岩土三轴剪切试验 基于应变控制式三轴仪的圆柱形土样剪切试验系统

引言

岩土三轴剪切试验是土力学中测定土体抗剪强度参数（黏聚力c和内摩擦角φ）最常用、最可靠的试验方法之一。通过模拟土体在不同应力状态下的排水与固结条件，三轴试验能够较为真实地反映实际工程中土体的受力与变形特性。其中，采用圆柱形土样和应变控制式三轴仪的剪切试验系统，因其操作可控、数据连续、边界条件明确，成为教学与科研中的标准配置。

一、试验系统组成

一套完整的应变控制式三轴剪切试验系统主要由以下部分构成：

1. 压力室：容纳圆柱形土样，可施加围压（σ₃），并通过透明有机玻璃筒观察试样变化。
2. 轴向加载系统：由电机驱动、齿轮箱或伺服马达控制，以恒定应变速率对试样施加轴向压力（σ₁-σ₃）。
3. 围压控制系统：通过水压或气压施加并维持稳定的周围压力。
4. 孔隙水压力测量系统：用于测量试验过程中试样内的孔隙水压力变化，尤其在排水与固结试验中至关重要。
5. 体积变化测量装置：用于测量排水试验中试样体积变化。
6. 数据采集系统：自动记录轴向力、轴向位移、围压、孔隙水压力等参数，并绘制应力-应变曲线。

二、圆柱形土样制备

1. 试样尺寸：通常直径35-50 mm，高度为直径的2倍（如38 mm×76 mm或50 mm×100 mm），以保证端部摩擦影响最小。
2. 制备方法：

• 原状样：现场取土后小心修切。

• 重塑样：按目标干密度和含水率分层击实或静压成型。

1. 饱和处理：对于需测定有效应力参数的试验，试样需通过反压饱和或水头饱和至B值≥0.95。
2. 安装：将试样套上橡皮膜，置于压力室底座上，安装 top cap 并密封。

三、试验步骤（应变控制式）

1. 安装试样并施加围压：将制备好的圆柱形土样装入压力室，注入围压液体（常用无气水），施加预定围压σ₃。
2. 固结：根据试验类型（不固结不排水UU、固结不排水CU、固结排水CD）进行固结，直至孔隙水压力消散或体积变化稳定。
3. 施加轴向应变：启动应变控制加载系统，以恒定应变速率（如0.5%/min~2%/min）施加轴向压力，使试样发生剪切。
4. 数据记录：持续记录轴向力、轴向位移、孔隙水压力、体积变化等，直至试样达到规定应变（如20%）或出现峰值。
5. 结束与拆卸：停止加载，卸除围压，取出试样，描述破坏形态（如剪切带、鼓胀等）。

四、试验类型与结果应用

| 试验类型 | 排水条件 | 主要用途 |
|---------|---------|---------|
| UU试验 | 不固结不排水 | 测定总应力强度指标，用于快速施工、饱和黏土 |
| CU试验 | 固结不排水 | 测定总应力与有效应力指标，并测孔压系数 |
| CD试验 | 固结排水 | 测定有效应力强度指标，用于长期稳定分析 |

试验结果通常整理为：

• 主应力差(σ₁-σ₃)与轴向应变ε₁关系曲线；
• 孔隙水压力u与ε₁关系曲线；
• 莫尔应力圆与强度包线，求得c、φ值。

五、应变控制式三轴仪的优势与注意事项

优势：
- 应变速率恒定，可精确控制加载过程；
- 适用于研究应力-应变全曲线，特别是软化段；
- 可测量孔隙水压力，获得有效应力指标；
- 边界条件明确，结果重复性好。

注意事项：
- 橡皮膜刺破会导致压力泄漏；
- 端部摩擦约束会影响试样变形均匀性，可涂硅脂减小；
- 饱和与固结必须充分，否则强度参数偏差大；
- 剪切速率需根据土样渗透性选择，避免孔压不均。

六、

岩土三轴剪切试验以圆柱形土样和应变控制式三轴仪为核心，构成了土体抗剪强度测试的标准剪切试验系统。通过严格控制排水条件、围压与应变速率，该系统能够为边坡稳定、地基承载力、挡土墙土压力等岩土工程问题提供关键强度参数，是岩土工程分析与设计中不可或缺的试验手段。