什麼是三軸試驗？
三軸試驗原理根據力學試驗原理，假定一土體保持平衡狀態，則其中某一點必有三種作用於互相垂直面上的應力。如從上體中切出一小立方體，如圖“主應力與主應力面”所示，圖中平行於X、Y、Z三個方向的力，分別稱為大主應力σ1、中主應力σ2、小主應力σ3。與三個主應力垂直的作用面分別稱為大主應力面、中主應力面和小主應力面。三個主應力值的大小為σ1>σ2>σ3，且互相垂直，主應力面上只有法向應力，無剪應力。這種應力狀態，可以在室內用一個立方體試樣進行模擬。如圖“剛性板結構的真三軸儀示意圖”所示，利用六塊可以互相移動的剛性板，分別施加σ1、σ2、σ3力於試樣，使之達到破壞，並測定試樣三個方向的變形和體積變化，這種試驗稱為真三軸試驗。
真三軸試驗所施加的應力和所測得的強度參數以及變形參數能較真實地反映實際情況。然而這種試驗的儀器構造複雜、操作麻煩。目前除了作研究用外，很少被岩土工程師用於實際的工程勘察設計。
許多土工問題如土坡、路堤、擋土牆、碼頭等均屬於平面問題，在設計上作為平面應變狀態處理，即只考慮σ1和σ3。在一些特殊情況下，如油罐基礎，常按軸對稱問題處理，即σ2=σ3。三軸試驗就是使試樣在軸對稱的應力狀態下進行試驗。由於三軸試驗比真三軸試驗簡單方便，因此得到了廣泛套用。
剛性板結構的真三軸儀示意圖
主應力與主應力面三軸試驗的主要用途是測定土的強度和應力應變有關參數。也常用來測定土的靜止側壓力係數Ko、消散係數Cv、滲透系統K等。三軸試驗主要有以下幾種類型：
1、強度試驗
用三軸試驗測定土的強度參數，有幾種不同方法。根據試驗過程中排水條件，通常可分為不固結不排水剪（UU）、固結不排水剪（CU）和固結排水剪（CD）。試驗方法的選擇，要根據設計要求、土的性質、施工速度、工程運用條件等而定。
2、應力路徑試驗
前述三種常規試驗方法的UU試驗、CU試驗和CD試驗是用同一種加荷方式，在不同排水條件下進行的。如用不同的加荷方式，在不同排水條件下進行試驗，則稱為應力路徑試驗。
應力路徑是模擬土體在實際施工或運行過程中的應力變化，對試樣進行加荷減荷的試驗程式。這種應力狀態變化是以岩石的加荷過程中土體內某平面上應力變化的軌跡來表明應力增長或減小的路徑。不同的加荷方式有不同的應力路徑。
3、三軸靜止側壓力係數Ko試驗
在天然土層或人工填土中的任何一點，水平有效應力σ，h一般不等於垂直有效應力σ，v。這兩種應力之比稱為側壓力係數或側應力比，即：Ko=σ，h/σ，v。Ko的最小值相當於土體破壞時的應力比，以Kf表示。工程中，設計者所需要的是靜止側壓力係數，即土體在垂直應力作用下，無側向變形的靜止側壓力係數，以Ko表示。
Ko試驗是假定土體各向同性均勻一致，應力σ與應變ε呈線性關係，其比值σ/ε即為彈性模量E。
4、孔隙壓力消散試驗
孔隙壓力消散試驗是測定試樣施加作用力後，試樣中產生的孔隙壓力在排水條件下隨時間而消散的過程。根據這種試驗可測得土的固結係數Cv（也稱消散係數）和體積壓縮係數mv。
5、三軸滲透試驗
三軸滲透試驗，利用三軸儀按常規不排水剪試驗方法安裝好試樣，對試樣施加有效圍壓σ3，使水在一定壓力差作用下通過試樣流出，保持穩定流量Q，測定土的滲透係數。對同一試樣，可以施加不同圍壓σ3，使之達到固結排水穩定後，分別測定其滲透係數k。
三軸試驗的優點是：套用範圍較廣，可用以測定土的強度參數、應力變形參數、土的消散係數、靜止側壓力係數及滲透係數等。適用於各種土類，如原狀土、重塑土的黏性土及砂礫等；在測定強度方面與直接剪下試驗比較，其優點是試樣的剪下面不是固定的，面是沿最弱的面產生剪下；對於有結構面的土，如裂縫土，它能較真實地反映土的應力應變特徵；在試驗方法方面，可以根據工程設計的施工和運用條件控制排水，測定孔隙壓力，較可靠地測定試驗過程中試樣的體積變化（包括飽和式樣和非飽和試樣）。可以模擬工程現場的應力狀態，施加主應力及加荷路徑。在試樣飽和方面，可以施加反壓力或CO2氣體，使試樣達到完全飽和狀態。此外，在孔隙壓力消散試驗、滲透試驗方面，試樣可以在近乎實際的應力狀態（如各向均等應力、各向不等應力）條件下進行試驗。許多實際工程的資料表明，用三軸試驗所測定的強度參數c、Φ,靜止側壓力係數Ko,孔隙壓力消散係數Cv及滲透係數k比其他試驗方法所測得的計算參數更為合理、可靠，能較真實地反映土的特質。
三軸試驗的不足之處是：試驗過程中施加的應力是軸對稱的，即σ2=σ3；而大多數的實際工程則是近似平面問題，如土石壩、路堤、擋土牆、隧道、房屋基礎等，因而與實際的應力狀態有差別，其中主應力（σ2）不能變化，不能模擬平面應變條件，主應力方向不能逐漸改變。試樣的末端如不採取減少摩擦的措施，則受到約束，從而影回響力、應變、體積變化及孔隙壓力直剪的關係。
三軸試驗的套用不足之處是試驗操作複雜、費時，需要有試驗技術熟練的人員操作。因而試驗結果的質量與試驗人員的技術水平有很大關係。儀器設備較直剪儀或固結儀複雜且費用較高，試驗要求較多的試樣。
對於許多實用目的而言，三軸試驗的優點遠大於其缺點。根據許多工程實例，一些重要的工程問題中，試驗室試驗結果和現場穩定性探測之間的關係都能很好的符合。
三軸儀根據模擬試樣受力的狀況的不同，又分為靜三軸儀、動三軸儀及各種特種三軸儀，下面以英國GDS三軸儀為例，介紹靜三軸儀、動三軸儀和特種三軸儀的構成及特點等，GDS三軸儀是國內使用量最多的進口三軸儀，同濟大學、浙江大學、南京水科院、武漢岩土所等超過100家著名高校和科研院所在使用GDS三軸儀。
GDS靜三軸介紹
靜三軸儀是相對於動三軸儀而言的，動三軸儀可以實現軸向動態載入，靜三軸儀則不能。下面是幾款典型的靜三軸儀：
電機控制的靜三軸儀電機控制的靜三軸儀（MINIDYN）是英國GDS科研型靜態三軸測試系統，採用高精度伺服電機代替傳統的Bishop & Wesley應力路徑系統所採用的壓力/體積控制器施加方式施加軸向荷載。
電機控制的靜三軸可選規格：
（1）軸向荷載範圍：10kN、16kN、20kN、40kN、60kN ；
（2）額定圍壓：2000kPa、5000kPa ；
（3）試樣尺寸：標準尺寸38、50、70、100mm，可以選擇的最大尺寸100mm (其它尺寸可訂做)。
系統特徵：
（1）面積自動校正。該系統通過體積變化和軸向位移計算當前試樣的平均面積。該值將用於所有的控制計算。平均面積定義為同等高度同等體積的圓柱體的橫截面積。體積變化的解析度為1mm3。
（2）孔壓通過連線在底座上的孔壓感測器測量。
（3）測量體積變化的解析度是1mm3。
（4）通過測量三軸壓力室中內置水下荷重感測器的軸向力來消除摩擦的影響。
（5）傳統的U-U，C-U和C-D試驗在壓縮和拉伸試驗中都可以通過應變和應力兩種方式來進行控制。
（6）該系統可以完成一個單一的連續的線性應力路徑試驗。在每個路徑的終止階段，通過用戶的自定義可以完成多個連續的線性路徑。
（7）系統也可以通過採用Rowe & Barden型固結儀完成應變速率不變的固結試驗。要完成該試驗需要更換軟體和壓力室。應力路徑三軸儀
英國GDS 應力路徑三軸儀系統基於Bishop & Wesley應力路徑測試系統構成，採用GDS壓力/體積控制器控制和測量軸向應力，是全自動三軸儀。
應力路徑三軸儀系統特點：
（1）高級應力路徑三軸儀ADVTTS保留了研究型試驗的應力路徑系統的全部優點；
（2）標準應力路徑三軸儀STDTTS 是ADVTTS系統的精簡版，具有所有ADVTTS系統的特徵；
（3）系統具有基於Bishop 和Wesley 原理但又改進了的GDS三軸壓力室；
（4）所有系統中體積變化測量的解析度= 0.5 或1mm3 ；
（5）靈活性高（不同試樣尺寸，荷載，壓力等），確保系統適合試驗要求；
（6）可以在將來無限制的升級，包括感測器，軟體模組，彎曲元試驗，非飽和土試驗等；
（7）GDS全球範圍技術支持。應變控制式三軸儀
應變控制式三軸儀GDSTAS 系統是英國GDS一款精簡版的靜三軸儀，系統採用50kN荷載架施加軸向荷載，採用GDS壓力/體積控制器控制和測量圍壓和反壓。
應變控制式三軸儀系統特點：
（1）體積解析度= 1mm3 ；
（2）增加GDS動態控制系統和安裝在荷載架橫樑上的氣動控制器；
（3）可以升級成為動態系統；可以根據試驗要求選擇不同的試樣尺寸、荷載、壓力等；非飽和土三軸儀
英國GDS UNSAT非飽和土三軸儀是傳統三軸儀試驗系統的擴展，通過添加軟體和硬體例如中平面吸力探頭、大氣壓力感測器和局部應變測量感測器等，可以從GDS常規三軸試驗系統升級到非飽和土試驗系統。
GDS非飽和土三軸儀試驗系統提供一系列先進的非飽和土試驗方法供選擇。全世界有超過50位用戶使用非飽和土測試系統和軟體。
非飽和土三軸儀系統優勢：
（1）可以根據試驗要求選擇不同的試驗方法；
（2）與HKUST聯合開發，具有豐富的非飽和土試驗經驗；
（3）各種方法可以混合搭配，形成適合試驗要求的系統；
（4）由於GDS熟悉不同的非飽和土試驗方法，可提供系統方案；非飽和土直剪儀
英國GDS非飽和土直剪儀GDSBPS系統是一款反壓直剪試驗系統。該系統基於標準的直剪試驗裝置但又進行了修改以便於“基質吸力－孔隙水壓力與孔隙氣壓力的差值”的測量。整套系統可採用GDSLAB軟體控制運行。該裝置可在計算機控制下進行標準直剪試驗和高級非飽和試驗。
非飽和土直剪儀英國GDS生產的 GDSCTS系列固結三軸儀可完成恆應力固結測試、恆應變速率固結測試、逐級載入固結測試，可以升級到非飽和土固結測試。
固結儀GDS動三軸儀
什麼是動三軸試驗？土工建築物及其地基，除了承受靜荷載作用外，有時還會受到動荷載的作用，如地震引起的地震荷載，車輛及機器振動引起的振動荷載，爆炸引起的爆震荷載等，相對地說，靜荷載及其在土體中引起的靜應力的大小及作用方向是不隨作用的時間而變化的，動荷載及其在土體中引起的動應力的大小及作用方向則是隨著作用的時間而變化的。這種變化，有的屬於隨機波，如地震引起的地震應力；有的則類似於正弦波，如往復式機器引起的振動；有的則為瞬時作用的脈衝型震動。如煤震在土體中引起的應力。
人們在評估動荷載作用下土工建築物及其地基的穩定性和變形時，需掌握和了解有關土料的動力工程性質，諸如土的動強度特性、液化特性和動應力應變特性等。為了儘可能正確地了解各種土料的這些性質，除了在現場進行某些原位測試外，還需在室內進行各種動力試驗，如動三軸試驗、動扭剪三軸試驗、動單剪試驗、振動台試驗和共振柱三軸試驗等。
動應力作用下土的力學性狀與動剪應變幅γ的關係大致如下：
γ≤10-5為彈性階段；γ=10-5-10-4為彈性向塑性的過渡階段；γ=10-4-2х10-2為彈塑性階段；γ>2х10-2為塑性變形階段。
通常所說的小應變指γ≤10-5；中等應變為γ=10-5-10-3；大應變指γ=10-3-2х10-2；破壞應變指γ≥2х10-2。
當γ>10-3時，由於往返加荷，土的特性會發生較大的變化，飽和土的孔隙水壓力會發生變化，乾土或非飽和土則會發生體積變化。
共振柱試驗適用於γ=10-5-10-3；動三軸、動單剪、動扭剪及振動台試驗則適用於γ=10-4-10-1。
動三軸儀一般由三軸壓力室、軸向及側向加壓係數、測量、記錄和監視系統等主要部分組成。可按試樣尺寸、激振方式及受力方式等分類如下：
（1）按照試樣尺寸分類，可分為小型動三軸儀、中型動三軸儀及大型動三軸儀。
（2）按激振方式分類，分為慣性力式動三軸儀、電磁式動三軸儀、電液伺服式動三軸儀、電氣式動三軸儀、擺式加荷動三軸儀。
（3）按接受力方式分類，可分為單向激振式動三軸、雙向激振式動三軸、振動扭剪三軸儀、共振柱儀、平面應變動三軸儀。
英國GDS動三軸儀國內使用最多，南京工業大學、東南大學、中南大學及中科院成都山地災害與環境研究所等30多家岩土科研單位在使用GDS動三軸。代表型號為：
DYNTTS 電機控制的動三軸儀
英國GDS 電機控制的動三軸儀（DYNTTS）將三軸壓力室和動力驅動器合為一體，從壓力室底座施加軸向力和軸向變形。壓力室由裝有馬達驅動的基座螺鏇傳動。當沒有選擇徑向動力驅動器時，通過平衡錘消除動態試驗對恆定圍壓的影響。系統由在MS Windows中運行的GDSLAB軟體來控制。任一循環的數據都可以實時記錄和顯示出來。
GDS動三軸儀有2Hz、5Hz及10Hz等版本，其中10Hz系統可實現雙向振動三軸試驗。
GDS動三軸儀GDS特種三軸儀
特種三軸儀簡介常規三軸試驗及直剪試驗具有很多優點，目前已經得到廣泛採用，但在模擬實際土體的受力狀態和加卸荷載路徑方面仍有如下不足之處：
（1）應力狀態為軸對稱。這種應力狀態僅符合基礎與軸對稱的建築物，如水塔、油罐、煙囪及其他塔形建築。因此，按軸對稱三軸試驗所測得的土的本構關係、強度特徵等，不能正確反映非軸對稱狀態下土的特性。
（2）常規三軸試驗中，中主應力σ2與小主應力σ3均相等，而在實際工程中，σ2與σ3（或σ1）並不相等，是隨σ1（σ3）的變化而變化。
（3）常規三軸試驗中，三個主應力（σ1、σ2、σ3）的方向均固定不變。而施工的土工構築物，在荷載變化的過程中，主應力方向隨之不斷地轉動。
（4）試樣的應力分布不均勻。在試樣的橫斷面內，中心與邊緣的應力分布不均勻，對試驗結果有一定影響。
（5）難以模擬較複雜的應力路徑，如主軸方向轉動、主應力變化等。
鑒於以上所述，土工研究者們先後發展了各種特種三軸試驗，如空心扭剪三軸試驗、平面應變試驗、真三軸試驗等。這些試驗在一定程度上克服了常規三軸試驗的不足，其特點是考慮了中主應力σ2的影響。
空心圓柱試驗與常規三軸試驗最大的區別在於其試驗的試樣為空心圓柱形。試驗時對試樣的內外壁分別施加徑向應力。在試樣的端部施加軸向力，然後沿試樣頂面施加繞軸心的扭力矩，使試樣受到環向剪下力。隨著環向剪下力的增加，試樣的大主應力和小主應力的方向隨之轉動。
英國GDS空心圓柱扭剪儀（SS-HCAI）可以控制3個主應力的大小和方向。用於進行以下研究：土的各向異性、主應力鏇轉的結果和中主應力鏇轉的結果等。該系統可完成非常小的軸向應變測試，最小應變可達0.00004%。
空心圓柱扭剪儀GDS真三軸儀（TTTS）可以直接給立方體的試樣從X、Y和Z三個方向施加不同的應力，實現真正的三軸受力，用於研究複雜的載入過程，主應力鏇轉現象，平面應變等複雜三軸受力情況。 GDS真三軸儀在英國試驗室已經得到實際套用。
真三軸儀