阿萊桑德羅·馬吉奧尼
產品經理 | CONTROLS
在本文中，我們將探索三軸試驗，包括：
定義什么是三軸試驗
概述為什么你應該進行這些試驗
講解不同類型的固結試驗和方法
了解典型的試驗步驟
了解所需主要組件的詳細信息
了解典型的可用配置
什么是三軸試驗？
三軸剪切試驗是測量許多可變形固體，特別是土壤（如沙子、粘土）和巖石以及其他顆粒材料或粉末的力學性能的常用方法。（來源:維基百科）
典型的三軸試驗涉及將高度直徑比為2:1的密封圓柱形土壤試樣限制在加壓壓力室中，以模擬定義的應力條件。然后對試樣進行剪切，直到破壞，從而確定其剪切強度特性。試樣通常先飽和，然后固結，最后剪切，大多在壓縮條件下。
當然，還可以使用正確的設備進行一些進一步的測試。例如，帶有可形成真空附件的頂蓋（在加載框架、荷載傳感器和試樣之間創(chuàng)建剛性連接所必需的）允許在拉伸條件下進行三軸測試、應力路徑或K0測試。需要對受不同應力和排水條件影響的未擾動、重塑或壓實的試樣進行測試（見下文圖1和圖2），以模擬現(xiàn)場的應力。樣品尺寸從38毫米到100毫米不等，但只要使用正確的設備，也可以使用更大的樣品。
圖1-標準三軸測試中的應力條件。
圖2-總應力/有效應力
σ1或σV = 軸向/垂直應力
σ3 或σh =圍壓/水平壓力
u = 孔隙水壓力（PWP）
為什么進行三軸試驗？
三軸試驗是巖土工程中用途廣泛、全面、較廣泛執(zhí)行的試驗之一。下表1列出了三軸測試可以評估的常見工程問題。
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場地
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測試類型 |
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隧道 |
UU - 快速三軸 CU - CD 有效壓力 |
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垃圾填埋場襯墊 |
UU - 快速三軸 CU - CD 有效壓力 三軸滲透率 |
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地基設計 |
UU - 快速三軸 CU-CD有效應力 |
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土壩 |
UU - 快速三軸 CU 有效應力 三軸滲透率 |
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邊坡穩(wěn)定性 |
UU - 快速三軸 CU-CD有效應力 |
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路塹邊坡失穩(wěn)
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CU 有效應力 |
淺層地基引起的不同應力條件示例
淺層地基和開挖相結合引起的不同應力條件的例子。
其他一些測試更容易執(zhí)行，如標準直接剪切測試，但這些測試沒有像不允許控制試樣的排水量以及進行孔隙壓力測量那樣全面。此外，三軸試驗有助于計算重要的土壤參數(shù)，如內聚力（c’）、摩擦角（φ’）和待確定的剪切強度。三軸試驗還可用于確定其他變量，如剪切剛度G和滲透率k。
三軸試驗類型
實驗室可以進行三項基本的三軸試驗，每項試驗都允許觀察不同工程應用的土壤響應：
不固結不排水測試（UU），也稱為快剪三軸測試
固結不排水測試（CU）
固結排水測試（CD）
UU三軸試驗也稱為總應力試驗，CU/CD三軸試驗也稱為有效應力試驗。UU三軸試驗通常用于短期工程問題，CU和CD三軸試驗用于評估長期工程問題。
不固結不排水（UU）
用這種方法，以總應力來測量剪切強度。土壤試樣不進行固結，需要保持其原始結構和含水量，使其抗壓強度取決于現(xiàn)場的靜態(tài)應力水平。
通常對從同一樣品中獲得的三個試樣進行測試，每個試樣都受到不同的圍壓。在土壤完全飽和狀態(tài)下，每次試驗的剪切強度都是一樣的，稱為“不排水的剪切強度 ” 。另一種稱為無側限（UCS）的測試也可以使用三軸系統(tǒng)進行，只需將限制壓力設置為零。
固結不排水（CU）
這里以有效應力來衡量剪切強度。試樣飽和并允許在所需的約束壓力下進行固結（土壤固結是改變其結構和含水量的過程）。一旦固結，試樣就被施加了一定的荷載，在此期間不允許排水，以便測量孔隙壓力。
由于剪切強度受有效應力的影響，通過在不同約束壓力下測試一組三個試樣，可以根據庫侖模型定義失效包絡，定義參數(shù)c'和φ'，并評估不排水的剪切強度。
固結排水（CD）
用這種方法，以有效應力來測量剪切強度。試樣飽和，允許在所需的圍壓下固結。一旦固結，試樣就被施加了一定的荷載，在此期間允許水分排出，而不會產生孔隙壓力。
由于剪切強度受到有效應力的影響，通過在不同約束壓力下測試一組三個試樣，可以根據庫侖模型定義失效包絡，并定義參數(shù)c'和φ'。
UU三軸測試速度快，執(zhí)行時間不到30分鐘，通常不經過飽和或固結階段，因為測試僅包括剪切階段。而CU和CD三軸測試通常在飽和階段開始，然后進入固結段。CU和CD三軸測試也需要更長的時間，有時幾天、幾周甚至幾個月才能完成。CD三軸試驗通常耗時最長，因為在剪切階段，不允許孔隙壓力積聚，導致應變率非常低。CU三軸測試更快，因為孔隙水壓力（PWP）允許增加，在整個剪切階段會測量超孔隙水壓力。
典型測試步驟
測試前：樣品和系統(tǒng)準備
測試的試樣需要在放入三軸壓力室之前從土壤樣品中獲取。對于粘聚土壤，這可能涉及修剪從謝爾比管中擠出的未擾動的樣本或從塊狀樣品中切割。然而，對于非粘聚的顆粒土壤，您需要使用對開模直接在基座上準備試樣。下面是一個模具和以前的模具舉例：
用于制備重塑試樣的對開模帶抽真空附件
這些模具用于通過壓實或振動制備非粘聚性試樣——這是三軸試驗所必需的。模具直接放置在三軸壓力室的基座上。為了確保橡皮膜附著在模具的內壁上，施加真空以確保重塑試樣的直徑正確
切土器
用于從粘聚土樣品中制備未擾動的樣品，用于三軸試驗。
對開模
用于修剪不受擾動的樣品的兩端。一旦試樣準備完成，我們準備進行三軸測試，三軸測試包括三個主要階段：
階段1-飽和
飽和過程確保測試試樣內的所有空隙都充滿水，并確保孔隙壓力傳感器和排水管路正確排氣。最常見的飽和方法是在試樣中增加圍壓和反壓。這個過程逐漸提高圍壓和反壓，這可以溶解樣品中可能存在的任何空氣。
在此過程中，計算孔隙壓力系數(shù)B以確定飽和度。重復這些步驟，直到樣品飽和。大多數(shù)標準規(guī)定，大于0.95的B值表明標本已充分飽和。B值計算為一個比值 其中 ?u = 孔壓變化 ?σ3 = 圍壓變化;
B= ?u/?σ3
階段2-固結
飽和后，試樣通常被固結到代表其原位條件的應力狀態(tài)。固結通常是各向同性的應力-垂直和水平施加給樣品的應力相同（σ3 = σ1）。然而，固結也可以是各向異性的，其中 σ3 ≠ σ1。在這種情況下，測試通常縮寫為CIU（各向同性固結不排水）或CAU（各向異性固結不排水）。試樣固結通常通過增加圍壓進行，同時保持恒定的反壓（通常等于最終飽和度B檢測期間達到的孔隙壓力）。
一旦固結過程開始，當固結過程使得試樣中排出水，試樣中超孔隙水壓力將開始消失，從而減少其體積。這一過程一直持續(xù)到試樣的體積變化不再顯著，并且至少有95%的超孔隙水壓力已經消散。在固結階段結束時，還可計算出剪切試樣的合適應變速率。有關更多信息，請閱讀我們專門用于固結測試的文章。
階段3-剪切
剪切試驗也稱為破壞或壓縮階段，涉及通過逐漸增加軸向力（σ1）（恒定軸向應變速率）、保持圍壓（σ3）來剪切試樣，直到樣品破壞（破壞通常發(fā)生在軸向應變的20%以內）。根據剪切階段需要模擬的工程問題，適用于試樣的排水條件將決定是否進行排水或不排水測試。
在不排水的測試中，不允許樣品排水-其體積在此階段不會改變，但形狀會發(fā)生變化，導致孔隙壓力發(fā)展，將進行測量。如果允許排水，在剪切階段，水將從試樣中排出，使試樣的體積和形狀發(fā)生變化，同時防止孔隙壓力發(fā)生變化。
除了確定剪切強度外，內聚力（c’）和phi（φ’）的值也可以使用莫爾圓和應力路徑圖來確定。在剪切結束時，您需要拆除系統(tǒng)并進行測試后試樣測量，例如最終含水量。
三軸系統(tǒng)的主要部件
要進行三軸測試，系統(tǒng)需要多個組件：
1.荷載架：荷載架對試樣施加軸向變形，可以與多個三軸壓力室共享。在這種配置中，飽和和固結階段可以同時進行，剪切階段可以在荷載框架下每次運行一個（例如，配置一個框架和三個三軸壓力室）。當荷載架等于三軸壓力室數(shù)時，荷載架可以視為專用荷載架，從而進行額外的高級測試，如應力路徑和K0測試。
2.三軸壓力室和三軸壓力室配件：三軸壓力室可用于各種樣品尺寸和額定壓力值。壓力室容納三軸試樣，并在所有測試階段隨時加壓。試樣密封在橡膠膜內，然后用水包圍，以產生壓力，然后用于對樣品施加應力（σ3）。
如果需要，可以施加反壓使樣品飽和。在剪切階段，試樣上的軸向力增加，由測壓元件測量，以及位移傳感器測量的變形，如有需要，可以測量樣品中的孔隙壓力。樣品的體積變化從反壓端測量使用體變管或壓力/體積控制器。
3.壓力系統(tǒng)：三種類型的系統(tǒng)可用于在三軸系統(tǒng)內施加圍壓和反壓：
空氣/水面板包括：
配電板-旨在正確地將除氣水分配到形成三軸系統(tǒng)的各種設備中。它為每個壓力線（通常是兩條）配備壓力調節(jié)器，它還允許技術人員通過壓力表調整來自空氣壓縮機的壓力。
囊狀氣缸-在三軸系統(tǒng)中提供壓縮空氣和水之間的界面。它配有橡膠囊，將氣壓轉換為壓力室中使用的水壓和三軸測試所需的反壓。
空氣壓縮機-用于產生壓縮空氣。
壓力體積/控制器：
這可以通過對水缸施加壓力，并在不需要任何壓縮空氣的情況下產生所需的壓力室壓力和反壓來實現(xiàn)。步進電機驅動該單元，使其能夠在三軸測試的所有階段測量體積變化。為了便于在開始測試前將水正確分配到所有設備，建議添加一個分配面板。
油/水界面：
該設備通常用于在不需要反壓和體積變化測量的UU測試中產生約束壓力（圍壓）。它通過使用與泵和油/水容器相連的可調彈簧式自重壓力系統(tǒng)來提供恒定的水壓。
荷載傳感器-測量剪切階段應用于試樣的軸向載荷的變化。它可以是荷載環(huán)或外置及內置的水下荷重傳感器。
位移傳感器 - 測量試樣高度的變化（軸向應變 εa）。它可以是機械千分表、數(shù)字千分表或電位傳感器
體積變化傳感器-用于CU和CD測試，以測量進出試樣的水量，以及測試期間試樣的體積變化。這可能是一個布列特或自動體積變化裝置。當與壓力/體積控制器一起使用時，體積也可以用這種傳感器來測量。
孔隙水壓-用于CU和CD測試，以測量試樣內孔隙水壓的變化。這可以是壓力計或孔隙壓力傳感器。
4.數(shù)據采集：數(shù)據記錄器將從測壓元件、孔隙水壓和軸向位移傳感器獲得的模擬讀數(shù)轉換為數(shù)字數(shù)據，然后存儲。它可以內置標準三軸系統(tǒng)，也可以作為外部設備提供。當與自動系統(tǒng)一起使用時，數(shù)據采集還可以使用PC和專用軟件管理和控制三軸測試所需的所有設備。
5.除氣系統(tǒng)：從水中去除溶解空氣，是CU/CD測試所必需的。
6.數(shù)據處理和報告：主要國際標準要求對數(shù)據進行處理，以生成專門的測試報告。
三軸試驗典型配置
具有模擬測量裝置的三軸系統(tǒng)是對不需要數(shù)字測量的實驗室進行標準三軸測試的較為理想的基本解決方案，例如有效和總應力。所有數(shù)據采集和測試管理都是手動模式。
具有自動內置數(shù)據采集的三軸系統(tǒng)是標準三軸測試（有效和總應力）較簡單的緊湊解決方案。可配備標準空氣/水界面壓力系統(tǒng)，也可配備自動壓力/體積控制器。對外部數(shù)據采集儀和/或PC沒有要求。
具有自動外部數(shù)據采集的三軸系統(tǒng)是標準三軸測試（有效和總應力）和許多其他土壤測試的可擴展緊湊解決方案。可配備標準空氣/水界面壓力系統(tǒng)，也可配備自動壓力/體積控制器。數(shù)據采集可以與其他土壤測試設備（如固結和剪切）采集和/或PC共享。
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