三軸試驗原理

    根據力學試驗原理，假定一土體保持平衡狀態，則其中某一點必有三種作用于互相垂直面上的應力。如從上體中切出一小立方體，如圖“主應力與主應力面”所示，圖中平行于X、Y、Z三個方向的力，分別稱為大主應力σ1、中主應力σ2、小主應力σ3。與三個主應力垂直的作用面分別稱為大主應力面、中主應力面和小主應力面。三個主應力值的大小為σ1>σ2>σ3，且互相垂直，主應力面上只有法向應力，無剪應力。這種應力狀態，可以在室內用一個立方體試樣進行模擬。如圖“剛性板結構的真三軸儀示意圖”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力和所測得的強度參數以及變形參數能較真實地反映實際情況。然而這種試驗的儀器構造復雜、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，在設計上作為平面應變狀態處理，即只考慮σ1和σ3。在一些特殊情況下，如油罐基礎，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力狀態下進行試驗。由于三軸試驗比真三軸試驗簡單方便，因此得到了廣泛應用。

 

三軸試驗類型

三軸試驗的主要用途是測定土的強度和應力應變有關參數。也常用來測定土的靜止側壓力系數Ko、消散系數Cv、滲透系統K等。三軸試驗主要有以下幾種類型：

1、強度試驗

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

2、應力路徑試驗

前述三種常規試驗方法的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行的。如用不同的加荷方式，在不同排水條件下進行試驗，則稱為應力路徑試驗。

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

3、三軸靜止側壓力系數Ko試驗

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

Ko試驗是假定土體各向同性均勻一致，應力σ與應變ε呈線性關系，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，試樣中產生的孔隙壓力在排水條件下隨時間而消散的過程。根據這種試驗可測得土的固結系數Cv（也稱消散系數）和體積壓縮系數mv。

5、三軸滲透試驗

三軸滲透試驗，利用三軸儀按常規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，保持穩定流量Q，測定土的滲透系數。對同一試樣，可以施加不同圍壓σ3，使之達到固結排水穩定后，分別測定其滲透系數k。

三軸試驗優缺點

   三軸試驗的優點是：應用范圍較廣，可用以測定土的強度參數、應力變形參數、土的消散系數、靜止側壓力系數及滲透系數等。適用于各種土類，如原狀土、重塑土的黏性土及砂礫等；在測定強度方面與直接剪切試驗比較，其優點是試樣的剪切面不是固定的，面是沿最弱的面產生剪切；對于有結構面的土，如裂縫土，它能較真實地反映土的應力應變特征；在試驗方法方面，可以根據工程設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）。可以模擬工程現場的應力狀態，施加主應力及加荷路徑。在試樣飽和方面，可以施加反壓力或CO2氣體，使試樣達到完全飽和狀態。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力狀態（如各向均等應力、各向不等應力）條件下進行試驗。許多實際工程的資料表明，用三軸試驗所測定的強度參數c、Φ,靜止側壓力系數Ko,孔隙壓力消散系數Cv及滲透系數k比其他試驗方法所測得的計算參數更為合理、可靠，能較真實地反映土的特質。

   三軸試驗的不足之處是：試驗過程中施加的應力是軸對稱的，即σ2=σ3；而大多數的實際工程則是近似平面問題，如土石壩、路堤、擋土墻、隧道、房屋基礎等，因而與實際的應力狀態有差別，其中主應力（σ2）不能變化，不能模擬平面應變條件，主應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，從而影響應力、應變、體積變化及孔隙壓力直剪的關系。

   三軸試驗的應用不足之處是試驗操作復雜、費時，需要有試驗技術熟練的人員操作。因而試驗結果的質量與試驗人員的技術水平有很大關系。儀器設備較直剪儀或固結儀復雜且費用較高，試驗要求較多的試樣。

   對于許多實用目的而言，三軸試驗的優點遠大于其缺點。根據許多工程實例，一些重要的工程問題中，試驗室試驗結果和現場穩定性探測之間的關系都能很好的符合。