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三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)

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發(fā)布時(shí)間：2025-08-01 01:43:11 更新時(shí)間：2025-07-31 01:43:11

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測(cè)中心

三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)：評(píng)估巖土材料力學(xué)性能的核心手段

三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)是巖土工程、地質(zhì)工程和材料科學(xué)領(lǐng)域中至關(guān)重要的室內(nèi)力學(xué)測(cè)試方法。它通過(guò)在圓柱形試樣上同時(shí)施加軸向壓力和圍壓（徑向約束壓力），模擬材料在真實(shí)地層或復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下的受力狀態(tài)，從而測(cè)定其強(qiáng)度特性和變形行為。相較于單軸壓縮試驗(yàn)，三軸試驗(yàn)?zāi)芨?、更真?shí)地反映材料（尤其是土壤、巖石、混凝土等）在復(fù)雜應(yīng)力路徑下的響應(yīng)，其檢測(cè)結(jié)果對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析、地基承載力計(jì)算、隧道支護(hù)設(shè)計(jì)、擋土墻土壓力確定等工程實(shí)踐具有直接的指導(dǎo)意義。該試驗(yàn)的核心價(jià)值在于獲取材料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)——粘聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)，這是進(jìn)行巖土工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與數(shù)值模擬不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

核心檢測(cè)項(xiàng)目

三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)主要測(cè)定以下關(guān)鍵指標(biāo)：

抗剪強(qiáng)度參數(shù)： 核心目標(biāo)是確定材料的粘聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)。這是通過(guò)在不同恒定圍壓下進(jìn)行一系列壓縮試驗(yàn)，繪制莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度包絡(luò)線來(lái)獲得的。
應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系： 詳細(xì)記錄軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變、體積應(yīng)變（或孔隙水壓力變化）的關(guān)系曲線，揭示材料的變形特性（如彈性模量、泊松比、峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度）和破壞模式（脆性破壞或塑性流動(dòng)）。
峰值強(qiáng)度/破壞強(qiáng)度： 試樣在特定圍壓下所能承受的最大軸向應(yīng)力差（偏應(yīng)力 σ1 - σ3）。
殘余強(qiáng)度： 試樣在經(jīng)歷峰值強(qiáng)度后發(fā)生顯著變形但仍保持穩(wěn)定或緩慢降低的強(qiáng)度值。
孔隙水壓力變化（飽和試樣）： 在固結(jié)不排水(CU)或固結(jié)排水(CD)試驗(yàn)中，監(jiān)測(cè)孔隙水壓力的消散或增長(zhǎng)情況，評(píng)估材料的滲透性和固結(jié)特性。

主要檢測(cè)儀器

進(jìn)行三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)的核心設(shè)備是三軸儀，其主要組成部分包括：

壓力室： 一個(gè)密封的腔室，用于容納試樣并施加圍壓（通常通過(guò)液壓油或氣體）。試樣被包裹在不透水的橡皮膜內(nèi)，置于壓力室底座上。
軸向加載系統(tǒng)： 通常由伺服控制電機(jī)或液壓作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，通過(guò)加載活塞對(duì)試樣施加精確可控的軸向壓力或位移。
圍壓控制系統(tǒng)： 精確控制和維持壓力室內(nèi)的圍壓(σ3)，壓力源可以是氣壓或液壓，需具備高穩(wěn)定性。
孔隙水壓測(cè)量系統(tǒng)（針對(duì)飽和試樣）： 包括孔隙水壓傳感器和與試樣底部/頂部連接的管路，用于精確測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中的孔隙水壓力變化。
變形測(cè)量系統(tǒng)：
- 軸向變形傳感器（LVDT或應(yīng)變計(jì)）： 測(cè)量試樣的軸向壓縮量。
- 體積變化測(cè)量裝置： 對(duì)于排水試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量進(jìn)出試樣的水量來(lái)確定體積應(yīng)變；對(duì)于不排水試驗(yàn)，有時(shí)通過(guò)壓力室體積變化間接測(cè)量（或主要依賴孔隙水壓和軸向應(yīng)變計(jì)算）。
數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)（圍壓、加載速率、試驗(yàn)類型）、實(shí)時(shí)采集所有傳感器數(shù)據(jù)（應(yīng)力、變形、孔隙水壓），并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出。
附屬設(shè)備： 制樣模具、橡皮膜、飽和裝置（真空泵、反壓系統(tǒng)）、透水石、濾紙、O型圈等。

常用檢測(cè)方法

根據(jù)試樣排水條件和固結(jié)狀態(tài)，三軸壓縮試驗(yàn)主要分為三種標(biāo)準(zhǔn)類型：

不固結(jié)不排水試驗(yàn) (Unconsolidated Undrained Test - UU)：

試樣在施加圍壓(σ3)前不進(jìn)行固結(jié)，并在整個(gè)剪切（軸向加載）過(guò)程中不允許排水（關(guān)閉排水閥）。主要用于快速評(píng)估飽和粘性土的短期（不排水）強(qiáng)度。試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生孔隙水壓力。
固結(jié)不排水試驗(yàn) (Consolidated Undrained Test - CU)：

試樣先在施加的圍壓(σ3)下充分固結(jié)（允許排水，體積穩(wěn)定），然后在不允許排水的條件下進(jìn)行剪切。試驗(yàn)中通常測(cè)量孔隙水壓力。適用于分析土體在受荷條件下可能產(chǎn)生的超孔隙水壓力及其對(duì)強(qiáng)度的影響（如地基的快速加載、地震荷載）。
固結(jié)排水試驗(yàn) (Consolidated Drained Test - CD)：

試樣在圍壓(σ3)下充分固結(jié)，并在剪切過(guò)程中允許充分排水（打開(kāi)排水閥，剪切速率極慢，確?？紫端畨毫Τ浞窒⒅亮慊蚪咏悖Ｓ糜跍y(cè)定土體的有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)(c’, φ’)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性（如邊坡、擋土墻）。

通用試驗(yàn)步驟簡(jiǎn)述：

試樣制備： 按標(biāo)準(zhǔn)尺寸（常用直徑38mm, 50mm 或 100mm，高度約為直徑的2倍）重塑或原狀制樣。
試樣安裝與飽和： 將試樣套上橡皮膜，置于壓力室底座，安裝透水石、濾紙、頂帽，連接孔隙水壓管路（如需），密封壓力室。通常需對(duì)試樣進(jìn)行飽和處理（如抽真空、施加反壓），確保B值（Skempton孔壓系數(shù)）接近1.0（對(duì)于飽和試驗(yàn)）。
施加圍壓： 向壓力室內(nèi)注入流體（油或水）至預(yù)定圍壓(σ3)。
固結(jié)（CU, CD試驗(yàn)）： 打開(kāi)排水閥，讓試樣在圍壓下排水固結(jié)，直至主固結(jié)完成（排水量穩(wěn)定或孔壓消散）。
剪切： 按設(shè)定的速率（取決于試驗(yàn)類型和土性）施加軸向荷載（位移控制或應(yīng)力控制），同時(shí)記錄軸向荷載、軸向變形、體積變化或孔隙水壓力，直至試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度或規(guī)定的軸向應(yīng)變（通常15%-20%）。
數(shù)據(jù)整理與分析： 計(jì)算偏應(yīng)力 (σ1 - σ3)，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線、應(yīng)力路徑，對(duì)同一組多個(gè)試樣（不同圍壓）繪制莫爾圓和強(qiáng)度包絡(luò)線，求得c和φ（或c'和φ'）。

主要檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)需嚴(yán)格遵循相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)范或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以確保結(jié)果的可靠性和可比性。重要的標(biāo)準(zhǔn)包括：

中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) (GB)：
- GB/T 50123-2019 《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》：詳細(xì)規(guī)定了土的三軸壓縮試驗(yàn)方法（UU, CU, CD）、儀器要求、試樣制備、試驗(yàn)步驟和結(jié)果整理。
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) (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
美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) (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
其他國(guó)家/地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)： 如 British Standards (BS 1377), Eurocode 7等。

這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣的尺寸規(guī)格、飽和度的要求、固結(jié)標(biāo)準(zhǔn)、剪切速率控制、數(shù)據(jù)采集精度、結(jié)果計(jì)算方法等關(guān)鍵環(huán)節(jié)都做出了明確和詳細(xì)的規(guī)定。嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行是確保