三轴压缩试验

发布于：2022-09-23 13:23:23 来自：建筑结构/地基基础 [复制转发]

1．试验仪器介绍

三轴压缩试验使用的仪器为三轴剪力仪(也称三轴压缩仪)，其核心部分是三轴压力室，它的构造见图。

此外，还配备有：
（a）轴压系统, 即三轴剪切仪的主机台，用以对式样施加轴向附加压力Δσ₁，并可控制轴向应变的速率:
（b）侧压系统, 通过液体(通常是水)对土样施加周围压力σ₃；
（c）孔隙水压力测读系统，用以测量土样孔隙水压力u及其在试验过程中的变化。此外，还可测量试样的排水量。

试验用的土样为正圆柱形，常用的高度与直径之比为2～2.5。土样用薄橡皮膜包裹，以免压力室的水进入。试样上、下两端可根据试样要求放置透水石或不透水板。试验中试样的排水情况由排水阀控制。试样底部与孔隙水压力量测系统相接，必要时藉以测定试验过程中试样的孔隙水压力变化。

2.试验步骤

先将圆柱形土样套在薄乳胶膜内，上下扎紧不漏水，置于密闭的压力室中，然后通过周围压力阀向压力室内注入液体(一般为水)，使试件受三相相等的压力σ₃。此时，三个主应力相等，土样内不产生剪应力。

然后保持σ₃不变，再通过活塞杆在顶部施加垂直压力P，使土样中产生剪应力。逐渐加大P，直到土样剪切破坏，记录下破坏时的P值。

由此得到土样破坏时由活塞杆加在土样上的垂直压力为Δσ₁，则土样上的最大主应力为σ_1f=σ₃+Δσ₁，而最小主应力为σ_3f。由σ_1f和σ_3f可绘制出一个莫尔圆。

用同一种土制成3～4个土样，按上述方法进行试验，对每个土样施加不同的周围压力σ₃，可分别求得剪切破坏时对应的最大主应力σ₁，将这些结果绘成一组莫尔圆。根据土的极限平衡条件可知，通过这些莫尔圆的切点的直线就是土的抗剪强度线，由此可得抗剪强度指标c、φ值。该直线在纵轴上的截距为粘聚力c，与横轴的夹角为内摩擦角φ。

若在试验过程中，通过孔隙水测读系统分别测得每一个土样剪切破坏时的孔隙水压力的大小就可以得出土样剪切破坏时有效应力σ₁′=σ₁-u，σ₃′=σ₃-u，绘制出相应的有效极限应力圆，即可求得有效强度指标φ′、c′。

3．根据排水条件分类

（1）不固结不排不水剪（UU试验）

先向土样施加周围压力σ₃，随后立即施加竖向力P直至剪坏。在施加σ₃和P的过程中，自始至终关闭排水阀门，不允许土中水排出，这样从开始加压直至试样剪坏，全过程中含水量保持不变，从而实现了不固结不排水剪。这种试验方法所对应的实际工程条件相当于饱和软粘土上快速加荷时的应力状况。

该种试验，在试验过程中孔隙水压力不为零，只要打开孔隙压力阀，就可测定孔隙水压力。

（2）固结不排水剪（CU试验）
试验时先将土样施加周围压力σ₃，并打开排水阀门，使土样在σ₃作用下充分排水固结。在确认土样的固结已经完成后，关闭排水阀门。施加竖向力P，使土样在不能向外排水的条件下受剪切破坏。同样，该项试验在剪切过程中孔隙水压力不为零，也可测定。
三轴“CU”试验是经常要做的工程试验，它适用的实际工程条件常常是一般正常固结土层在工程竣工时或以后受到大量、快速的活荷载或新增加的荷载的作用时所对应的受力情况。

（3）固结排水剪（CD试验）

在整个试验过程中，始终打开排水阀门，即在施加σ₃和竖向力P的全过程中，土样始终处于排水状态，土中孔隙水压力始终处于消散为零的状态，使土样剪切破坏。

不同的试验方法，所测得的指标是有差别的，应根据工程的实际情况具体分析，以选择基本符合实际工程受荷情况的试验方法。

在 工程实践中如何选用 三轴试验和直剪试验的三种试验方法是个比较复杂的问题，应根据工程情况、加荷速度快慢、土层厚薄、排水情况、荷载大小等综合确定。一般来说，对不易透水的饱和粘性土，当土层较厚，排水条件较差，施工速度较快时，为使施工期土体稳定可采用不固结不排水剪。反之，对土层较薄，透水性较大，排水条件好，施工速度不快的短期稳定问题可采用固结不排水剪。击实填土地基或路基以及挡土墙及船闸等结构物的地基，一般认为采用固结不排水剪。此外，如确定施工速度相当慢，土层透水性及排水条件都很好，可考虑用排水剪。当然，这些只是一般性的原则，实际情况往往要复杂得多，能严格满足试验条件的很少，因此还要针对具体问题作具体分析。

4. 三轴试验的优缺点

优点：

（1）可严格控制排水条件，准确测定试样在剪切过程中孔隙水压力变化，从而可定量获得土中有效应力的变化情况；

（2）破坏面是试件的最弱面，一般为45^o+φ/2左右的斜截面；

（3）剪切破坏面上应力分布较均匀。

（4）除抗剪强度指标外，还可测定如土的灵敏度、测压力系数、孔隙水压力系数等力学指标。

缺点：

（1）仪器构造较复杂；

（2）操作技术要求高。