三軸剪切試驗：揭示土體強度與變形特性的核心方法

副標題：從原理到應用，深入理解土體力學行為的關鍵試驗

三軸剪切試驗是巖土工程領域中一項基礎且至關重要的室內試驗方法，主要用于測定土體在復雜應力狀態下的抗剪強度參數（粘聚力c和內摩擦角φ）以及研究其應力-應變關系、體積變化特性和滲透性等。相較于直剪試驗，它能更真實地模擬地基或土工結構中的應力條件，提供更全面的土體力學性能信息。

一、試驗目的與核心價值

• 確定抗剪強度參數： 這是最核心的目的，為邊坡穩定性分析、地基承載力計算、擋土墻土壓力設計等提供關鍵輸入值。
• 研究應力-應變關系： 揭示土體在不同圍壓和排水條件下的變形特性（如彈性、塑性、剪脹、剪縮）。
• 評估土體破壞模式： 觀察土體是發生脆性破壞還是塑性流動。
• 測定孔隙水壓力： 在固結不排水（CU）和不固結不排水（UU）試驗中，測量剪切過程中產生的超靜孔隙水壓力，對分析飽和粘性土的穩定性至關重要。
• 模擬特定應力路徑： 通過控制軸向應力和圍壓的變化，模擬現場土體的實際加卸載過程（如基坑開挖、堤壩填筑）。

二、試驗設備構成

三軸儀主要由以下幾個核心部件組成：

1. 壓力室： 一個能承受高壓的密閉容器（通常為透明有機玻璃或不銹鋼材質），用于容納圓柱形土樣并施加圍壓（σ?）。圍壓通常通過水或油來傳遞。
2. 軸向加載系統： 提供并測量施加在土樣頂部的軸向荷載或位移（從而得到軸向應力σ?或軸向應變ε?）。可以是機械式（杠桿、砝碼）、液壓式或電機伺服控制式（現代主流，精度高，控制靈活）。
3. 圍壓施加與控制系統： 包括壓力源（氣瓶、穩壓罐、液壓泵）、壓力傳感器和控制系統，用于精確施加和維持所需的圍壓。
4. 體積變化測量系統：
   • 排水條件： 通過連接到試樣底座的細管和量筒（或電子體積變化傳感器）測量排水試驗中土樣的體積變化（排水量）。
   • 不排水條件： 通過安裝在試樣頂部的孔隙水壓力傳感器測量剪切過程中產生的孔隙水壓力（u）。
5. 底座與頂帽： 試樣底部的透水石（用于排水）或不透水板（用于不排水），以及頂部的加載帽。底座通常有通道連接排水管或孔隙水壓力量測系統。
6. 數據采集系統： 實時記錄軸向荷載、軸向位移、圍壓、體積變化量或孔隙水壓力等數據。
7. 飽和設備（可選）： 用于對試樣進行反壓飽和，確保試樣達到完全飽和狀態（B值接近1）。

三、試樣制備與安裝

1. 試樣規格： 標準圓柱體試樣，常見尺寸為直徑39.1mm（面積12cm²）、高度80mm（高徑比2:1），或直徑50mm、高度100mm等。尺寸需符合相關規范要求。
2. 制備方法：
   • 原狀土： 使用薄壁取土器或原狀土切土器從現場取得，在實驗室內精細修整至標準尺寸，盡量減少擾動。
   • 重塑土： 將擾動土按要求的干密度和含水率（或飽和度）在擊實筒或壓樣器中分層擊實或壓制成型。
3. 安裝步驟：
   • 將橡皮膜套在承膜筒上。
   • 將制備好的試樣放入承膜筒，小心將橡皮膜翻下包住試樣兩端。
   • 將包有橡皮膜的試樣放置在壓力室底座上（底座已放置透水石或不透水板）。
   • 裝上試樣頂部的透水石或不透水板及加載帽。
   • 用橡皮圈將橡皮膜兩端分別緊密固定在底座和頂帽的凹槽內，確保密封。
   • 將壓力室罩上并緊固密封。
   • 連接好所有管路（排水管、圍壓管、孔隙水壓力測量管等）。
   • 向壓力室內注滿無氣水或硅油作為圍壓介質。

四、主要試驗類型（基于固結與排水條件）

試驗類型的選擇取決于土的性質（透水性）和工程問題的排水條件（施工速度、荷載持續時間）。

1. 不固結不排水試驗（Unconsolidated Undrained, UU）：

   • 過程： 施加圍壓σ?后不允許試樣排水固結（排水閥關閉），立即施加軸向荷載進行剪切（剪切過程中排水閥仍關閉）。
   • 特點： 剪切過程中試樣體積不變（ΔV=0），總應力不變，但產生超靜孔隙水壓力Δu（>0）。適用于模擬飽和粘性土在快速加荷（如地震、快速填筑）條件下的不排水強度。
   • 結果： 得到總應力抗剪強度參數（c??, φ??）。不同圍壓下得到的破壞包絡線通常接近水平（φ??≈0），c??即為土的不排水抗剪強度S?。

2. 固結不排水試驗（Consolidated Undrained, CU）：

   • 過程：
     • 固結階段： 施加圍壓σ?并允許試樣充分排水固結（排水閥打開），直至主固結完成（體積變化穩定）。
     • 剪切階段： 關閉排水閥，在不排水條件下施加軸向荷載進行剪切，同時測量孔隙水壓力Δu。
   • 特點： 試樣在固結后具有確定的初始有效應力狀態。剪切過程中體積不變（ΔV=0），但有效應力發生變化（σ' = σ - u）。
   • 結果： 可得到總應力抗剪強度參數（c??, φ??）和有效應力抗剪強度參數（c', φ'）。后者通過繪制有效莫爾圓破壞包絡線（(σ?f' - σ?f')/2 vs (σ?f' + σ?f')/2）獲得，更能反映土體的真實抗剪強度本質。

3. 固結排水試驗（Consolidated Drained, CD）：

   • 過程：
     • 固結階段： 同CU試驗，施加圍壓σ?并充分固結。
     • 剪切階段： 在允許排水條件下（排水閥打開），緩慢施加軸向荷載進行剪切，確保剪切過程中孔隙水壓力充分消散（Δu≈0）。
   • 特點： 整個試驗過程（固結和剪切）都允許排水，孔隙水壓力始終接近零（u≈0），施加的應力即為有效應力。試樣體積在剪切過程中可以自由變化（發生剪縮或剪脹）。
   • 結果： 得到有效應力抗剪強度參數（c', φ'）以及詳細的體變-應變關系。適用于分析透水性較好的砂土、粉土以及粘性土在緩慢加載（如長期穩定性）條件下的強度與變形。

五、試驗步驟（以典型CU試驗為例）

1. 試樣安裝與密封： 按前述步驟完成試樣安裝、橡皮膜密封和壓力室組裝。
2. 抽氣飽和（可選）： 對于需要飽和的試樣，施加反壓進行飽和，直至B值（Δu/Δσ?）接近1。
3. 施加圍壓： 向壓力室施加預定的各向等壓圍壓σ?（如100kPa、200kPa、300kPa）。
4. 固結： 打開排水閥，讓試樣在圍壓σ?下排水固結。記錄排水量（體積變化）隨時間的變化，直至固結完成（排水速率極小且穩定）。
5. 關閉排水閥： 固結完成后，關閉排水閥，進入不排水剪切階段。
6. 施加軸向荷載（剪切）：
   • 以恒定的低應變速率（如0.1%/min ~ 1%/min，具體速率根據規范或土性確定）施加軸向荷載（或位移）。
   • 同時連續測量并記錄：軸向荷載（或軸向位移）、孔隙水壓力。
   • 剪切持續至試樣達到破壞（軸向應力明顯下降或穩定，或達到預定的大軸向應變，如15%-20%）。
7. 結束試驗： 卸載軸向荷載，釋放圍壓，拆除壓力室，取出試樣，描述破壞形態。
8. 重復試驗： 對同一土樣的不同試樣（至少3個），在不同圍壓（σ?）下重復步驟1-7。

六、數據分析與結果整理

1. 計算應力與應變：
   • 軸向應變 (ε?)： ε? = ΔH / H? (ΔH為軸向變形，H?為試樣初始高度)
   • 主應力差 (σ? - σ?)： (σ? - σ?) = P / A (P為軸向荷載，A為試樣當前橫截面積，需考慮體積變化修正)。在UU和CU試驗中，A隨ε?變化；CD試驗中，A隨排水體積變化修正。
   • 有效大主應力 (σ?')： σ?' = σ? - u (僅CU試驗計算)
   • 有效小主應力 (σ?')： σ?' = σ? - u (僅CU試驗計算)
2. 繪制曲線：
   • 主應力差(σ? - σ?) vs 軸向應變(ε?)曲線： 反映土體的應力-應變關系和峰值強度。
   • 孔隙水壓力(u) vs 軸向應變(ε?)曲線（CU試驗）： 反映剪切過程中孔壓的變化規律。
   • 體積應變(ε?) vs 軸向應變(ε?)曲線（CD試驗）： 反映土體的剪縮或剪脹特性。
3. 確定破壞點：
   • 峰值強度法： 取(σ? - σ?)達到最大值時的點作為破壞點（適用于有明顯峰值的土）。
   • 極限值法： 取軸向應變達到15%或20%時的點作為破壞點（適用于無明顯峰值或軟化劇烈的土）。
   • 有效應力路徑法（更科學）： 繪制有效應力路徑（q = (σ?' - σ?')/2 vs p' = (σ?' + σ?')/2），破壞點為有效應力路徑的峰值點或與破壞包絡線的切點。
4. 繪制莫爾圓與破壞包絡線：
   • 根據每個圍壓下試驗得到的破壞點應力狀態（σ?f, σ?f 或 σ?f', σ?f'），在τ-σ坐標圖上繪制莫爾圓。
   • 作這些莫爾圓的公切線（包絡線）。
   • 包絡線與τ軸的截距即為粘聚力(c??, c??, c')，包絡線的傾角即為內摩擦角(φ??, φ??, φ')。注意區分總應力參數和有效應力參數。

七、試驗要點與注意事項

1. 試樣代表性： 試樣應盡可能代表現場土體，減少擾動。原狀土制備需格外小心。
2. 試樣飽和： 對于飽和土試驗（尤其是CU），確保試樣充分飽和（B≥0.95）是關鍵，否則孔壓測量和有效應力分析將不準確。反壓飽和是常用有效方法。
3. 橡皮膜影響： 橡皮膜對試樣有約束作用，尤其對軟土和低圍壓試驗影響較大，必要時需進行校正。
4. 端部約束： 試樣與頂帽、底座接觸面的摩擦會影響應力分布，應使用適當的潤滑劑（如硅脂）和透水石減小影響。
5. 剪切速率： 剪切速率對結果有顯著影響。速率過快會導致孔壓分布不均（UU, CU），速率過慢會導致次固結影響（CD）。必須嚴格按照規范或基于土滲透性選擇合適的速率。
6. 破壞標準： 選擇合適的破壞標準對結果一致性很重要，應明確說明所用標準。
7. 設備校準： 所有傳感器（力、位移、壓力、體積）需定期校準，確保數據準確可靠。

八、工程應用

三軸剪切試驗的結果廣泛應用于巖土工程的各個領域：

• 邊坡穩定性分析： 提供滑弧分析所需的c', φ'值。
• 地基承載力計算： 確定淺基礎（如Terzaghi公式）和深基礎（如樁基）的極限承載力。
• 擋土結構設計： 計算主動、被動土壓力（需結合c', φ'）。
• 填方工程： 評估填土的壓實質量（CD試驗）和施工期穩定性（UU/CU試驗）。
• 地震液化分析： CU試驗結果用于評估飽和砂土在地震荷載下的液化勢。
• 數值模擬： 為土體本構模型（如Mohr-Coulomb, Drucker-Prager, Cam-Clay模型）提供關鍵的參數標定依據。

三軸剪切試驗憑借其能夠模擬復雜應力狀態和控制排水條件的優勢，成為揭示土體強度、變形及滲流特性的核心試驗手段。通過嚴謹的試樣制備、規范的試驗操作和科學的數據分析，三軸試驗能夠為各類巖土工程的設計、分析與施工提供關鍵且可靠的土力學參數。深入理解其原理、掌握不同類型試驗的適用條件并關注試驗細節，是獲取準確結果并成功應用于工程實踐的基礎。隨著測試技術和自動化水平的不斷提升，三軸試驗在巖土工程研究與實踐中的地位將愈發重要。