慮σ1和σ3。在一些特殊情況下，如油罐基礎(chǔ)，常按軸對稱問題處理，即σ2=σ3。三軸試驗就是使試樣在軸對稱的應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行試驗。由于三軸試驗比真三軸試驗簡單方便，因此得到了廣泛應(yīng)用。

 

三軸試驗類型

三軸試驗的主要用途是測定土的強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變有關(guān)參數(shù)。也常用來測定土的靜止側(cè)壓力系數(shù)Ko、消散系數(shù)Cv、滲透系統(tǒng)K等。三軸試驗主要有以下幾種類型：

1、強(qiáng)度試驗

用三軸試驗測定土的強(qiáng)度參數(shù)，有幾種不同方法。根據(jù)試驗過程中排水條件，通常可分為不固結(jié)不排水剪（UU）、固結(jié)不排水剪（CU）和固結(jié)排水剪（CD）。試驗方法的選擇，要根據(jù)設(shè)計要求、土的性質(zhì)、施工速度、工程運用條件等而定。

2、應(yīng)力路徑試驗

前述三種常規(guī)試驗方法的UU試驗、CU試驗和CD試驗是用同一種加荷方式，在不同排水條件下進(jìn)行的。如用不同的加荷方式，在不同排水條件下進(jìn)行試驗，則稱為應(yīng)力路徑試驗。

應(yīng)力路徑是模擬土體在實際施工或運行過程中的應(yīng)力變化，對試樣進(jìn)行加荷減荷的試驗程序。這種應(yīng)力狀態(tài)變化是以巖石的加荷過程中土體內(nèi)某平面上應(yīng)力變化的軌跡來表明應(yīng)力增長或減小的路徑。不同的加荷方式有不同的應(yīng)力路徑。

3、三軸靜止側(cè)壓力系數(shù)Ko試驗

在天然土層或人工填土中的任何一點，水平有效應(yīng)力σ，h一般不等于垂直有效應(yīng)力σ，v。這兩種應(yīng)力之比稱為側(cè)壓力系數(shù)或側(cè)應(yīng)力比，即：Ko=σ，h/σ，v。Ko的最小值相當(dāng)于土體破壞時的應(yīng)力比，以Kf表示。工程中，設(shè)計者所需要的是靜止側(cè)壓力系數(shù)，即土體在垂直應(yīng)力作用下，無側(cè)向變形的靜止側(cè)壓力系數(shù)，以Ko表示。

Ko試驗是假定土體各向同性均勻一致，應(yīng)力σ與應(yīng)變ε呈線性關(guān)系，其比值σ/ε即為彈性模量E。

4、孔隙壓力消散試驗

孔隙壓力消散試驗是測定試樣施加作用力后，試樣中產(chǎn)生的孔隙壓力在排水條件下隨時間而消散的過程。根據(jù)這種試驗可測得土的固結(jié)系數(shù)Cv（也稱消散系數(shù)）和體積壓縮系數(shù)mv。

5、三軸滲透試驗

三軸滲透試驗，利用三軸儀按常規(guī)不排水剪試驗方法安裝好試樣，對試樣施加有效圍壓σ3，使水在一定壓力差作用下通過試樣流出，保持穩(wěn)定流量Q，測定土的滲透系數(shù)。對同一試樣，可以施加不同圍壓σ3，使之達(dá)到固結(jié)排水穩(wěn)定后，分別測定其滲透系數(shù)k。

三軸試驗優(yōu)缺點

   三軸試驗的優(yōu)點是：應(yīng)用范圍較廣，可用以測定土的強(qiáng)度參數(shù)、應(yīng)力變形參數(shù)、土的消散系數(shù)、靜止側(cè)壓力系數(shù)及滲透系數(shù)等。適用于各種土類，如原狀土、重塑土的黏性土及砂礫等；在測定強(qiáng)度方面與直接剪切試驗比較，其優(yōu)點是試樣的剪切面不是固定的，面是沿最弱的面產(chǎn)生剪切；對于有結(jié)構(gòu)面的土，如裂縫土，它能較真實地反映土的應(yīng)力應(yīng)變特征；在試驗方法方面，可以根據(jù)工程設(shè)計的施工和運用條件控制排水，測定孔隙壓力，較可靠地測定試驗過程中試樣的體積變化（包括飽和式樣和非飽和試樣）?？梢阅M工程現(xiàn)場的應(yīng)力狀態(tài)，施加主應(yīng)力及加荷路徑。在試樣飽和方面，可以施加反壓力或CO2氣體，使試樣達(dá)到完全飽和狀態(tài)。此外，在孔隙壓力消散試驗、滲透試驗方面，試樣可以在近乎實際的應(yīng)力狀態(tài)（如各向均等應(yīng)力、各向不等應(yīng)力）條件下進(jìn)行試驗。許多實際工程的資料表明，用三軸試驗所測定的強(qiáng)度參數(shù)c、Φ,靜止側(cè)壓力系數(shù)Ko,孔隙壓力消散系數(shù)Cv及滲透系數(shù)k比其他試驗方法所測得的計算參數(shù)更為合理、可靠，能較真實地反映土的特質(zhì)。

   三軸試驗的不足之處是：試驗過程中施加的應(yīng)力是軸對稱的，即σ2=σ3；而大多數(shù)的實際工程則是近似平面問題，如土石壩、路堤、擋土墻、隧道、房屋基礎(chǔ)等，因而與實際的應(yīng)力狀態(tài)有差別，其中主應(yīng)力（σ2）不能變化，不能模擬平面應(yīng)變條件，主應(yīng)力方向不能逐漸改變。試樣的末端如不采取減少摩擦的措施，則受到約束，從而影響應(yīng)力、應(yīng)變、體積變化及孔隙壓力直剪的關(guān)系。

   三軸試驗的應(yīng)用不足之處是試驗操作復(fù)雜、費時，需要有試驗技術(shù)熟練的人員操作。因而試驗結(jié)果的質(zhì)量與試驗人員的技術(shù)水平有很大關(guān)系。儀器設(shè)備較直剪儀或固結(jié)儀復(fù)雜且費用較高，試驗要求較多的試樣。

   對于許多實用目的而言，三軸試驗的優(yōu)點遠(yuǎn)大于其缺點。根據(jù)許多工程實例，一些重要的工程問題中，試驗室試驗結(jié)果和現(xiàn)場穩(wěn)定性探測之間的關(guān)系都能很好的符合。