淺談常規三軸試驗及其影響因素

【摘要】三軸試驗主要目的是測定土的抗剪強度和探究其應力應變關系，本文具體介紹了常規三軸試驗及其試驗方法，詳細分析了試樣制備、端部約束、試樣飽和方法、橡皮膜、試樣剪切速率等影響因素。為探尋三軸試驗影響因素及提高試驗精度提供基礎。

【關鍵詞】三軸試驗；試驗方法；影響因素；橡皮膜

三軸壓縮試驗是土工試驗中一種非常重要的力學性能試驗，其用途主要是測定土的抗剪強度和應力應變關系。研究土的抗剪強度規律對于工程設計、施工和管理都具有非常重要的理論和實際意義。土的抗剪強度影響因素很多，比如土的組成、結構、孔隙比、排水條件、荷載形式、土中應力等，正確測定這些影響參數是理論分析與實際運用的基礎。

室內測定抗剪強度的方法一般分為三種：直接剪切試驗，三軸壓縮試驗，無側限抗壓強度試驗。無側限抗壓試驗，即三軸試驗中的一種特殊情況。三軸壓縮試驗和直接剪切試驗都是利用摩爾-庫侖原理測定土的抗剪強度指標，但是直接剪切試驗不能控制試樣的排水條件，受力狀態不明確，無法測量孔隙水壓力，因此，三軸試驗越來越得到廣泛的應用。

1、 三軸壓縮試驗儀器

三軸壓縮試驗直接測量的是試樣在不同恒定周圍壓力下的抗壓強度，然后利用摩爾-庫倫破壞原理間接推求土的抗剪強度。

三軸壓縮儀主要由壓力室，加壓系統和測量系統三部分組成。三軸壓力室是一個金屬頂蓋、底座、透明有機玻璃圓筒組成的密閉容器。試樣為圓柱體，高度與直徑之比按照《土工試驗方法標準》采用2～2.5。試樣安裝在壓力室中，外用柔性橡皮膜包裹，橡皮膜扎在試樣帽和底座上，試樣上、下兩端可根據要求放置透水石或不透水板。試驗時試樣的排水，由與頂部連通的排水閥來控制。試樣底部與孔隙水應力量測系統相連接，試樣的周圍壓力，由與壓力室直接相連的壓力源來供給。試樣的軸向壓力增量，由與頂部試樣帽直接接觸的傳壓活塞桿來傳遞使試樣受剪，直至剪破。在受剪過程中同時要測讀試樣的軸向壓縮量，以便計算軸向應變。

2 、常規三軸試驗方法

三軸試驗根據試樣的固結和排水條件不同，可分為不固結不排水剪（UU試驗）、固結不排水剪（CU試驗）、固結排水剪（ CD試驗）三種方法。分別對應于直剪試驗的快剪、固結快剪和慢剪試驗。在進行不同方法的三軸試驗時，都要先使試樣在周圍壓力下固結穩定。

3 、三軸試驗的主要影響因素

3.1 試樣制備

在三軸試驗當中，制備試樣是試驗的起始階段也是影響后期試驗結果精確性和可靠性的重要環節。試樣制備初期，應考慮試樣材料結構的特殊性，取樣時盡可能保持材料的均勻性，同時在試樣尺寸的選取上，應當依據規范要求并結合試驗需要科學制定。一般對于土而言，試樣高度H與直徑D之比應為2.0～2.5，對于有裂隙軟弱面或構造面的試樣，直徑D宜采用101mm。試樣的制備過程當中，人工拌制對于材料均勻程度的影響；裝料振搗過程中，各人力度以及振搗方式不同對于試件密實程度的影響都在試樣的制備階段起到影響作用。

3.2 端部約束

三軸試驗中，試樣由于受到端部試樣帽（底座）的約束作用，導致試樣在剪切過程中會出現較為明顯的不均勻變形現象，造成這一現象的原因在于試樣端部與透水石或墊板之間存在摩擦或膠黏作用。此外，由于端部的約束作用，試樣的孔隙壓力分布不均勻，試樣兩端的孔隙壓力與試樣剪切區的孔隙壓力存在一定差別，故在三軸固結排水剪試驗中，應當采用緩慢的剪切速率來消除端部約束。

3.3 試樣的飽和

三軸試驗的飽和方法主要有抽氣飽和、水頭飽和、反壓力飽和和二氧化碳飽和等方法，前兩種方法需要較長時間使試樣達到試驗需要飽和度，而后兩種方法可使試樣較快達到試驗需要飽和度。水頭飽和法適用于粉土或粉質砂土，二氧化碳飽和法適用于無粘性的松砂、緊砂及密度低的粉質土。故一般室內試驗采用的飽和法為抽氣飽和法和反壓力飽和法。

3.4 橡皮膜的影響

在三軸試驗當中，試樣是被橡皮膜包裹，以防止壓力室中的水或氣進入試件。周圍壓力通過橡皮膜作用在試樣上。對于三軸試驗中橡皮膜的影響，筆者認為橡皮膜對試驗的影響主要體現在以下方面：

1）在三軸試驗中，橡皮膜是包裹在試樣上的，當試件受到軸向力作用產生膨脹或剪切破壞時，橡皮膜對試件產生約束作用，增大了試件破壞時所需要的軸向力，從而使試驗結果偏大。根據長江水利水電科學研究院試驗研究成果及國外一些資料表明，當試樣的剪切破壞形式為塑性鼓狀破壞時，橡皮膜對試驗結果的影響很小，可以不作校正。當剪切破壞形式為脆性破壞時，應根據破裂面傾角的大小進行模擬試驗校正。

2）在三軸不排水試驗中，假定試樣的體積在試驗過程中不發生變化，但是由于橡皮膜的嵌入使得該假設不成立。試驗開始階段，橡皮膜在有效周圍壓力的作用下嵌入試件表面孔隙中，當試件剪切時，隨著試樣內部孔壓的上升，有效周圍壓力減少，使得橡皮膜的嵌入深度也隨之減少，橡皮膜嵌入深度改變引起試樣體積變化，因此，不排水試驗并非 “常體積”試驗。

3.5 剪切速率的影響

對于不固結不排水試驗，不需要測量孔隙壓力，剪切速率可取0.5～1.0%/min。對于固結不排水試驗，一般是在試樣的底部測量孔隙水壓力，在剪切的過程中，試樣剪切區的孔隙水壓力需要一定時間達到均勻分布并傳遞到試樣底部，若剪切過快，孔隙水壓力會產生滯后現象，影響試驗結果。對于不同的土體應選取不同的剪切速率，根據《土工試驗規程（SL237-1999）》，粉質土的剪切應變速率取0.1-0.5%/min；塑性指數低、密度小的粘質土取0.05-0.1%/min；高密度粘性土剪切速率小于0.05%/min。張文珍等人根據研究得出對于高密度的粘性土剪切應變速率一定要小于0.05%/min，建議接近0.02%/min。

4 、結語

三軸壓縮試驗是目前科研與實際工程應用中采用最為廣泛的一種土工試驗，本文通過對常規三軸試驗的簡單介紹以及對試樣制備、端部約束作用、試樣飽和方法與飽和程度、橡皮膜嵌入度、試樣剪切速率等影響因素的簡單分析，為繼續開展三軸試驗研究，精確測定土的抗剪強度與研究土的應以應變關系提供了基礎。

參考文獻：

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