HJC黄金城

综述：这三部系列主要用于介绍岩土工程试验中通用的方法之——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.

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

简介

本文介绍了一套三轴测试系统， 可用来确定常规三轴系统不能得到的土体参数，或者让土体的反应尽量接近现场状态。

本文包括以下部分：
局部应变测量
局部孔压测量
弯曲元试验
非饱和土试验
高级软件控制

局部应变测量

常规三轴系统测量变形的传感器通常在三轴压力室的外部。在这种情况下，位移传感器安装在加压杆（第一部分图 2：三轴试验介绍）上面，轴向应变通过反压控制器的体积变化或者位移传感器来测量。

虽然这些设计在常规三轴试验可能提供足够的精度应变测量， 但不能测量刚度或者强度的峰值或者有代表原位土壤响应剪切区发生的小应变。这主要是由于位移传感器测量的数值包括系统运动和变形等一些无关试样体积变化的量。基座损坏、顶帽被压入试样顶部，也造成无法精确测量小应变。试样顶部和底部与顶盖和底座接触产生摩擦使得试样高度范围内产生不均匀的变形，这意味着只有中间三分之一的试样被认为是不受限制的,构成主剪切区域，这代表原状土的响应。

这些误差都可以通过放置的轴向和径向的应变传感器直接测量来减小。

局部轴向应变传感器

试样的局部应变可以通过将两个相隔 180°的位移传感器垂直安装在试样中部的 1/3 区域来测量。图 1 显示的是霍尔效应位移传感器，也可以应用其它传感器，如迷你线性位移传感器 （LVDT）。每个传感器通过两个安装块固定在试样上，它们相对运动来测量试样变形。 这种传感器通过计算两个安装块之间距离的变化（称为计量长度）来计算试样的轴向应变，而不是采用试样的初始高度。

局部轴向应变传感器

三轴试样的径向应变可以通过安装在试样中心的一个位移传感器来测量。通过两个相隔 180 度的垫块固定在试样上，垫块的两个部分采用铰链连接。当试样膨胀时两个垫块距离增大，当收缩时距离减小。该传感器安装成钳口开放的形式，致使所测得的位移是实际变形的两倍。 图 1 显示的是安装径向霍尔效应传感器，如果需要也可以采用LVDT。

传感器选择、维修技巧和优势

本文所介绍的两种局部位移传感器（霍尔效应和 LVDT）都适用于测量局部变形。总之，霍尔效应传感器比 LVDT 小，重量也轻，安装时只对试样施加了一个很小的荷载使得它在软土测试中实用。LVDT 传感器坚固，其精度也高。所以LVDT 适用于更加坚硬的试样，或者围压更大的情况。

采用何种方式固定传感器到土样上需要根据所测的土体。通常采用粘合剂，例如乐泰胶水或者采用硅胶和不锈钢针联合使用在试样上安装轴向或者径向垫块。由于不刺穿橡皮膜，所以接触粘合剂应用较多。

但在某些情况下可能要用针将垫片固定在某些地方，这需要使用硅密封胶来防止电池液泄漏到试样上，注意只有当试样足够软允许将针插入试样内部。

为了说明采用局部应变传感器的好处，图 2 展示了采用总应变测量和局部应变测量两种测得的结果。通过小应变传感器能够捕捉到小的应变，并消除了底座损坏和系统的制约，使得两种方法的结果有着显著地不同（比如 0.5%）， 同 时试样初始刚度比采用总应变测得的更大。

采用局部应变测得的刚度更高也更符合现场状态，图 3 展示了剪切模量的退化曲线。通过采用小的剪切模量和不太保守的设计，能够降低工程成本。注意：在进行数值计算时采用小应变来准确估计土的剪切模量也是非常重要的。

局部孔压测量

就像传统的三轴系统测量试样的总应变一样，孔隙水压力的测量也倾向于采用压力室外部的传感器来读取数据。这使得数据值为试样端部孔隙水压力的响应，而不是主要剪切区（试样中部1/3 范围内）的值。因此，为了增加剪切过程中孔隙压力的测量精度，中平面孔压传感器能够在三轴系统中应用。图 4 为一个应用该传感器的一个图例。

就像它的名称一样，这些传感器安装在试验中部或者接近中部。在橡皮膜上开一个小孔并将传感器与试样接触，在试样和橡皮膜之间安放一个法兰环。在这个位置透水石与试样直接接触，通过隔膜的运动来测量孔压。需要保证隔膜与透水石之间完全被水填充以保证测试的准确性。

弯曲元测试

试样中非常小的应变响应可以通过弯曲元获得。如图 3 所示，弯曲元还可以测量最大剪切模量（Gmax），这个参数在岩土设计和数值计算中很有用。

弯曲元采用两个双晶片陶瓷插入试样一定深度，他们能够垂直放置（如图 1 中放置在顶帽和底座上）或者水平放置，确定试样的各向异性。当试验时，给其中的一个元件提供电源使其在试 样中产生 P 波或者 S 波，同时另一个元件接收通过试样的波。

图 5 展示了三轴试样中一个典型垂直弯曲元的原理详图。注意这个图中发射或者接受的波均为 S 波。

两种类型的波的主要区别在于离子相对于波的运动方向。P波为纵波，表示离子的移动方向与波的传播一致。 S 波为横向波，这表示离子移动的方向与波的传动方向垂直。

更多关于波在土壤中的传递可以查看文献，关于弯曲元方面的重要结论如下：

P 波的速率被土体的体积和剪切模量控制，分别为 K 和 G。
P 波通过水来传播，所以 P 波的速率与土体的饱和度有关
S 波的速率由土的剪切模量 G 控制
由于饱和度不足以影响剪切模量，所以试样中 S 波的传播速率基本不单独受饱和度的影响
Vp>Vs’

实际上，弯曲元就是来测试 Vp 和 Vs’ 。通过测量波从一个元件发送到另一个元件所需要的时间，然后用两个元件之间的距离除以该时间。值得注意的是由于不能准确获得波传播到接受元件 的时间，所以传播时间不直接获取，主要根据岩土力学中推荐的方法由用户来确定。

估算 P 波和 S 波的速率后，要估算 K 和 G 值只需要知道试样的体积密度，体积密度乘以波速的平方，波速需要尽可能准确的确定。注意：有时候 P 波可以用来表示试样的饱和度，当试样达 到饱和时 P 波的速率应该接近 1450m/s（P 波在水中的速率）。

图 6 展示了弯曲元系统，包括控制箱用于采集和记录波形。如果 在三轴系统中不止一套弯曲元（例如同时使用垂直和横向元件），可以增加一个从属箱。

非饱和试验

传统三轴系统和一系列的改进都是要求试样完全饱和，这个要求也就相当于在现场中土壤位于地下水位以下，如图 7 所示，然而在现实中有很多情况下土体在地下水位以上，事实上地球上60%的人口处于干旱地区，地下水位很深，也就是说在这些区域岩土工程主要为非饱和土。

当评估不饱和土壤时,Fredlund 和 Rahardjo(1993)建议不仅仅考虑现场的有效应力，而采用两个应力变量：常规应力（）和基质吸力（）, σ为总法相应力，为孔隙水压力，为孔隙气压力，并且。由于孔隙气压力的存在，在研究非饱和土时需要额外的硬件，在测试试样体变时也需要更加复杂的方法。

孔隙气压力施加

孔隙气压力有两种施加方法：通过压缩空气供应，或者采用空气压力/体积控制器。采用压缩空气施加气压力比压力/体积控制器更加快速（这主要是由于空气的高压缩性造成的），但是采用压缩空气供应时不能测量进入试样的气体体积。

如图 8 所示，气压力通过试样帽施加，反压（孔隙水压力）通过基座施加。采用适合高压空气的圆盘作为底座，或者HAEPD。HAEPD 需要将孔隙气和孔隙水分开，使试样维持一个基质吸力（）。采用天然陶瓷材料，当饱和后在其上方施加一个比孔隙水压力大的孔隙气压。这个材料能够阻止空气流出试样，气体压力的最大值就是进气值。HAEPD 的进气值一般在 300~1500kPa 之间。

测量试样体变

当进行非饱和三轴试验时，试样最初处于饱和状态，然后增加基质吸力使其变成非饱和状态 （通过土水特征曲线中基质吸力与饱和度来确定）。改变土体的非饱和状态时不能够单独采用反压体积，体变测量更加复杂，这主要是由于试样中的空气的高压缩性造成的，所以需要采用其它方法来测量试样的体变。测量体变需要的硬件如下：

1. 使用空气气压/体积控制器。
2. 采用内压力室和小量程的差压传感器。
3. 采用双层压力室。
4. 采用局部轴向和径向应变传感器。

每一种测量体变的方法都采用了不同的技术，同时它们也有各自的优点和缺点。对于各种方法的总结如下：

采用孔隙气压和反压体积两个控制器联合使用来计算试样的体变。
采用两个或者三个装置来测量由于试样体积变化引起的内压力室水位或者体积的变化。
直接采用局部应变传感器测量轴向和径向应变来计算试样体变。

要确定那个选型最适合进行三轴试验，每种方法都要进行详细的 评估，也要考虑试验类型。

软件控制

现代电脑允许用户进行比以前三轴试验复杂的自动化测试，这可以减少用户操作仪器所需的时间。这可以通过控制软件控制硬件来实现，通过闭合回路的开与关，数字压力/体积控制器基于系统传感器反馈值来定期调整位置的速率。使用软件来进行试验的步骤如下：

自动饱和——增加围压和反压，通过 B-check 来检测增量。软件基于孔压传感器反馈的值计算 B 值来确定饱和度。

K0 固结——围压以指定的速度增加，而帧速度基于径向应变传感器的反馈值自动调整。软件的目标就是保持径向应变为零（即一维固结），使试样保持应力条件不变。

应力路径控制——围压和帧速度根据用户指定的线性应力路径进行调整，图 9 显示的是一种应力路径。在加载过程中，偏应力 q 和有效应力 p’都随着荷重传感器、轴向位移和反压体积的读书而变化(这些都用于计算试样当前的应力和面积)，所以需要通过软件重新计算。

应力循环控制——加载在试样上面的循环偏应力（正弦）的帧速率不断调整，注意由于没有专门的加载架，加载频率为 0.015 赫兹或更少。

参考文献

Clayton, C. R. I. & Khatrush, S. A. 1986. A new device for measuring local axial strains on triaxial specimens. Géotechnique, Vol. 36, No. 4, p 593-597. Fredlund, D. G. & Rahardjo, H. 1993. Soil Mechanics for Unsaturated Soils, New York, John Wiley.
Jardine, R. J., Symes, M. J. & Burland, J. B. 1984.
The measurementof soil stiffness in the triaxial apparatus. Géotechnique, Vol. 34, No. 3, p 323-340.
Meilani, I., Rahardjo, H., Leong, E-C. & Fredlund, D. G. 2002.Mini suction probe for matric suction measurements. Canadian Geotechnical Journal, Vol. 39, p 1427-1432.
Menzies, B. K. & Matthews, M. C. 1996. The Continuous Surface-Wave System: A modern technique for site investigation.
Special Lecture: Indian Geotechnical Conference Madras, Dec 11-14.
Ng, C. W. W. & Menzies, B. 2007. Advanced Unsaturated Soil Mechanics and Engineering, Oxon, Taylor & Francis.
Yamashita, S., Kawaguchi, T., Nakata, Y., Mikami, T., Fujiwara,T. & Shibuya, S. 2009. Interpretation of international parallel test on the measurement of Gmax using bender elements. Soils and Foundations, Vol. 49, No. 4, p 631-650.