浅谈三轴剪切试验的特性及局限

摘要：土工试验数据作为岩土工程勘察报告中的重要依据，也是工程建设设计的重要参数，土工试验的质量对工程总体的质量有着直接的重大的影响。本文介绍了具体的三轴试验过程中反映出来的土的一些变形特性以及三轴试验的一些局限性的讨论。

关键词：三轴试验；应力-应变；弹、塑性变形；

中图分类号：TU411文章标识码：A

三轴试验包括三种试验方式：不固结不排水试验；固结排水试验；固结不排水试验。在三轴试验中，既能令试样沿着轴向压缩，也能令其沿着轴向伸长。通过试验可以测定试样的应力、应变、体积应变、强度和静止侧压力系数等。本文介绍了在具体的三轴试验过程中反映出来的土的一些变形特性，以及三轴试验的一些局限性。

试样的轴向应变是根据试样帽的轴向位移量和试样的起始高度算得的。试样的侧向应变是根据试样的体积变化量和轴向应变间接算得的。试样的体积变化量是通过试样中排出的流体体积或进入受压室的水的体积量得的。[1]

在三轴试验中作用在试样上的轴向压力为大或小主应力，而作用在试样侧面的压力为相等的其他两个主应力。因此与直剪试验相比较，三轴试验中，试样的应力相对的比较明确和均匀。

土在三轴试验中得出的轴向应力δ1-δ3与轴向应变εe之间的关系曲线，初始直线阶段很短，对于松砂和正常固结粘土，几乎没有直线阶段，加荷一开始就呈非线形。土的这一非线性变形特征比其他材料明显很多。

图1-1 土的应力应变关系图1-2 加荷与卸荷的应力应变曲线

这种非线形变化的产生，就是因为除弹性变形之外还出现了不可恢复的塑性变形。土体是松散介质，受力后颗粒之间的位置调整在荷载卸除以后，不能恢复，形成较大的塑性变形。如果加荷到某一应力后再卸荷，曲线将如图1-2所示。OA为加荷段，AB为卸荷段。卸荷后能恢复的应变εe即弹性应变，不可恢复的那部分为塑性应变。

经过一个加荷卸荷循环后，再加荷，将如图1-2中的BC段所示，它并不与AB线重合，而存在一个回滞环，回滞环的存在是因为卸荷再加荷的工程中消耗了能量，要给以能量的补充。而且再加荷还会产生新的不可恢复的变形，不过同一荷载多次重复后塑性变形将逐渐变小。

土体在各种应力状态下都有塑性变形，哪怕在加荷初始应力-应变关系接近直线的阶段，变形还是包含了塑性和弹性两部分，卸荷后不能恢复到原点。当然非线性和非弹性是土体变化相当突出的特点。

图1-3为土样在三轴仪中逐步施加各向相等的压力P后，再卸除，所得到的P与体积应变εv之间的关系曲线，可以看见还是存在不可恢复的塑性体积应变εvp，而且还往往比弹性体积应变还要大。这是因为土体的塑性变形与颗粒的错位滑移有关，在各向相等的压力作用下，从宏观上来看，是不受剪切的，但是从微观上看，颗粒间有错动，图1-4可以说明这种变形机理。压缩前，颗粒架空，存在较大的空隙；压缩后，有些颗粒挤入原来的空隙中，颗粒错动，相对位置调整，颗粒之间发生剪切位移。当荷载卸除以后，不能再使它们架空，无法恢复到原来的体积，就形成较大的塑性体积变形。[2]

不仅压力会引起塑性体积变形，而且剪切也会引起塑性体积变形。在三轴仪试验中如对土样施加偏压力（δ1-δ3）v的同时，减小围压δ3，而保持平均法向应力（球应力）P不变，即（1-1）

图1-3P-εv曲线图1-4土体的压缩

（a）压缩前 （b）压缩后

所得出的应力应变曲线，将如图1-5所示。尽管体积应力P不变，但图中仍有体积应变，可见测得的体积应变完全是剪切造成的。在图1-5（a）中，体积应变εv随偏应力δ1-δ3增大而增大。剪切引起的体积收缩，即剪缩是软土和松砂所常表现的。在图1-5（b）中，开始阶段是剪缩，以后曲线向上弯曲，即体积膨胀，这种现象就是剪胀，它是紧密砂土，超固结粘土所经常表现的。

图1-5 剪切引起的体积应变 图1-6 超固结粘土的q-εa曲线

（a）剪缩 ；（b）剪胀

当然三轴试验也有它的局限性，具体表现在：

（一）试样中的应力-应变还不够均匀

因为三轴的刚性试样帽和底座限制试样的末端向侧向变形，也就是在试样帽（和底座）与试样之间存在有剪应力，而在试样的中间部分，却不受约束。因此当试样接近破坏时，不是被压成鼓形，就是被挤成颈状。如下图所示。这时候试样中的应力显然也是不均匀的。

图：1-7试验前后试样的外形

（二）三轴仪是中间主应力等于小主应力或大主应力，所以试验结果不能全面反映中间主应力的影响。

（三）在常规三轴试验过程中，孔隙压力的量测误差往往比较大，特别是非饱和土的孔隙压力，更加难以测准。[3]

刚开始误以为是试验人员的手艺不同而造成的，的是经过反复研究，发现橡皮膜的渗漏，孔隙压力在试验中的传播速度、孔隙压力量测设备本身的体积变化，以及非饱和土中孔隙水和孔隙气压力之间的差别等等，都是影响量测精度的因素。

近年来，在土的应力-应变特性的研究中，感觉到在三轴试验中常用的测定应力-应变的方法已经不能满足高精度的要求，需要做适当的改进。这里先暂不讨论

参考文献

[1]GB/T15406-97，土工仪器的基本参数及通用技术条件

[2]GB/T50123-1999，土工试验方法标准「S

[3]顾宝和，高大钊，等. GB50021-2001岩土工程勘察规范「S，北京：中国建筑工业出版社，2002。