三轴试验系统组分
三轴试验由许多部件组成才能达到试样的应力状态，并进行剪切试
验及数据记录。表1列出了GDS三轴系统的主要组成部分及对应的
主要功能。完整系统见图4
表1 –GDS自动三轴系统的组成部分
部件
主要功能
三轴压力室
装样和围压充水的地方
底座&顶帽 橡皮膜，O型圈&透水石
提供试样基座和 排水接口
围压条件下密封试样，且允许控制 有效应力和排水,
1.用除气水充填试样空隙 2.增加反压将空气压入溶液
图7 B值 确定试验饱和情况
固结
固结阶段，需要将试样压缩至剪切过程需要的有效应力状态。 这个过程通常通过持恒定的反压（等于B检测时候最终饱和情况 下的孔压）情况下增加围压实现，如图8所示，这个过程将持续进 行，直到试样体变ΔV非常小或者超静孔压至少消散95%。固结过 程中得到的试验数据可以用于估算剪切阶段施加的应变速率。
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一般三轴试验过程
本报告简要介绍下这个部分，三轴试验，作为室内岩土试 验的标准（BS1377 第8部分，1990年）主要包括4个步骤：试 样和系统准备过程、饱和、固结和剪切（注意，UU试验中不 要饱和及固结，详见BS1377 第7部分，1990年）。以下基于 GDS三轴自动化系统来简要介绍每个步骤。
图5 修整后的粘性土（左）；承膜筒（中）；用于砂性土的 对开模。
试样制备完成之后，再组装压力室和系统的其他组件。在 这个过程中，将压力室内充满水，连接好压力/体检控制器并按 要求设定传感器。
饱和
饱和的过程通俗的讲就是将试样中的空隙填满水的过程， 并且孔压传感器和排水线路应当进行除气。首先施加局部真空 到样品中以去除空气，同时把水注入到传感器和排水线路，随 后其围压和反压将呈线性增长。之后的过程如图6所示，在这 个过程中，应该保持恒定的有效应力，任何时候，有效应力的 增量都不要高于所需要的剪切值，因为这样会导致土样超固结。 为了帮助土样达到完全饱和状态，需采取以下步骤：
三轴试验技术与方法 1
Sean Rees 博士 2 （1．本系列第 1 部分，2. GDS 岩土试验研究专家）
综述：这三部系列主要用于介绍岩土工程试验中最为通用的方法之——三轴试验。该报告对三轴试验这个课题提供的详尽的介绍，包括许 多衍生可以用于评估土体响应范围内的工程应用。
Overview: This three part series has been written to introduce one of the most versatile tests in the geotechnical laboratory – the triaxial test. The papers provide a detailed introduction to the subject of triaxial testing, including the many variations available for assessing soil response across a range of engineering applications.
参考文献
以下内容大部分为最近刊登的信息，是研究三轴试验时被建议 参考的文献（不包含特殊的试验标准）：
图9 一般固结粘土剪切过程（左）；粘性土剪切后破坏面 （右）
剪切试验结束后，试样可以被拆除，可以进行试验后的试样 测量（例如最终含水量等）
Day, R. W. 2001. Soil Testing Manual: Procedures, Classification
为了接近土体原始状态，试验对试样的初始准备工作包含：饱 和、固结及剪切。土体在剪切过程中需要施加轴向荷载，用于 压缩，一般情况下不做拉伸，如图2所示为三轴试样一般组成部 件。
为什么进行三轴试验？
三轴试验目前是室内岩土试验中最为通用且运用最广泛的一种， 用于研究岩土体的抗剪强度及其刚度。程序相对简单，包括直接剪 切试验及能控制试样的排水及测量孔隙水压力。可以获得相应的力 学参数：如内摩擦角、粘聚力及不排水抗剪强度cu，另外如剪切刚 度、压缩系数和渗透系数也可以在试验中得到。图1提供一个工程应 用的示例，对土边坡顶部土体进行三轴压缩，同时相应的力学参数 可以再边坡坡脚得到。
本系列文章共分为以下主题：
1. 三轴试验介绍 2. 高级三轴试验 3. 动三轴试验
引言
本文主要介绍三轴试验，包括解释试验目的，试验土体的应力 状态，所需要的试验系统部件以及运行三轴试验的通用程序。本文 以土力学知识为基础，对于报告中一些术语不太了解的读者，建议 浏览GDS简介的第一部分-----土&岩试验系列，在那里可以查到相应 的术语以及工程参数。
试样和系统准备工作
试样安装在压力室之前，首先必须从土样中制备试样。对 于粘性土，首先用谢尔比管取原状土，在试验前从管中挤出或 直接取方块样，在试验前进行修边处理。对于砂性土则可直接 用模具放在基架上。对于如图5所示的粘性土，可以用承膜筒 将已包裹橡胶模土样放在底座上。注意，试验制备过程中土样 应尽可能受到小的扰动
图8 试样的固结试
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剪切
通过荷载架的向上（压缩）或向下（拉伸）过程，给土样提供 了一个恒定速率的轴向应变来达到剪切土体的目的。速率的大小及 试样的排水条件取决于三轴试验类型。表2总结了所有试验类型的 试验条件。
表2 剪切阶段的试验条件概述
试验类型 UU
轴向应变速率
排水
一般5-15分钟达到破坏标 不排水, 不测量超孔隙
注意：如果不使用除气水的话，可能需要相当长的时间，或者反 压需要施加高达700kPa 以上，试样才能完全饱和。
图6 通过加大反压饱和试样 试样在进行固结试验之前，一个小的参数—Skempton B值可以用 来检测试样的饱和程度。所谓的B检测，是要求试样在全封闭的情 况下排水，同时围压上升至约50kpa。如图7中所示，B值≥ 0.95代 表试样已经完全饱和。注意，B值的大小与图的种类有关，对于一 般固结的软土在完全饱和的情况下，其值达到1.00，而对于密实 砂或硬粘土，即使完全饱和状态下，其值可能只有0.91。
获取来自力传感器、孔压传感器， 位移传感器的数据 控制试验硬件并记录来自数据采集 仪的读数
GDSLab控制& 获取软件
数据采集仪
加载架
图3 三轴过程中的试验应力状态
注意，在进行拉伸试验时，主应力方向旋转90°，也就是说 径向应力相当于最大主应力而轴向应力则提供最小主应力。
围压&反 压体积控制器
三轴压力室
围压体积控制器
通过给水加压来提围压
反压体积控制器
给试样提供反压/孔压，同时可以测 量体变
加载架速率控制
内置水下荷重传感器 孔隙水压传感器 轴向位移传感器 数据采集仪
GDSLab 控制和数据 采集软件
以恒定速率，通过加载滚筒轴向的 移动来剪切试样
测量剪切过程中施加在试样上的轴 向力F
测量试样中孔隙水压力的变化 测量试样的轴向变形
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UU试验最为简单快捷，试验过程中土样只需进行总应力的 控制和记录。可以测试不排水情况下土体抗剪强度，用来评估短 期状态下土体稳定性（例如用于施工项目进行期间测试，或者跟 随测试）。注意：该试验一般用于粘性土中。
CD试验另一方面适用于长时间荷载加载下的反应，在有效 应力下可得到其力学参数（如c、Φ值），试验需要消耗大量时 间来完成，因为对于粘性土，需要施加足够慢的剪切速率才能对 孔隙水压力产生微小变化。
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图1 三轴试验的工程应用
三轴试验组成
三轴试验一般需要一个直径38mm~100mm的圆柱形土样，放 进压力室内受压。大多数试样高径比约2:1，且用橡胶模包裹。
图 2 三轴压力室的土体试样一般配置
三轴试验的类型
以下三种为主要的实验室分析方法，不同的工程应用都能得 到相应的力学参数。
• (UU) 不固结不排水 • (CU) 固结不排水 • (CD) 固结排水
准
水压
足够慢到超孔隙水压达到 不排水, 记录超孔隙水
CU
充分均衡
压
慢到孔隙水压的变化可以 排水,记录ΔV，同时保持
CD
忽略不计
恒定反压。
应力路径三轴试验系统
迄今为止，三轴系统及试验过程多关注恒定速率的应变控制， 其中通过荷载架的移动来控制速率从而引起剪切应力。为了施加 和控制试样的轴向压力，传统上使用应力路径三轴压力室。运用 一个低增压舱来输送轴向应力给土样，并伴随有轴向应变。随着 系统的发展，试样可在更多复杂应力条件下进行测试，相比于速 度控制的荷载架更适合研究性的项目。如图10显示的是一个应力 路径三轴系统，可以看到，通过传感器反馈，能够同时使荷载架 和应力路径系统运行相同的复杂试验，仅存在较小的性能差异 （荷载架相对更适合应变控制；应力路径系统适合应力控制。
最后介绍CU试验，该试验最为常用，在有效应力的基础上 可以确定土体力学参数（如c、Φ值）同时相对于CD试验，其剪 切速率更快。这些参数的确定通过记录试样剪切过程中超孔隙水 压力变化获得。
三轴试验过程中的应力状态
图3显示的是三轴压缩试验中施加在试样上的应力分布情 况。侧限应力σc的加载通过对压力室内部的试样周围的液体加压 实现—也等于径向应力σr或最小主应力σ3。偏应力q通过对土样 施加一个轴向应变εa获得，另外偏应力在轴向上提供的q与σc之 和等于轴向应力或最大主应力σ1，当σ1 = σ3时，处于各向同性应 力状态，当σ1 ≠ σ3时处于各相异性状态。
图Da1t0a,GaDmSd三Sa轴m试pli样ng系P统rac（ticTeTs,SN）e组w 成Yo部rk分, McGraw-Hill. Head, K. H. 1998. Manual of Soil Laboratory Testing Volume 3:
Effective Stress Tests, Chichester, John Wiley & Sons Ltd. Knappett, J. A. & Craig, R. F. 2012. Craig’s Soil Mechanics, Oxon, Spon Press. Simons, N., Menzies, B. & Matthews, M. 2002. A Short Course in Geotechnical Site Investigation, London, Thomas Telford Ltd.