土壤力學實驗 試驗十 三軸壓縮試驗 楊全成 編著

Method of Test for Triaxial Compression of Soils 試驗十 三軸壓縮試驗 土壤之三軸壓縮試驗法 Method of Test for Triaxial Compression of Soils

試驗十 三軸壓縮試驗 試驗規範 ASTM D2850-95， D4767-95

(一)試驗目的 求土壤之凝聚力及內摩擦角，作為擋土牆分析、邊坡穩定分析及承載力計算之依據。

(二)試驗說明 三軸壓力室的裝置，圖柱試體，包以不透水的橡皮膜，置於可加液壓的密閉透明桶中(用不變形的硬塑膠所做)軸向壓力經由一長棒，加於試體頂上的墊鈑上，用以控制主應力差(或稱為軸差應力)。

三軸壓縮試驗 試體的兩端連以管路，用以測量孔隙水壓力(C閥門)，或用以排水及加反水壓之用(B1及B2閥門)。

反水壓(Back Pressure)為由B1及B2閥門加諸於試體內部，藉著高壓將試體內之空氣加以壓縮，使水分佔滿孔隙之空間，而達到飽和試體之目的。

三軸壓力室

三軸壓縮試驗之壓力室及自動化週邊設備

試驗時，作用壓力是分兩階段加上，首先，整個試體的三個軸向都受至液壓σ3的作用，所以液壓σ3又稱為包圍壓力(Confined Pressure)，然後，再加上軸差應力(Deviator Stress)△σa，至試體剪壞為止。

(a)加圍壓 (b)加軸差應力 (c)總主應力 三軸壓縮試驗之二階段加壓

三軸壓縮試驗之種類

剪力強度參數之應用： 大多數之工程問題設計，最困難者為其有效應力隨時在改變，孔隙水壓力在施工之初期、施工期間、完工後，由於壓密、排水等作用，其值皆有不同，故有效應力亦隨之改變，故設計時，究應採用何種試驗結果，實需詳加考慮。

1.cu與ψu(由SUU試驗或Q試驗求得) 飽和粘土層因迅速載重而產生剪應力，若含水量變化不大時，可用cu參數決定剪力強度，例如：(a)結構建築物或堤壩於飽和粘土上建立基礎時之初期穩定性分析。 (b)粘土之開挖工程或擋土工程開挖支撐之初期穩定性分 析。 (c)粘土之深開挖中對底部上拱初期穩定性分析。

2.cu與ψu(由SCU試驗或Qc試驗求得) 在基礎構築中或受土壤自重作用下，已完成壓密之土層，在迅速加載，而含水量不再改變之情況下，可利用試驗之結果來決定其剪力強度。

例如： (a)不透水性滾壓填土於急速洩降之穩定性分析。 (b)粘土自然邊坡於急速洩降之穩定性分析。 (c)粘土坑或溝於急速洩降之穩定性分析。 此因在急速洩降時，土壤重量由浸水單位重變為飽和單位重，使土重增加，且因水位急降，土內水分不及排出之故。

3.ccd與ψcd(由SCD試驗或S試驗求得) (a)長期穩定情況下，斜坡、土工(土壩、土堤、堤壩)，擋土工與背後填土之分析：此由於在長期穩定情形下，荷重不再增加，且孔隙水壓力因負荷重而逐漸消除，故孔隙水壓已經穩定，不再有超額孔隙水壓力產生之故。

(b)砂土或礫石之斜坡積水洩降，孔隙水壓力分佈受孔隙水之排水率控制時之分析。 上述之工程設計，亦可用SCU試驗之ccu'，ψcu'，來分析，此因同一性質之土壤，其

孔隙水壓力參數B與土壤飽和度的關係

孔隙水壓力參數A與OCR的關係

三軸壓縮試驗與直接剪力試驗比較之優缺點： 三軸壓縮試驗之優點： 1.試樣內部之應力應變狀態較直接剪力試驗者為均勻。 2.含水量能自由調節，可進行排水或不排水試驗。 3.飽和土壤之體積變化，能簡單地加以測定。 4.試樣之模截面可依軸向應變作適當的修正。 5.試驗時，試樣承受σ1及σ3之作用，且σ3可依土壤實際 情況做適當選擇，故試樣之荷重條件與實際載重情形比 較接近。

三軸壓縮試驗之缺點： 1.試驗裝置複雜，操作必需熟練。 2.試體大，低滲透性土壤之排水試驗，需時甚長。 3.試驗費用昂貴。

(三)試驗儀器 (1)三軸壓力室：放置試體，施加室壓，並提供試樣受剪環 境。其底座共有4個閥門，分別為A室壓閥門、B1及B2 反水壓兼排水閥門及C孔隙水壓閥門。

雙端靜力壓實模 測 微 尺　　 試驗儀器之簡介(1)

薄 管 鐵鎚木樁及鏟子 試驗儀器之簡介(1)

磅 秤 橡膠膜與橡膠膜套筒 試驗儀器之簡介(2)

頂 土 機 濾 紙 與 透 水 石 試驗儀器之簡介(2)

三 軸 室 剖 面 圖 及 平 面 圖 試驗儀器之簡介(3)

孔隙水壓力計 PW 變位計 LVDT 體積變化計 VC 荷 重 計 LC 試驗儀器之簡介(4) 荷重計LC

移動式數字顯示器 固定式數字顯示器 試驗儀器之簡介(5)

操 作 面 板 三軸試驗自動化裝置 試驗儀器之簡介(6)

三軸壓力室

三軸壓力室

三軸壓力室之分解

三軸室之四個閥門

試體與橡皮膜

(2)自動平衡水銀定壓系統：由水銀提升之壓力，經由水傳 遞至三軸壓力室之試體，適當選擇彈簧之彈性係數，於 試驗過程上筒水銀面有所變化時，彈簧長度亦隨之變 動，而達試驗過程之定壓。

自動平衡水銀系統

自動平衡水銀系統

(3)加壓桿軸：藉由壓力機之上升施加軸差應力於試體，其 上配置壓力環(Proving Ring)或荷重計(Load Cell)，以求 得軸差應力。但需注意壓力環，或荷重計應於試體受室 壓後歸零，經此化算始為軸差應力。

三軸加壓桿軸

(4)室壓力及反水壓力測定系統：經由水銀壓傳給水壓之壓 力可經此壓力系統讀數而得之。室壓與反水壓應分別量 度其差值即為圍壓σ3。

三軸試驗加壓閥門

三軸壓力試驗面板

三軸壓力面板

(5)孔隙水壓力測定系統：當試樣有孔隙水流出(或流入) 時，施加(或降低)壓力使水銀面保持在零點指示器之零 點指標處，則壓力表之差值即為孔隙水壓力。

零點指示器

(6)體積變化：利用染成紅色之煤油在量管之上升下降，而 讀得試樣體積之變化量。

體積變化儀

三軸壓縮試驗管線裝置圖

三軸壓縮試驗數據數值化

三軸壓縮試驗提供壓力之空壓機

三軸壓縮試驗自動化各硬體設備之組合架構圖

(四)試驗步驟 三軸壓縮試驗流程圖

三軸壓縮試驗流程圖

概要 將試樣修整成圓柱體 包裹橡膠膜，置於三軸室 由空壓系統施加室壓3 壓桿施加軸差壓力(1－3) 繪莫爾圓求c、ψ值

(1)裝上試體。 (2)加室壓4.05kg/cm2，反水壓4.00kg/cm2。 a.不使試體飽和(U)：排水閥門關閉。 b.使試體飽和(S)：排水閥門打開，至體積變化儀不變為止。

(3)提昇室壓：如欲加圍壓σ3=1.00kg/cm2，則室壓之壓力表應指 示5.00kg/cm2，反水壓之壓力表讀數仍為4.00kg/cm2。 a.不使試體壓密(U)：排水閥門關閉，可兼測孔隙水壓力變化量 u1。 b.使試體壓密(C)：排水閥門打開，至體積變化儀不變為止，壓 密完畢超靜水壓力為0。

(4)開機加軸差應力σ1-σ3。 a.不使試體排水(U)：排水閥門關閉，可兼測孔隙水壓力變化量 u2。 b.使試體排水(D)：排水閥門打開，於加壓過程超靜水壓力為0。 (5)改變σ3，重覆(1)至(4)之步驟，繪莫爾圓，求凝聚力及內摩擦 角。

三軸壓縮試驗應力圖及莫爾圓

試體套上橡皮膜

試體與頂蓋底座

試體裝進三軸室

土樣準備(1) 用測微尺量取３號雙端靜力壓實模之直徑及高度 計算其體積 土壤之濕單位重乘以體積即得所需之土樣重 量秤所需土樣重後並倒入雙端靜力壓實模中

土樣準備(2) 用頂土機進行重模試體製作 將１２４５號鐵模拔除後頂出３號鐵模內試體 將套筒套上橡膠膜開啟抽氣機使橡膠膜緊貼圓筒內壁並將試體套入

土樣準備(3) 將試體兩端蓋上濾紙及透水石 將試樣下端之橡膠膜反套於底座並以橡皮圈套緊 其次再將頂鈑放入試樣頂面，頂端橡膠膜套於頂鈑並以橡皮圈套緊

土樣準備(4) 裝上三軸壓力室之外罩並鎖緊 將水經由入水閥門(A)注入三軸室 搬上壓縮試驗機並調整高度 將面板上之室壓出口、入水口、出水口、孔隙水壓力計分別連接三軸室之四個閥門(A、B1、B2、C)

試驗步驟 1.裝上試體 2.加室壓4.05㎏ /cm2， 反水壓4.0㎏/cm2 (1)不使試體飽和(U) (2)使試體飽和(S)

試驗步驟(續) 3.提昇室壓(若圍壓σ3＝1.0 ㎏ /cm2 則壓力錶應指示5.0 ㎏ /cm2) (1)不使試體壓密(U) ，可兼測 過剩孔隙水壓力為0

試驗步驟(續) 4.開機加軸差壓力σ1－σ3 5.改變σ3，重複1～4之步驟即可繪莫 爾圓以求凝聚力c及內摩擦角ψ (1)不使試體排水(U) ，可兼測孔隙 水壓力變化量u1 (2)使試體排水(D)，加壓過程過剩孔 隙水壓力為0 5.改變σ3，重複1～4之步驟即可繪莫 爾圓以求凝聚力c及內摩擦角ψ

加壓系統準備 氣壓水室A、B充水 驅除管線內氣泡 1.閥門3號旋至2／2，水昇高至2／3左右，再旋至3／3 1.閥門1及10號旋至1／2及2／2處，並打開14號閥門 2.注意觀察管內氣泡流動

UUU試驗 1.三軸室之進、出水口(B1、B2)關閉 2.加室壓後立即開始進行試驗 3.記讀LC、LVDT及PW讀數 4直至試體剪壞或應變達15％以上為止

SUU試驗 2.閥門4號轉至1／2 、閥門3號轉至2／2並以A調壓閥調整壓力大小，飽和一天 3.三軸室之進、出水口(B1、B2)關閉 1.打開閥門5號，閥門8號旋至室壓數位計讀數 2.閥門4號轉至1／2 、閥門3號轉至2／2並以A調壓閥調整壓力大小，飽和一天 3.三軸室之進、出水口(B1、B2)關閉 4.加室壓後立即開始進行試驗 5.記讀LC、LVDT及PW讀數 6.直至試體剪壞或應變達15％以上為止

SUU試驗 閥門閉啟方式

SCU試驗 (飽和) 1.打開閥門5號，閥門8號旋至室壓數位計讀數 2.閥門4號轉至1／2 、閥門3號轉至2／2並以A調壓閥調整壓力大小，飽和一天 (壓密) 3.三軸室進水口關閉，打開試體出水口 4.閥號9旋至1／2、閥號10旋至2／2 5.閥號11關閉

SCU試驗(續) 7.閥號12及閥號11同時旋至向下排水1／2及2／2 (不排水快剪階段) 8.三軸室之進、出水口(B1、B2)關閉 9.加室壓後立即開始進行試驗 10.記讀LC、LVDT及PW讀數 11.直至試體剪壞或應變達15％以上為止

SCU試驗 閥門閉啟方式

SCD試驗 (飽和) 1.打開閥門5號，閥門8號旋至室壓數位計讀數 2.閥門4號轉至1／2 、閥門3號轉至 2／2並以A調壓閥調整壓力 (壓密) 3.三軸室入水口關閉 4.閥號9旋至1／2、閥號10旋至2／2 5.閥號11關閉

SCD試驗(續) (排水慢剪階段) 7.加室壓排水後啟動抗壓機，慢速進行試驗 8.記讀LC、LVDT及PW讀數，試驗進行時超額孔隙水壓力應為0 9.直至試體剪壞或應變達15％以上為止 P.S.閥門閉啟方式同SCU試驗

三軸壓縮試驗中

三軸試驗自動記錄

(五)試驗用表及結果整理範例 三軸壓縮試驗實例 例題 有－三軸壓縮試驗記錄如表所示：(SCU試驗) (1)繪總應力與有效應力強度包絡線。 (2)粘土預壓力800KN/m2，繪出孔隙水壓力參數A與OCR關係 圖。

圍壓軸差應力與孔隙水壓力表

【解答】 (1)總應力強度包絡線 總應力強度包絡線

(1-1)有效應力強度包絡線 有效應力強度包絡線

(2)孔隙水壓力參數A與OCR關係圖 孔隙水壓力參數A與OCR關係圖

注意事項 橡膠膜套於試樣外不能扭曲 軸差應力增加至試樣應變超過15％為止 試驗時隨時注意氣水壓力室A、B之水位 重模試樣可用雙端靜力壓實模獲得；若以夯實法應設法去除層次

三軸透水試驗之三軸壓力室，控制室壓4.95kg/cm2，上端反水壓閥門控制到4.5kg/cm2，下端反水壓閥門維持3.95kg/cm2。

Test10.xls應用說明: 軸差應力，KN/m2 孔隙水壓力，KN/m2 s1 s3 s1' s3' A 410 -65 510 100 575 165 -0.15854 520 -10 720 200 730 210 -0.01923 80 1120 400 1040 320 0.111111 980 180 1580 600 1400 420 0.183673

Test10.xls應用說明:

Test10.xls應用說明: sin2α cos2α σα1 τα1 σα2 τα2 σα3 τα3 σα4 τα4 0.00 1.00 510.00 720.00 1120.00 1580.00 0.09 509.22 17.87 719.01 22.66 1118.63 31.38 1578.14 42.71 0.17 0.98 506.89 35.60 716.05 45.15 1114.53 62.51 1572.56 85.09 0.26 0.97 503.01 53.06 711.14 67.29 1107.73 93.18 1563.30 126.82 0.34 0.94 497.64 70.11 704.32 88.93 1098.29 123.13 1550.45 167.59 0.42 0.91 490.79 86.64 695.64 109.88 1086.27 152.14 1534.09 207.08 0.50 0.87 482.54 102.50 685.17 130.00 1071.77 180.00 1514.35 245.00 0.57 0.82 472.93 117.58 672.98 149.13 1054.89 206.49 1491.38 281.05 0.64 0.77 462.04 131.77 659.17 167.13 1035.78 231.40 1465.36 314.97 0.71 449.96 144.96 643.85 183.85 1014.56 254.56 1436.48 346.48 436.77 157.04 627.12 199.17 991.40 275.78 1404.97 375.36

(六)試驗問題

(七)試驗討論問題 1.三軸壓縮試驗如何準備試體? 如何飽和試體? 如何壓密試體? 2.三軸試驗儀之三軸室如何加反水壓以便做三軸透水試驗? 3.何謂SCU三軸壓縮試驗? 4.如何以SCU三軸壓縮試驗結果，求出土壤凝聚力及內摩 擦角?

敬請指教