浅谈常规三轴试验及其影响因素

浅谈常规三轴试验及其影响因素

三轴试验主要目的是测定土的抗剪强度和探究其应力应变关系，本文具体介绍了常规三轴试验及其试验方法，详细分析了试样制备、端部约束、试样饱和方法、橡皮膜、试样剪切速率等影响因素。为探寻三轴试验影响因素及提高试验精度提供基础。

标签：三轴试验；试验方法；影响因素；橡皮膜

三轴压缩试验是土工试验中一种非常重要的力学性能试验，其用途主要是测定土的抗剪强度和应力应变关系。研究土的抗剪强度规律对于工程设计、施工和管理都具有非常重要的理论和实际意义。土的抗剪强度影响因素很多，比如土的组成、结构、孔隙比、排水条件、荷载形式、土中应力等，正确测定这些影响参数是理论分析与实际运用的基础。

室内测定抗剪强度的方法一般分为三种：直接剪切试验，三轴压缩试验，无侧限抗压强度试验。无侧限抗压试验，即三轴试验中的一种特殊情况。三轴压缩试验和直接剪切试验都是利用摩尔-库仑原理测定土的抗剪强度指标，但是直接剪切试验不能控制试样的排水条件，受力状态不明确，无法测量孔隙水压力，因此，三轴试验越来越得到广泛的应用。

1、 三轴压缩试验仪器

三轴压缩试验直接测量的是试样在不同恒定周围压力下的抗压强度，然后利用摩尔-库伦破坏原理间接推求土的抗剪强度。

三轴压缩仪主要由压力室，加压系统和测量系统三部分组成。三轴压力室是一个金属顶盖、底座、透明有机玻璃圆筒组成的密闭容器。试样为圆柱体，高度与直径之比按照《土工试验方法标准》采用2～2.5。试样安装在压力室中，外用柔性橡皮膜包裹，橡皮膜扎在试样帽和底座上，试样上、下两端可根据要求放置透水石或不透水板。试验时试样的排水，由与顶部连通的排水阀来控制。试样底部与孔隙水应力量测系统相连接，试样的周围压力，由与压力室直接相连的压力源来供给。试样的轴向压力增量，由与顶部试样帽直接接触的传压活塞杆来传递使试样受剪，直至剪破。在受剪过程中同时要测读试样的轴向压缩量，以便计算轴向应变。

2 、常规三轴试验方法

三轴试验根据试样的固结和排水条件不同，可分为不固结不排水剪（UU试验）、固结不排水剪（CU试验）、固结排水剪（ CD试验）三种方法。分别对应于直剪试验的快剪、固结快剪和慢剪试验。在进行不同方法的三轴试验时，都要先使试样在周围压力下固结稳定。

3 、三轴试验的主要影响因素

3.1 试样制备

在三轴试验当中，制备试样是试验的起始阶段也是影响后期试验结果精确性和可靠性的重要环节。试样制备初期，应考虑试样材料结构的特殊性，取样时尽可能保持材料的均匀性，同时在试样尺寸的选取上，应当依据规范要求并结合试验需要科学制定。一般对于土而言，试样高度H与直径D之比应为2.0～2.5，对于有裂隙软弱面或构造面的试样，直径D宜采用101mm。试样的制备过程当中，人工拌制对于材料均匀程度的影响；装料振捣过程中，各人力度以及振捣方式不同对于试件密实程度的影响都在试样的制备阶段起到影响作用。

3.2 端部约束

三轴试验中，试样由于受到端部试样帽（底座）的约束作用，导致试样在剪切过程中会出现较为明显的不均匀变形现象，造成这一现象的原因在于试样端部与透水石或垫板之间存在摩擦或胶黏作用。此外，由于端部的约束作用，试样的孔隙压力分布不均匀，试样两端的孔隙压力与试样剪切区的孔隙壓力存在一定差别，故在三轴固结排水剪试验中，应当采用缓慢的剪切速率来消除端部约束。

3.3 试样的饱和

三轴试验的饱和方法主要有抽气饱和、水头饱和、反压力饱和和二氧化碳饱和等方法，前两种方法需要较长时间使试样达到试验需要饱和度，而后两种方法可使试样较快达到试验需要饱和度。水头饱和法适用于粉土或粉质砂土，二氧化碳饱和法适用于无粘性的松砂、紧砂及密度低的粉质土。故一般室内试验采用的饱和法为抽气饱和法和反压力饱和法。

3.4 橡皮膜的影响

在三轴试验当中，试样是被橡皮膜包裹，以防止压力室中的水或气进入试件。周围压力通过橡皮膜作用在试样上。对于三轴试验中橡皮膜的影响，笔者认为橡皮膜对试验的影响主要体现在以下方面：

1）在三轴试验中，橡皮膜是包裹在试样上的，当试件受到轴向力作用产生膨胀或剪切破坏时，橡皮膜对试件产生约束作用，增大了试件破坏时所需要的轴向力，从而使试验结果偏大。根据长江水利水电科学研究院试验研究成果及国外一些资料表明，当试样的剪切破坏形式为塑性鼓状破坏时，橡皮膜对试验结果的影响很小，可以不作校正。当剪切破坏形式为脆性破坏时，应根据破裂面倾角的大小进行模拟试验校正。

2）在三轴不排水试验中，假定试样的体积在试验过程中不发生变化，但是由于橡皮膜的嵌入使得该假设不成立。试验开始阶段，橡皮膜在有效周围压力的作用下嵌入试件表面孔隙中，当试件剪切时，随着试样内部孔压的上升，有效周

围压力减少，使得橡皮膜的嵌入深度也随之减少，橡皮膜嵌入深度改变引起试样体积变化，因此，不排水试验并非 “常体积”试验。

3.5 剪切速率的影响

对于不固结不排水试验，不需要测量孔隙压力，剪切速率可取0.5～1.0%/min。对于固结不排水试验，一般是在试样的底部测量孔隙水压力，在剪切的过程中，试样剪切区的孔隙水压力需要一定时间达到均匀分布并传递到试样底部，若剪切过快，孔隙水压力会产生滞后现象，影响试验结果。对于不同的土体应选取不同的剪切速率，根据《土工试验规程（SL237-1999）》，粉质土的剪切应变速率取0.1-0.5%/min；塑性指数低、密度小的粘质土取0.05-0.1%/min；高密度粘性土剪切速率小于0.05%/min。张文珍等人根据研究得出对于高密度的粘性土剪切应变速率一定要小于0.05%/min，建议接近0.02%/min。

4 、结语

三轴压缩试验是目前科研与实际工程应用中采用最为广泛的一种土工试验，本文通过对常规三轴试验的简单介绍以及对试样制备、端部约束作用、试样饱和方法与饱和程度、橡皮膜嵌入度、试样剪切速率等影响因素的简单分析，为继续开展三轴试验研究，精确测定土的抗剪强度与研究土的应以应变关系提供了基础。

参考文献：

[1] 韦文婧，黄良.浅议常规三轴试验及其参数指标的选用.广西大学学报（自然科学版）。2006，31（3）：262-264

[2] 曹晓娟.三轴试验技术的探讨.路基工程。2010，增刊：14-16

[3]张文珍.影响三轴压缩试验成果的因素分析.华南地质与矿产.2005：55-58