三轴试验

三轴试验
一、基本原理
三轴压缩实验是根据摩尔-库伦强度理论，用3～4个试样，分别在不同的恒定周围压力（即小主应力σ3）下施加轴向压力（即主应力差），进行剪切直至破
坏，从而确定土的抗剪强度参数。

根据排水条件的不同，三轴试验分为以下三种试验类型：即不固结不排水试验（UU），固结不排水试验（CU），和固结排水试验（CD），试验方法的选择应根据工程情况，土的性质，建筑物施工和运行条件及所采用的分析方法而定。

（1）不固结不排水剪试验（UU）:是在整个实验过程中,从加周围压力和增加轴向压力直到剪坏为止,均不允许试样排水对保和试样可测得总抗剪强度参数CU、ФU或有效抗剪强度参数C′、Ф′和孔隙水压力参数。

（2）固结不排水剪试验（CU）:试验是先使试样在某一周围压力下固结排水，然后保持在不排水的情况下，增加轴向压力直到剪坏为止，可以测得总抗剪强度指标CCu、ФCu或有效抗剪强度参数C′、Ф′和孔隙水压力参数。

（3）固结排水剪试验（CD）:是在整个试验过程中允许试样充分排水，即在某一周围压力下排水固结，然后在充分排水的情况下增加轴向压力直到剪坏为止，可以测定有效抗剪强度指标2Cd、Фd。

二、固结不排水试验
（一）仪器设备
1、应变控制式三轴压缩仪
由周围压力系统，反压力系统，孔隙水压力量测系统和主机组成。

2、附属设备
包括击实器、饱和器、切土器、分样器、切土盘、承膜筒和对开圆筒，：
3、百分表
量程3cm或1cm，分度值〉0.01mm。

4、天平
程量200g，感量0.01g；程量1000g，感量0. 1g。

5、橡皮膜
应具有弹性，厚度应小于橡皮膜直径的1/100，不得有漏气空。

（二）操作步骤
1、仪器检查
⑴周围压力的测量精度为全量程的1%，测读分值为5kPa。

⑵孔隙水压力系统内的气泡应完全排除。

系统内的气泡可用纯水或施加压力使气泡溶于水，并从试样底座溢出，测量系统的体积因数应小于1.5×10-5cm3/ kPa。

⑶管路应畅通，活塞应能滑动，各连接处应无漏气。

⑷橡胶膜在使用前应仔细检查，方法是在膜内充气，扎紧两端，然后在水下检查有无漏气。

2、试样制备
⑴本试验需3～4个试样，分别在不同周围压力下进行试验。

⑵试样尺寸：最小直径为Ф35mm，最大直径为Ф101mm，试验高度应为试样直径的2～2.5倍，试样的最大粒径应符合下表规定。

对于有裂缝、软弱面和构造面的试样，试样直径宜大于60mm。

步骤的规定切成圆柱形试样,试样两端应平整,并垂直于试样轴,当试样侧面或端部有小石子或凹坑时,允许用削下的余土修整,试样切削时应避免扰动,并取余土测定试样的含水量。

⑷扰动试样的制备:根据预定的干密度和含水量，按扰动土样规定备样后，在击石器内分层击实，粉质土宜为3～5层，粘质土宜为5～8层，各层土样数量相等，各层接触面刨毛。

⑸对于砂类土，应在压力室底座上依次放上不透水板、橡胶膜和对开圆膜。

将砂料填入对开圆膜内，分三层按预定干密度击实。

当制备饱和试样时，在对开圆膜内注入纯水至1/3高度，将煮沸的砂料分三层填入，达到预定高度。

放上不透水板、试样帽、扎紧橡皮膜。

对试样内部施加5kPa负压力，使试样能站立，拆除对开膜。

⑹对制备好的试样，量测其直径和高度。

试样的平均直径按下式计算：
D0=(D1 +2D2+ D3)/4
式中的D1 、D2 、D3分别为上、中、下部位的直径。

3、试样饱和
⑴抽气饱和。

将试样装入饱和其内。

置于抽气缸内盖紧后，进行抽气。

当真空度接近一个大气压后，对于粉质土（轻亚粘土）再继续抽气半小时以上，粘质土（亚粘土、粘土）抽1小时以上，密实的粘质土抽两小时以上。

然后徐徐注入清水，并使真空度保持稳定。

待饱和器完全淹没水中后，停止抽气，解除抽气缸内的真空，让试样在抽气缸内静止10小时以上。

然后取出试样称重。

⑵水头饱和。

对于粉土，可直接在仪器上用水头饱和；对于粉质土和粘质土，有时因有特点要求。

也可用水头饱和。

其方法是先按上述规定步骤将试样安装好（但试样两端面都用透水石、试样顶面透水面上加透水帽），然后施加20kPa（≈0.2kgf/cm2）的周围压力。

并同时提高试样底部量管的水面和降低试样顶部固结排水管的水面，使两管水面高差在1m左右。

打开孔隙压力阀和排水阀。

让水自下而上通过试样，直至同一时间间隔内量管流出的水量与固结排水管内的水量相等位置。

⑶假如按上述两条不能使试样完全饱和（Sr=99%以上），而试验要求试样完全饱和时，则需对试样再用反压力饱和。

施加反压力步骤如下：
①当试样在三轴压力室装好以后，关孔隙压力阀和反压力阀，测记体变管读数。

现对试样施加20kPa（≈0.2kgf/cm2）的周围压力预压。

并打开孔隙压力阀进行测读。

孔隙压力稳定后记下读数，然后关孔隙压力阀。

②反压力应分级施加，并分级施加周围压力。

以尽量减少对试样的扰动。

在施加反压力过程中，始终保持周围压力比反压力大20kPa。

反压力和周围压力的每级增量对软粘土取30kPa。

对坚实的土或起始饱和度
较低的土，取50～70kPa。

③操作时，先调周围压力至50kPa（≈0.5kgf/cm2），并将反压力系统调至30kPa（≈0.3kgf/cm2），同时同步打开周围压力阀和反压力阀，然后在缓缓打开孔隙压力阀，带孔隙压力稳定后，测记孔隙压力仪表显示读数和体变管读数，再施加下一级的周围压力和反压力。

④算出本级周围压力下引起的孔隙压力增量△u，并与周围压力增加△σ3比较，假如△u/△σ3<0.98，则表示试样尚未饱和，这时关孔隙压力阀、反压力阀和周围压力阀，继续按上述步骤加下一级周围压力和反压力。

如此逐级增加周围压力和反压力直至试样饱和。

⑤当试样在某级压力下达到△u/△σ3〉0.98时，这时即应进行检查是否饱和。

其方法是保持反压力不变，增大周围压力，假若试样内增加的孔隙压力等于周围压力的增量，表明式样确系饱和；否则应增大反压力，重复上述步骤，直至试样饱和为止。

4、试样安装
⑴将试样放在压力室底座的不透水（有机玻璃）圆板上,在试样的顶部放置不透水试样帽.
⑵将橡皮膜套在承膜筒内。

将两端翻出膜外,从吸嘴吸气。

使橡皮膜贴紧承膜筒内壁，然后套在试样外，放气，翻起橡皮膜，取出承膜筒。

用橡皮圈将橡皮膜分别扎紧在压力室底座和试样帽上。

⑶装上压力室外罩。

安装时应将活塞提高，以防碰撞式样，然后将活塞对准试样帽中心，并均匀的旋紧螺丝，在将量力环对准活塞。

⑷开压力室外罩顶面排气孔，向压力室冲水。

当压力室快注满水时，降低进水速度，水从排气孔溢出时，关闭周围压力阀旋紧排气孔闷头螺栓。

⑸开周围压力阀，施加所需的周围压力。

周围压力的大小应与工程的实际荷重相适应，并尽可能是最大周围压力与土体的最大实际荷重大致相等。

也可按100，200，300，400 kPa（100 kPa≈1kgf/cm2）施加。

⑹旋转手轮，当量力环的量表微动时表示活塞已与试样帽接触。

然后将量力环的量表和变形量表的指针调镇整到零位。

5、试样剪切
⑴剪切应变速率应为每分钟应变0.5～1.0%。

⑵启动电动机，开始剪切。

试样每产生0.3～0.4%的周向应变，测记一次测力计读数和轴向变形值。

当轴向应变大于3%，每隔立即0.7～0.8%的应变值测记一次读数。

⑶当测力计读数出现峰值时，剪切应继续进行，超过5%的轴向应变为止。

当测力计读数无峰值时，剪切应变进行到轴向应变为15～20%。

⑷试验结束，关电动机，关周围压力阀，开排气阀，排除压力室内的水，拆除试样，描述试样破坏形状。

称试样质量，并测定含水量。

（三）成果整理
1、轴向应变的计算
ε1=Δhi/h0
式中ε 1 ——轴向应变值（%）；Δhi——剪力过程中的高度变化(mm)；h0 ——试样起始高度(mm)
2、试样面积的校正
Aa= A0/(1-ε1)
式中Aa——试样的校正断面积（cm2）；A0——试样的初始断面积（cm2）
3、主应力差计算
σ1-σ3=C•R/ Aa×10
式中σ1——大主应力（kPa）；σ3——小主应力（kPa）；C ——测力计率定系数（N/0.01mm或N/mV）；R——测力计读数（0.01mm或Mv）；10 ——单位换算系数
4、在直角坐标纸上绘制轴向应变与主应力差关系曲线
5、求不排水强度参数
以σ1-σ3的峰值为破坏点，无峰值时，取15%轴向应变时的主应力差值作为破坏点。

依法向应力为横坐标，在横坐标上以（σ1f-σ3f）/2为半径（f表示破坏），在τ-σ应力平面图上绘制破损应力图，并绘制不同周围压力下破损应力圆的包线。

记录如下表：
三轴压缩试验纪录（一）
土样标号试验方法
试验者试验日期
三轴压缩试验记录（二）（反压力和固结过程）
土样标号试验方法
⑵本试验因加反压力，故固结不用排水量管。

三轴压缩试验记录（三）
土样标号 试验方法 试验者 周围压力 固结下沉量 剪切速率 固结后面积
固结后高度 测力计校正系数 试验日期 本试验主要用于测定土的总抗剪强度参数指标CCu 、ФCu 或有效抗剪强度参数C ′、Ф′和孔隙水压力参数。

实验所用主要仪器设备与不固结不排水试验相同。

试验前仪器检查、试样制备、试样饱和按不固结不排水有关要求进行。

（一）试样安装
1、开孔隙压力阀，用玻璃量管中的蒸馏水对管路及压力室底座充水排气，并关阀。

将煮沸过的透水石放在压力室底座上，然后放上湿滤纸，放置试样，试样上端亦放一湿滤纸及透水石。

在其周围贴上7～9条宽度为6mm 左右的浸湿的滤纸条，滤纸条两端与透水石连接。

如要对试样施加反压力饱和，则所贴的滤纸条必须中间断开约1/4试样高度，或自底部向上贴至3/4试样高度处。

2、按规定用承膜筒将橡皮膜套在试样外。

橡皮膜下端扎紧在压力室底座上。

3、用软刷子或双手自下向上轻轻按抚试样，以排除试样与橡皮膜之间的气泡（对于饱和软土，可打开孔隙压力阀，使玻璃量管中的水徐徐流入试样与橡皮膜之间，以排除夹气，然后关阀。

）
4、打开排水阀，使水经细尼龙管从试样帽徐徐流出以排除管路中气泡，并将试样帽置于试样顶端。

排除顶端气泡，将橡皮膜扎紧在试样帽上。

5、降低排水管。

使其水面至试样中心高程一下20～40cm，吸出试样与橡皮膜之间多于水分，然后关排水阀。

6、按规定装上压力室并注满水，然后放低排水管使其水面与试样中心高度齐平，并测计其水面读数。

7、使量管水面位于试样中心高度处。

记下孔隙压力以表显示的起始读数，然后关闭孔压传感器右侧的水阀。

8、根据土样类别按有关规定步骤对试样进行饱和。

如用反压力试样饱和方法，带试样饱和后，关闭反压力阀。

增大周围压力，使增大的周围压力和反压力之差值等于原来此试样选定的σ3值，（如试样确以饱和。

孔隙压力也相应的增加此差值）。

记录稳定的孔隙压力读数和体变管水面读数作为固结排水前的起始读数。

（二）试样排水固结
1、开孔隙水压力阀，测定孔隙水压力。

开排水阀。

当需要测定排水过程时，按规定测计排水管水面及孔隙水压力值，直至孔隙水压力消散95%以上。

固结完成后，管排水阀，测计排水管读数和孔隙水压力读数。

2、微调压力机升降台，使活塞与试样接触，此时轴向变形百分表的变化值为试样固结时高度变化。

（三）试样剪切
1、将轴向测力计、轴形变形百分表和孔隙水压力读数均调整至零。

2、应变速率、进行煎切。

粘质土每分钟应变为0.05～0.1%；粉质土每分钟应变为0.1～0.5%。

3、轴向压力、孔隙水压力和轴向变形，测记方法同不固结不排水试验。

4、试验结束，关电动机和各阀门，开排气阀，排除压力室内的水，拆除试样，描述试样破坏形状。

称试样质量，并测定含水量。

（四）成果整理
1、试样固结高度计算
h c=h0(1-△V/V0)1/3
式中h c——试样固结后的高度（cm）；△V——试样固结后与固结前的体积变化（cm3）
2、试样固结后的面积计算
A c=A0(1-△V/V0)1/3
式中A c——试样固结后的断面积（cm2）
3、剪切时试样的校正面积计算
Ac= Ac/(1-ε1)
4、主应力差计算
主应力差计算同不固结不排水试验。

μf/B(σ1-σ3)f
5、有效主应力计算
⑴有效大主应力计算
σ′1=σ1-μ
式中σ′1——有效大主应力（kPa）；μ——孔隙水压力（kPa）
⑵有效小主应力计算
σ′3=σ3-μ
⑶有效主应力比
σ′1/σ′3=1+（σ′1-σ′3）/σ′3
6、孔隙水压力系数的计算
⑴初始孔隙水压力系数
B=μ0/σ3
式中B——初始孔隙水压力系数；μ0——初始周围压力产生的孔隙水压力，kPa
⑵破坏时孔隙水压力系数
A f=μf/ B(σ1-σ3)f
式中B——破坏时孔隙水压力系数；μ0——试样破坏时，主应力差产生的孔隙水压力（kPa）
7、不排水剪切强度曲线绘制
记录表格同不固结不排水试验。

四、固结排水试验
本试验主要测定土的抗剪强度参数Cd、Фd。

试验前仪器检查，试样制备和饱和按不固结不排水试验的相应规定进行。

试样的安装、固结和剪切按固结不排水试验的相应规定进行，但在剪切过程中应打开排水阀，剪切速率采用每分钟应变0.003～0.012%。

成果整理时，试样固结后的高度和面积按固结不排水试验相应的公式计算，剪切时试样的校正面积按下时计算
Aa=(V c-△V i)/(h c-△h i)
式中△V i——剪切过程中试样的体积变化（cm3）；h i——剪切过程中试样的高度变化（cm）
记录表格同不固结不排水试验。