綜述：這三部系列主要用于介紹巖土工程試驗中通用的方法之——三軸試驗。該報告對三軸試驗這個課題提供的詳盡的介紹，包括許多衍生可以用于評估土體響應(yīng)范圍內(nèi)的工程應(yīng)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.
本系列文章共分為以下主題：
1. 三軸試驗介紹
2. 高級三軸試驗
3. 動三軸試驗
簡介
本文介紹了一套三軸測試系統(tǒng)， 可用來確定常規(guī)三軸系統(tǒng)不能得到的土體參數(shù)，或者讓土體的反應(yīng)盡量接近現(xiàn)場狀態(tài)。
本文包括以下部分：
局部應(yīng)變測量
局部孔壓測量
彎曲元試驗
非飽和土試驗
高級軟件控制
局部應(yīng)變測量
常規(guī)三軸系統(tǒng)測量變形的傳感器通常在三軸壓力室的外部。在這種情況下，位移傳感器安裝在加壓桿（第一部分圖 2：三軸試驗介紹）上面，軸向應(yīng)變通過反壓控制器的體積變化或者位移傳感器來測量。
雖然這些設(shè)計在常規(guī)三軸試驗可能提供足夠的精度應(yīng)變測量， 但不能測量剛度或者強度的峰值或者有代表原位土壤響應(yīng)剪切區(qū)發(fā)生的小應(yīng)變。這主要是由于位移傳感器測量的數(shù)值包括系統(tǒng)運動和變形等一些無關(guān)試樣體積變化的量?；鶕p壞、頂帽被壓入試樣頂部，也造成無法精確測量小應(yīng)變。試樣頂部和底部與頂蓋和底座接觸產(chǎn)生摩擦使得試樣高度范圍內(nèi)產(chǎn)生不均勻的變形，這意味著只有中間三分之一的試樣被認為是不受限制的,構(gòu)成主剪切區(qū)域，這代表原狀土的響應(yīng)。
這些誤差都可以通過放置的軸向和徑向的應(yīng)變傳感器直接測量來減小。
局部軸向應(yīng)變傳感器
試樣的局部應(yīng)變可以通過將兩個相隔 180°的位移傳感器垂直安裝在試樣中部的 1/3 區(qū)域來測量。圖 1 顯示的是霍爾效應(yīng)位移傳感器，也可以應(yīng)用其它傳感器，如迷你線性位移傳感器 （LVDT）。每個傳感器通過兩個安裝塊固定在試樣上，它們相對運動來測量試樣變形。 這種傳感器通過計算兩個安裝塊之間距離的變化（稱為計量長度）來計算試樣的軸向應(yīng)變，而不是采用試樣的初始高度。
圖 1 三軸測試系統(tǒng)、局部軸向和徑向霍爾效應(yīng)傳感器、中平面孔壓傳感器和彎曲元
局部軸向應(yīng)變傳感器
三軸試樣的徑向應(yīng)變可以通過安裝在試樣中心的一個位移傳感器來測量。通過兩個相隔 180 度的墊塊固定在試樣上，墊塊的兩個部分采用鉸鏈連接。當試樣膨脹時兩個墊塊距離增大，當收縮時距離減小。該傳感器安裝成鉗口開放的形式，致使所測得的位移是實際變形的兩倍。 圖 1 顯示的是安裝徑向霍爾效應(yīng)傳感器，如果需要也可以采用LVDT。
傳感器選擇、維修技巧和優(yōu)勢
本文所介紹的兩種局部位移傳感器（霍爾效應(yīng)和 LVDT）都適用于測量局部變形?？傊魻栃?yīng)傳感器比 LVDT 小，重量也輕，安裝時只對試樣施加了一個很小的荷載使得它在軟土測試中實用。LVDT 傳感器堅固，其精度也高。所以LVDT 適用于更加堅硬的試樣，或者圍壓更大的情況。
采用何種方式固定傳感器到土樣上需要根據(jù)所測的土體。通常采用粘合劑，例如樂泰膠水或者采用硅膠和不銹鋼針聯(lián)合使用在試樣上安裝軸向或者徑向墊塊。由于不刺穿橡皮膜，所以接觸粘合劑應(yīng)用較多。
但在某些情況下可能要用針將墊片固定在某些地方，這需要使用硅密封膠來防止電池液泄漏到試樣上，注意只有當試樣足夠軟允許將針插入試樣內(nèi)部。
為了說明采用局部應(yīng)變傳感器的好處，圖 2 展示了采用總應(yīng)變測量和局部應(yīng)變測量兩種測得的結(jié)果。通過小應(yīng)變傳感器能夠捕捉到小的應(yīng)變，并消除了底座損壞和系統(tǒng)的制約，使得兩種方法的結(jié)果有著顯著地不同（比如 0.5%）， 同 時試樣初始剛度比采用總應(yīng)變測得的更大。
圖 2 采用總應(yīng)變測量和局部應(yīng)變測量兩種測得的普通試驗剪切過程中的響應(yīng)情況
采用局部應(yīng)變測得的剛度更高也更符合現(xiàn)場狀態(tài)，圖 3 展示了剪切模量的退化曲線。通過采用小的剪切模量和不太保守的設(shè)計，能夠降低工程成本。注意：在進行數(shù)值計算時采用小應(yīng)變來準確估計土的剪切模量也是非常重要的。
圖 3 通過各種各樣的實驗室測試方法獲得的應(yīng)變范圍內(nèi)剪切模量退化曲線（從 Menzies & Matthews 修改，1996）
局部孔壓測量
就像傳統(tǒng)的三軸系統(tǒng)測量試樣的總應(yīng)變一樣，孔隙水壓力的測量也傾向于采用壓力室外部的傳感器來讀取數(shù)據(jù)。這使得數(shù)據(jù)值為試樣端部孔隙水壓力的響應(yīng)，而不是主要剪切區(qū)（試樣中部1/3 范圍內(nèi)）的值。因此，為了增加剪切過程中孔隙壓力的測量精度，中平面孔壓傳感器能夠在三軸系統(tǒng)中應(yīng)用。圖 4 為一個應(yīng)用該傳感器的一個圖例。
圖 4 中平面孔壓傳感器安裝示意圖（從 Meilani 等人更改，2002）
就像它的名稱一樣，這些傳感器安裝在試驗中部或者接近中部。在橡皮膜上開一個小孔并將傳感器與試樣接觸，在試樣和橡皮膜之間安放一個法蘭環(huán)。在這個位置透水石與試樣直接接觸，通過隔膜的運動來測量孔壓。需要保證隔膜與透水石之間完全被水填充以保證測試的準確性。
彎曲元測試
試樣中非常小的應(yīng)變響應(yīng)可以通過彎曲元獲得。如圖 3 所示，彎曲元還可以測量最大剪切模量（Gmax），這個參數(shù)在巖土設(shè)計和數(shù)值計算中很有用。
彎曲元采用兩個雙晶片陶瓷插入試樣一定深度，他們能夠垂直放置（如圖 1 中放置在頂帽和底座上）或者水平放置，確定試樣的各向異性。當試驗時，給其中的一個元件提供電源使其在試 樣中產(chǎn)生 P 波或者 S 波，同時另一個元件接收通過試樣的波。
圖 5 展示了三軸試樣中一個典型垂直彎曲元的原理詳圖。注意這個圖中發(fā)射或者接受的波均為 S 波。
圖 5 彎曲元測試示意圖、發(fā)射波和接收波
兩種類型的波的主要區(qū)別在于離子相對于波的運動方向。P波為縱波，表示離子的移動方向與波的傳播一致。 S 波為橫向波，這表示離子移動的方向與波的傳動方向垂直。
更多關(guān)于波在土壤中的傳遞可以查看文獻，關(guān)于彎曲元方面的重要結(jié)論如下：
P 波的速率被土體的體積和剪切模量控制，分別為 K 和 G。
P 波通過水來傳播，所以 P 波的速率與土體的飽和度有關(guān)
S 波的速率由土的剪切模量 G 控制
由于飽和度不足以影響剪切模量，所以試樣中 S 波的傳播速率基本不單獨受飽和度的影響
Vp>Vs’
實際上，彎曲元就是來測試 Vp 和 Vs’ 。通過測量波從一個元件發(fā)送到另一個元件所需要的時間，然后用兩個元件之間的距離除以該時間。值得注意的是由于不能準確獲得波傳播到接受元件 的時間，所以傳播時間不直接獲取，主要根據(jù)巖土力學中推薦的方法由用戶來確定。
估算 P 波和 S 波的速率后，要估算 K 和 G 值只需要知道試樣的體積密度，體積密度乘以波速的平方，波速需要盡可能準確的確定。注意：有時候 P 波可以用來表示試樣的飽和度，當試樣達 到飽和時 P 波的速率應(yīng)該接近 1450m/s（P 波在水中的速率）。
圖 6 展示了彎曲元系統(tǒng)，包括控制箱用于采集和記錄波形。如果 在三軸系統(tǒng)中不止一套彎曲元（例如同時使用垂直和橫向元件），可以增加一個從屬箱。
非飽和試驗
傳統(tǒng)三軸系統(tǒng)和一系列的改進都是要求試樣完全飽和，這個要求也就相當于在現(xiàn)場中土壤位于地下水位以下，如圖 7 所示，然而在現(xiàn)實中有很多情況下土體在地下水位以上，事實上地球上60%的人口處于干旱地區(qū)，地下水位很深，也就是說在這些區(qū)域巖土工程主要為非飽和土。
圖 7 飽和土與非飽和土的簡單說明
當評估不飽和土壤時,Fredlund 和 Rahardjo(1993)建議不僅僅考慮現(xiàn)場的有效應(yīng)力，而采用兩個應(yīng)力變量：常規(guī)應(yīng)力（
）和基質(zhì)吸力（
）, σ為總法相應(yīng)力，
為孔隙水壓力，
為孔隙氣壓力，并且
。由于孔隙氣壓力的存在，在研究非飽和土時需要額外的硬件，在測試試樣體變時也需要更加復(fù)雜的方法。
孔隙氣壓力施加
孔隙氣壓力有兩種施加方法：通過壓縮空氣供應(yīng)，或者采用空氣壓力/體積控制器。采用壓縮空氣施加氣壓力比壓力/體積控制器更加快速（這主要是由于空氣的高壓縮性造成的），但是采用壓縮空氣供應(yīng)時不能測量進入試樣的氣體體積。
如圖 8 所示，氣壓力通過試樣帽施加，反壓（孔隙水壓力）通過基座施加。采用適合高壓空氣的圓盤作為底座，或者HAEPD。HAEPD 需要將孔隙氣和孔隙水分開，使試樣維持一個基質(zhì)吸力（
）。采用天然陶瓷材料，當飽和后在其上方施加一個比孔隙水壓力大的孔隙氣壓。這個材料能夠阻止空氣流出試樣，氣體壓力的最大值就是進氣值。HAEPD 的進氣值一般在 300~1500kPa 之間。
圖 8 典型的非飽和裝置
測量試樣體變
當進行非飽和三軸試驗時，試樣最初處于飽和狀態(tài)，然后增加基質(zhì)吸力使其變成非飽和狀態(tài) （通過土水特征曲線中基質(zhì)吸力與飽和度來確定）。改變土體的非飽和狀態(tài)時不能夠單獨采用反壓體積，體變測量更加復(fù)雜，這主要是由于試樣中的空氣的高壓縮性造成的，所以需要采用其它方法來測量試樣的體變。測量體變需要的硬件如下：
1. 使用空氣氣壓/體積控制器。
2. 采用內(nèi)壓力室和小量程的差壓傳感器。
3. 采用雙層壓力室。
4. 采用局部軸向和徑向應(yīng)變傳感器。
每一種測量體變的方法都采用了不同的技術(shù)，同時它們也有各自的優(yōu)點和缺點。對于各種方法的總結(jié)如下：
采用孔隙氣壓和反壓體積兩個控制器聯(lián)合使用來計算試樣的體變。
采用兩個或者三個裝置來測量由于試樣體積變化引起的內(nèi)壓力室水位或者體積的變化。
直接采用局部應(yīng)變傳感器測量軸向和徑向應(yīng)變來計算試樣體變。
要確定那個選型最適合進行三軸試驗，每種方法都要進行詳細的 評估，也要考慮試驗類型。
軟件控制
現(xiàn)代電腦允許用戶進行比以前三軸試驗復(fù)雜的自動化測試，這可以減少用戶操作儀器所需的時間。這可以通過控制軟件控制硬件來實現(xiàn)，通過閉合回路的開與關(guān)，數(shù)字壓力/體積控制器基于系統(tǒng)傳感器反饋值來定期調(diào)整位置的速率。使用軟件來進行試驗的步驟如下：
自動飽和——增加圍壓和反壓，通過 B-check 來檢測增量。軟件基于孔壓傳感器反饋的值計算 B 值來確定飽和度。
K0 固結(jié)——圍壓以指定的速度增加，而幀速度基于徑向應(yīng)變傳感器的反饋值自動調(diào)整。軟件的目標就是保持徑向應(yīng)變?yōu)榱悖匆痪S固結(jié)），使試樣保持應(yīng)力條件不變。
應(yīng)力路徑控制——圍壓和幀速度根據(jù)用戶指定的線性應(yīng)力路徑進行調(diào)整，圖 9 顯示的是一種應(yīng)力路徑。在加載過程中，偏應(yīng)力 q 和有效應(yīng)力 p’都隨著荷重傳感器、軸向位移和反壓體積的讀書而變化(這些都用于計算試樣當前的應(yīng)力和面積)，所以需要通過軟件重新計算。
應(yīng)力循環(huán)控制——加載在試樣上面的循環(huán)偏應(yīng)力（正弦）的幀速率不斷調(diào)整，注意由于沒有專門的加載架，加載頻率為 0.015 赫茲或更少。
圖 9 固結(jié)排水和不排水剪切的應(yīng)力路徑，用戶指定的有效應(yīng)力保持不變，注意所有試樣都被剪切到 CSL 定義的零界狀態(tài)。
參考文獻
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