三轴剪切试验-《土力学与地基基础》

三轴试验是测定土的抗剪强度的一种较完善的方法。该试验所用仪器为三轴剪切仪（也称三轴压缩仪）。主要工作部分为压力室，并配有施加周围压力、轴向压力系统和量测孔隙水压力的系统，如图4.7所示。

图4.7　三轴剪切仪

三轴试验采用正圆柱形土样。试样用薄橡皮膜包裹，使试样中的孔隙水与压力室内施加的围压的流体完全隔开。孔隙水通过试样下端的透水石与孔隙水压力量测系统连通，由孔隙水压力阀加以控制。

试验时先通过周围压力系统向压力室内充水加压，使试样受到各向相等的围压σ3，这时试样不受剪切。然后，由轴向加压系统通过活塞对试样施加竖向压力的增量Δσ1，这时试样受到的轴向压力为σ1=σ3+Δσ1，大于水平向主应力σ3。保持σ3不变，不断增大Δσ1，亦即图4.8不断增大σ1，试件最终受剪而破坏。当试样剪破时，可由剪破时试样受到的σ1、σ3绘出莫尔圆，此时应力圆为极限应力圆。

在给定的围压σ3的作用下，一个试样的试验只能得到一个极限应力圆，要求得土的强度指标，通常至少需3～4个土样，在不同的σ3下进行剪切，绘出相应的极限应力圆，然后作这些圆的公切线，此即为抗剪强度包线，通常近似取为直线。该直线与水平线夹角为土的内摩擦角φ，与纵轴截距为土的黏聚力c，如图4.8所示。

图4.8　抗剪强度包线

三轴剪切试验亦可根据剪切前受到周围压力σ3的固结状态和剪切时的排水条件，分为不固结不排水剪、固结不排水剪和固结排水剪三种试验方法。它们分别对应于直剪试验的快剪、固结快剪和慢剪试验。

用三轴仪进行不固结不排水剪切试验时，要自始至终关闭排水阀，不让试样排水固结。加于试样的围压由孔隙水压力承担，此时孔隙水压力将升至某一数值u1。u1>0，而有效应力保持不变。再通过活塞加轴向压力增量1σΔ，以使试样剪切，此阶段孔隙水压力又有新的变化，其增量为u2，有效应力随之发生变化。当试样剪破时，其应力条件为：

总应力表示法　大主应力 1σ=3σ+1σΔ，小主应力3σ(www.xing528.com)

孔隙水压力 u=u1+u2

有效应力表示法

用三轴仪进行固结排水剪试验时，要自始至对终打开排水阀。对试样施加3σ需持续足够的时间，使其充分排水固结。待孔隙水压力消散为零时，此时有效应力，再施加轴向压力增量1σΔ。施加1σΔ的速率要以保持孔隙水压力增量u2=0为准。当试样被剪破时，试样的应力条件为：

用三轴仪进行固结不排水剪试验时，先打开排水阀，使试样在3σ作用下排水固结，直至u1=0。然后关闭排水阀，再施加轴向压力增量1σΔ至试样剪破。在这一剪切过程中，因不允许试样排水，孔隙水压力会上升到某一数值u2，有效应力也会随之发生变化。当试样被剪破时，试样的应力条件为：

总应力表示法　1σ=3σ+1σΔ，3σ，u=u2

有效应力表示法

三轴试验的优点是对圆柱形试样造成沿三个轴向的受力条件，使试样在一定应力条件下沿最薄弱的面上发生剪切破坏，其应力条件比较明确，可以控制排水条件及测量孔隙水压力。缺点是试样的主应力2σ=3σ，而实际上土体的受力状态未必都属于这种轴对称情况，因此通常所做的三轴试验当1σ>2σ=3σ时，称为假三轴试验。现已可在真三轴仪中进行三个不同的主应力（1σ>2σ>3σ）作用下的三轴试验。三轴试验仪器设备与试验操作复杂，但试验结果一般较可靠。所以《地基规范》规定：当采用室内剪切试验确定抗剪强度指标时，应选择三轴压缩试验中的不固结不排水试验，经过预压固结的地基可采用固结不排水试验。