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三轴压缩强度试验检测

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发布时间：2025-08-01 01:43:11 更新时间：2025-07-31 01:43:11

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

三轴压缩强度试验检测：评估岩土材料力学性能的核心手段

三轴压缩强度试验是岩土工程、地质工程和材料科学领域中至关重要的室内力学测试方法。它通过在圆柱形试样上同时施加轴向压力和围压（径向约束压力），模拟材料在真实地层或复杂应力环境下的受力状态，从而测定其强度特性和变形行为。相较于单轴压缩试验，三轴试验能更全面、更真实地反映材料（尤其是土壤、岩石、混凝土等）在复杂应力路径下的响应，其检测结果对边坡稳定性分析、地基承载力计算、隧道支护设计、挡土墙土压力确定等工程实践具有直接的指导意义。该试验的核心价值在于获取材料的抗剪强度参数——粘聚力(c)和内摩擦角(φ)，这是进行岩土工程稳定性评价与数值模拟不可或缺的基础数据。

核心检测项目

三轴压缩强度试验主要测定以下关键指标：

抗剪强度参数： 核心目标是确定材料的粘聚力(c)和内摩擦角(φ)。这是通过在不同恒定围压下进行一系列压缩试验，绘制莫尔-库仑强度包络线来获得的。
应力-应变关系： 详细记录轴向应力与轴向应变、体积应变（或孔隙水压力变化）的关系曲线，揭示材料的变形特性（如弹性模量、泊松比、峰值强度、残余强度）和破坏模式（脆性破坏或塑性流动）。
峰值强度/破坏强度： 试样在特定围压下所能承受的最大轴向应力差（偏应力 σ1 - σ3）。
残余强度： 试样在经历峰值强度后发生显著变形但仍保持稳定或缓慢降低的强度值。
孔隙水压力变化（饱和试样）： 在固结不排水(CU)或固结排水(CD)试验中，监测孔隙水压力的消散或增长情况，评估材料的渗透性和固结特性。

主要检测仪器

进行三轴压缩强度试验的核心设备是三轴仪，其主要组成部分包括：

压力室： 一个密封的腔室，用于容纳试样并施加围压（通常通过液压油或气体）。试样被包裹在不透水的橡皮膜内，置于压力室底座上。
轴向加载系统： 通常由伺服控制电机或液压作动器驱动，通过加载活塞对试样施加精确可控的轴向压力或位移。
围压控制系统： 精确控制和维持压力室内的围压(σ3)，压力源可以是气压或液压，需具备高稳定性。
孔隙水压测量系统（针对饱和试样）： 包括孔隙水压传感器和与试样底部/顶部连接的管路，用于精确测量试验过程中的孔隙水压力变化。
变形测量系统：
- 轴向变形传感器（LVDT或应变计）： 测量试样的轴向压缩量。
- 体积变化测量装置： 对于排水试验，通过测量进出试样的水量来确定体积应变；对于不排水试验，有时通过压力室体积变化间接测量（或主要依赖孔隙水压和轴向应变计算）。
数据采集与控制系统： 计算机系统用于设置试验参数（围压、加载速率、试验类型）、实时采集所有传感器数据（应力、变形、孔隙水压），并进行数据处理和结果输出。
附属设备： 制样模具、橡皮膜、饱和装置（真空泵、反压系统）、透水石、滤纸、O型圈等。

常用检测方法

根据试样排水条件和固结状态，三轴压缩试验主要分为三种标准类型：

不固结不排水试验 (Unconsolidated Undrained Test - UU)：

试样在施加围压(σ3)前不进行固结，并在整个剪切（轴向加载）过程中不允许排水（关闭排水阀）。主要用于快速评估饱和粘性土的短期（不排水）强度。试验过程中会产生孔隙水压力。
固结不排水试验 (Consolidated Undrained Test - CU)：

试样先在施加的围压(σ3)下充分固结（允许排水，体积稳定），然后在不允许排水的条件下进行剪切。试验中通常测量孔隙水压力。适用于分析土体在受荷条件下可能产生的超孔隙水压力及其对强度的影响（如地基的快速加载、地震荷载）。
固结排水试验 (Consolidated Drained Test - CD)：

试样在围压(σ3)下充分固结，并在剪切过程中允许充分排水（打开排水阀，剪切速率极慢，确保孔隙水压力充分消散至零或接近零）。用于测定土体的有效应力强度参数(c’, φ’)和长期稳定性（如边坡、挡土墙）。

通用试验步骤简述：

试样制备： 按标准尺寸（常用直径38mm, 50mm 或 100mm，高度约为直径的2倍）重塑或原状制样。
试样安装与饱和： 将试样套上橡皮膜，置于压力室底座，安装透水石、滤纸、顶帽，连接孔隙水压管路（如需），密封压力室。通常需对试样进行饱和处理（如抽真空、施加反压），确保B值（Skempton孔压系数）接近1.0（对于饱和试验）。
施加围压： 向压力室内注入流体（油或水）至预定围压(σ3)。
固结（CU, CD试验）： 打开排水阀，让试样在围压下排水固结，直至主固结完成（排水量稳定或孔压消散）。
剪切： 按设定的速率（取决于试验类型和土性）施加轴向荷载（位移控制或应力控制），同时记录轴向荷载、轴向变形、体积变化或孔隙水压力，直至试样达到峰值强度或规定的轴向应变（通常15%-20%）。
数据整理与分析： 计算偏应力 (σ1 - σ3)，绘制应力-应变曲线、应力路径，对同一组多个试样（不同围压）绘制莫尔圆和强度包络线，求得c和φ（或c'和φ'）。

主要检测标准

三轴压缩强度试验需严格遵循相关国家标准、行业规范或国际标准，以确保结果的可靠性和可比性。重要的标准包括：

中国国家标准 (GB)：
- GB/T 50123-2019 《土工试验方法标准》：详细规定了土的三轴压缩试验方法（UU, CU, CD）、仪器要求、试样制备、试验步骤和结果整理。
国际标准 (ISO)：
- ISO/TS 17892-8:2004 Geotechnical investigation and testing - Laboratory testing of soil - Part 8: Unconsolidated undrained triaxial test
- ISO/TS 17892-9:2004 Geotechnical investigation and testing - Laboratory testing of soil - Part 9: Consolidated triaxial compression tests on water-saturated soil
美国材料与试验协会标准 (ASTM)：
- ASTM D2850-23a Standard Test Method for Unconsolidated-Undrained Triaxial Compression Test on Cohesive Soils
- ASTM D4767-22 Standard Test Method for Consolidated Undrained Triaxial Compression Test for Cohesive Soils
- ASTM D7181-20 Method for Consolidated Drained Triaxial Compression Test for Soils
其他国家/地区标准： 如 British Standards (BS 1377), Eurocode 7等。