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范圍內的工程應用。
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
引言
本文主要介紹三軸試驗，包括解釋試驗目的，試驗土體的應力狀態，所需要的試驗系統部件以及運行三軸試驗的通用程序。本文以土力學知識為基礎，對于報告中一些術語不太了解的讀者，建議瀏覽GDS簡介的第一部分-----土&巖試驗系列，在那里可以查到相應的術語以及工程參數。
為什么進行三軸試驗？
三軸試驗目前是室內巖土試驗中通用且運用廣泛的一種，用于研究巖土體的抗剪強度及其剛度。程序相對簡單，包括直接剪切試驗及能控制試樣的排水及測量孔隙水壓力?？梢垣@得相應的力學參數：如內摩擦角、粘聚力及不排水抗剪強度cu，另外如剪切剛度、壓縮系數和滲透系數也可以在試驗中得到。圖1提供一個工程應用的示例，對土邊坡頂部土體進行三軸壓縮，同時相應的力學參數可以再邊坡坡腳得到。
三軸試驗組成
三軸試驗一般需要一個直徑38mm~100mm的圓柱形土樣，放進壓力室內受壓。大多數試樣高徑比約2:1，且用橡膠模包裹。
為了接近土體原始狀態，試驗對試樣的初始準備工作包含：飽和、固結及剪切。土體在剪切過程中需要施加軸向荷載，用于壓縮，一般情況下不做拉伸，如圖2所示為三軸試樣一般組成部件。
三軸試驗的類型
以下三種為主要的實驗室分析方法，不同的工程應用都能得到相應的力學參數。
? (UU) 不固結不排水
? (CU) 固結不排水
? (CD) 固結排水
UU試驗簡單快捷，試驗過程中土樣只需進行總應力的控制和記錄?？梢詼y試不排水情況下土體抗剪強度，用來評估短期狀態下土體穩定性（例如用于施工項目進行期間測試，或者跟隨測試）。注意：該試驗一般用于粘性土中。
CD試驗另一方面適用于長時間荷載加載下的反應，在有效應力下可得到其力學參數（如c、Φ值），試驗需要消耗大量時間來完成，因為對于粘性土，需要施加足夠慢的剪切速率才能對孔隙水壓力產生微小變化。
最后介紹CU試驗，該試驗較為常用，在有效應力的基礎上可以確定土體力學參數（如c、Φ值）同時相對于CD試驗，其剪切速率更快。 這些參數的確定通過記錄試樣剪切過程中超孔隙水壓力變化獲得。
三軸試驗過程中的應力狀態
圖3顯示的是三軸壓縮試驗中施加在試樣上的應力分布情況。側限應力σc的加載通過對壓力室內部的試樣周圍的液體加壓實現—也等于徑向應力σr或最小主應力σ3。偏應力q通過對土樣施加一個軸向應變εa獲得，另外偏應力在軸向上提供的q與σc之和等于軸向應力或最大主應力σ1，當σ1 = σ3時，處于各向同性應力狀態，當σ1 ≠ σ3時處于各相異性狀態。
注意，在進行拉伸試驗時，主應力方向旋轉90°，也就是說徑向應力相當于最大主應力而軸向應力則提供最小主應力。
三軸試驗系統組分
三軸試驗由許多部件組成才能達到試樣的應力狀態，并進行剪切試驗及數據記錄。表1列出了GDS三軸系統的主要組成部分及對應的主要功能。完整系統見圖4
表1 –GDS自動三軸系統的組成部分
GDSLab控制&獲取軟件
一般三軸試驗過程
本報告簡要介紹下這個部分，三軸試驗，作為室內巖土試驗的標準（BS1377 第8部分，1990年）主要包括4個步驟：試樣和系統準備過程、飽和、固結和剪切（注意，UU試驗中不要飽和及固結，詳見BS1377 第7部分，1990年）。以下基于GDS三軸自動化系統來簡要介紹每個步驟。
試樣和系統準備工作
試樣安裝在壓力室之前，首先必須從土樣中制備試樣。對于粘性土，首先用謝爾比管取原狀土，在試驗前從管中擠出或直接取方塊樣，在試驗前進行修邊處理。對于砂性土則可直接用模具放在基架上。對于如圖5所示的粘性土，可以用承膜筒將已包裹橡膠模土樣放在底座上。注意，試驗制備過程中土樣應盡可能受到小的擾動
試樣制備完成之后，再組裝壓力室和系統的其他組件。在這個過程中，將壓力室內充滿水，連接好壓力/體檢控制器并按要求設定傳感器。
飽和
飽和的過程通俗的講就是將試樣中的空隙填滿水的過程，并且孔壓傳感器和排水線路應當進行除氣。首先施加局部真空到樣品中以去除空氣，同時把水注入到傳感器和排水線路，隨后其圍壓和反壓將呈線性增長。之后的過程如圖6所示，在這個過程中，應該保持恒定的有效應力，任何時候，有效應力的增量都不要高于所需要的剪切值，因為這樣會導致土樣超固結。為了幫助土樣達到完全飽和狀態，需采取以下步驟：
1.用除氣水充填試樣空隙
2.增加反壓將空氣壓入溶液
注意：如果不使用除氣水的話，可能需要相當長的時間，或者反壓需要施加高達700kPa 以上，試樣才能完全飽和。
試樣在進行固結試驗之前，一個小的參數—Skempton B值可以用來檢測試樣的飽和程度。所謂的B檢測，是要求試樣在全封閉的情況下排水，同時圍壓上升至約50kpa。如圖7中所示，B值≥ 0.95代表試樣已經完全飽和。注意，B值的大小與圖的種類有關，對于一般固結的軟土在完全飽和的情況下，其值達到1.00，而對于密實砂或硬粘土，即使完全飽和狀態下，其值可能只有0.91。
固結
固結階段，需要將試樣壓縮至剪切過程需要的有效應力狀態這個過程通常通過持恒定的反壓（等于B檢測時候最終飽和情下的孔壓）情況下增加圍壓實現，如圖8所示，這個過程將持續行，直到試樣體變ΔV非常小或者超靜孔壓至少消散95%。固結程中得到的試驗數據可以用于估算剪切階段施加的應變速率。
剪切
通過荷載架的向上（壓縮）或向下（拉伸）過程，給土樣提供了一個恒定速率的軸向應變來達到剪切土體的目的。速率的大小及試樣的排水條件取決于三軸試驗類型。表2總結了所有試驗類型的 試驗條件。
表2 剪切階段的試驗條件概述
剪切過程中試樣的變化，可以通過偏應力q或有效主應力比σ?1/σ?3與軸向應變εa的變化曲線實時監測。
該階段需要持續進行，直到達到指定破壞標準，如：識別偏應力峰值或有效主應力比的峰值，或觀察恒定應力和超孔隙水壓或體積變化值，或者簡單的設定軸向應變達到一個特定值（如εa = 20%）。對于正常固結的粘土而言其變化曲線如圖9所示，包括CU實驗過程中的超靜孔隙壓力變化過程和可以觀察CD實驗的試樣體積變化。圖中可見，對于粘性土試樣，其剪切階段完成后,破壞面相對突出（大多剪切應變發生在該面）。
應力路徑三軸試驗系統
迄今為止，三軸系統及試驗過程多關注恒定速率的應變控制，其中通過荷載架的移動來控制速率從而引起剪切應力。為了施加和控制試樣的軸向壓力，傳統上使用應力路徑三軸壓力室。運用一個低增壓艙來輸送軸向應力給土樣，并伴隨有軸向應變。隨著系統的發展，試樣可在更多復雜應力條件下進行測試，相比于速度控制的荷載架更適合研究性的項目。如 圖10顯示的是一個應力路徑三軸系統，可以看到，通過傳感器反饋，能夠同時使荷載架和應力路徑系統運行相同的復雜試驗，僅存在較小的性能差異（荷載架相對更適合應變控制；應力路徑系統適合應力控制。
參考文獻
以下內容大部分為刊登的信息，是研究三軸試驗時被建議參考的文獻（不包含特殊的試驗標準）：
Day, R. W. 2001. Soil Testing Manual: Procedures, Classification
Data, amd Sampling Practices, New York, McGraw-Hill.
Head, K. H. 1998. Manual of Soil Laboratory Testing Volume 3:
Effective Stress Tests, Chichester, John Wiley & Sons Ltd.
Knappett, J. A. & Craig, R. F. 2012. Craig’s Soil Mechanics, Oxon, Spon Press.
Simons, N., Menzies, B. & Matthews, M. 2002. A Short Course
in Geotechnical Site Investigation, London, Thomas Telford Ltd.
