标题：GDS三轴仪
什么是三轴试验？
三轴试验原理根据力学试验原理，假定一土体保持平衡状态，则其中某一点必有三种作用于互相垂直面上的应力。如从上体中切出一小立方体，如图“主应力与主应力面”所示，图中平行于X、Y、Z三个方向的力，分别称为大主应力σ1、中主应力σ2、小主应力σ3。与三个主应力垂直的作用面分别称为大主应力面、中主应力面和小主应力面。三个主应力值的大小为σ1>σ2>σ3，且互相垂直，主应力面上只有法向应力，无剪应力。这种应力状态，可以在室内用一个立方体试样进行模拟。如图“刚性板结构的真三轴仪示意图”所示，利用六块可以互相移动的刚性板，分别施加σ1、σ2、σ3力于试样，使之达到破坏，并测定试样三个方向的变形和体积变化，这种试验称为真三轴试验。
真三轴试验所施加的应力和所测得的强度参数以及变形参数能较真实地反映实际情况。然而这种试验的仪器构造复杂、操作麻烦。目前除了作研究用外，很少被岩土工程师用于实际的工程勘察设计。
许多土工问题如土坡、路堤、挡土墙、码头等均属于平面问题，在设计上作为平面应变状态处理，即只考虑σ1和σ3。在一些特殊情况下，如油罐基础，常按轴对称问题处理，即σ2=σ3。三轴试验就是使试样在轴对称的应力状态下进行试验。由于三轴试验比真三轴试验简单方便，因此得到了广泛应用。  刚性板结构的真三轴仪示意图
  主应力与主应力面三轴试验类型三轴试验的主要用途是测定土的强度和应力应变有关参数。也常用来测定土的静止侧压力系数Ko、消散系数Cv、渗透系统K等。三轴试验主要有以下几种类型：
1、强度试验
用三轴试验测定土的强度参数，有几种不同方法。根据试验过程中排水条件，通常可分为不固结不排水剪（UU）、固结不排水剪（CU）和固结排水剪（CD）。试验方法的选择，要根据设计要求、土的性质、施工速度、工程运用条件等而定。
2、应力路径试验
前述三种常规试验方法的UU试验、CU试验和CD试验是用同一种加荷方式，在不同排水条件下进行的。如用不同的加荷方式，在不同排水条件下进行试验，则称为应力路径试验。
应力路径是模拟土体在实际施工或运行过程中的应力变化，对试样进行加荷减荷的试验程序。这种应力状态变化是以岩石的加荷过程中土体内某平面上应力变化的轨迹来表明应力增长或减小的路径。不同的加荷方式有不同的应力路径。
3、三轴静止侧压力系数Ko试验
在天然土层或人工填土中的任何一点，水平有效应力σ，h一般不等于垂直有效应力σ，v。这两种应力之比称为侧压力系数或侧应力比，即：Ko=σ，h/σ，v。Ko的最小值相当于土体破坏时的应力比，以Kf表示。工程中，设计者所需要的是静止侧压力系数，即土体在垂直应力作用下，无侧向变形的静止侧压力系数，以Ko表示。
Ko试验是假定土体各向同性均匀一致，应力σ与应变ε呈线性关系，其比值σ/ε即为弹性模量E。
4、孔隙压力消散试验
孔隙压力消散试验是测定试样施加作用力后，试样中产生的孔隙压力在排水条件下随时间而消散的过程。根据这种试验可测得土的固结系数Cv（也称消散系数）和体积压缩系数mv。
5、三轴渗透试验
三轴渗透试验，利用三轴仪按常规不排水剪试验方法安装好试样，对试样施加有效围压σ3，使水在一定压力差作用下通过试样流出，保持稳定流量Q，测定土的渗透系数。对同一试样，可以施加不同围压σ3，使之达到固结排水稳定后，分别测定其渗透系数k。三轴试验优缺点三轴试验的优点是：应用范围较广，可用以测定土的强度参数、应力变形参数、土的消散系数、静止侧压力系数及渗透系数等。适用于各种土类，如原状土、重塑土的黏性土及砂砾等；在测定强度方面与直接剪切试验比较，其优点是试样的剪切面不是固定的，面是沿最弱的面产生剪切；对于有结构面的土，如裂缝土，它能较真实地反映土的应力应变特征；在试验方法方面，可以根据工程设计的施工和运用条件控制排水，测定孔隙压力，较可靠地测定试验过程中试样的体积变化（包括饱和式样和非饱和试样）。可以模拟工程现场的应力状态，施加主应力及加荷路径。在试样饱和方面，可以施加反压力或CO2气体，使试样达到完全饱和状态。此外，在孔隙压力消散试验、渗透试验方面，试样可以在近乎实际的应力状态（如各向均等应力、各向不等应力）条件下进行试验。许多实际工程的资料表明，用三轴试验所测定的强度参数c、Φ,静止侧压力系数Ko,孔隙压力消散系数Cv及渗透系数k比其他试验方法所测得的计算参数更为合理、可靠，能较真实地反映土的特质。
三轴试验的不足之处是：试验过程中施加的应力是轴对称的，即σ2=σ3；而大多数的实际工程则是近似平面问题，如土石坝、路堤、挡土墙、隧道、房屋基础等，因而与实际的应力状态有差别，其中主应力（σ2）不能变化，不能模拟平面应变条件，主应力方向不能逐渐改变。试样的末端如不采取减少摩擦的措施，则受到约束，从而影响应力、应变、体积变化及孔隙压力直剪的关系。
三轴试验的应用不足之处是试验操作复杂、费时，需要有试验技术熟练的人员操作。因而试验结果的质量与试验人员的技术水平有很大关系。仪器设备较直剪仪或固结仪复杂且费用较高，试验要求较多的试样。 
对于许多实用目的而言，三轴试验的优点远大于其缺点。根据许多工程实例，一些重要的工程问题中，试验室试验结果和现场稳定性探测之间的关系都能很好的符合。 
三轴仪根据模拟试样受力的状况的不同，又分为静三轴仪、动三轴仪及各种特种三轴仪，下面以英国GDS三轴仪为例，介绍静三轴仪、动三轴仪和特种三轴仪的构成及特点等，GDS三轴仪是国内使用量最多的进口三轴仪，同济大学、浙江大学、南京水科院、武汉岩土所等超过100家著名高校和科研院所在使用GDS三轴仪。
GDS静三轴介绍
静三轴仪是相对于动三轴仪而言的，动三轴仪可以实现轴向动态加载，静三轴仪则不能。下面是几款典型的静三轴仪：电机控制的静三轴仪电机控制的静三轴仪（MINIDYN）是英国GDS科研型静态三轴测试系统，采用高精度伺服电机代替传统的Bishop & Wesley应力路径系统所采用的压力/体积控制器施加方式施加轴向荷载。  电机控制的静三轴
可选规格：
（1）轴向荷载范围：10kN、16kN、20kN、40kN、60kN ；     
（2）额定围压：2000kPa、5000kPa ；
（3）试样尺寸：标准尺寸38、50、70、100mm，可以选择的最大尺寸100mm (其它尺寸可订做)。
系统特征：     
（1）面积自动校正。该系统通过体积变化和轴向位移计算当前试样的平均面积。该值将用于所有的控制计算。平均面积定义为同等高度同等体积的圆柱体的横截面积。体积变化的分辨率为1mm3。
（2）孔压通过连接在底座上的孔压传感器测量。
（3）测量体积变化的分辨率是1mm3。
（4）通过测量三轴压力室中内置水下荷重传感器的轴向力来消除摩擦的影响。
（5）传统的U-U，C-U和C-D试验在压缩和拉伸试验中都可以通过应变和应力两种方式来进行控制。
（6）该系统可以完成一个单一的连续的线性应力路径试验。在每个路径的终止阶段，通过用户的自定义可以完成多个连续的线性路径。
（7）系统也可以通过采用Rowe & Barden型固结仪完成应变速率不变的固结试验。要完成该试验需要更换软件和压力室。应力路径三轴仪英国GDS 应力路径三轴仪系统基于Bishop & Wesley应力路径测试系统构成，采用GDS压力/体积控制器控制和测量轴向应力，是全自动三轴仪。  应力路径三轴仪
系统特点：  
（1）高级应力路径三轴仪ADVTTS保留了研究型试验的应力路径系统的全部优点；
（2）标准应力路径三轴仪STDTTS 是ADVTTS系统的精简版，具有所有ADVTTS系统的特征；
（3）系统具有基于Bishop 和Wesley 原理但又改进了的GDS三轴压力室；
（4）所有系统中体积变化测量的分辨率= 0.5 或1mm3 ；
（5）灵活性高（不同试样尺寸，荷载，压力等），确保系统适合试验要求；
（6）可以在将来无限制的升级，包括传感器，软件模块，弯曲元试验，非饱和土试验等；
（7）GDS全球范围技术支持。应变控制式三轴仪应变控制式三轴仪GDSTAS 系统是英国GDS一款精简版的静三轴仪，系统采用50kN荷载架施加轴向荷载，采用GDS压力/体积控制器控制和测量围压和反压。  应变控制式三轴仪
系统特点：
（1）体积分辨率= 1mm3 ；
（2）增加GDS动态控制系统和安装在荷载架横梁上的气动控制器；
（3）可以升级成为动态系统；可以根据试验要求选择不同的试样尺寸、荷载、压力等；非饱和土三轴仪英国GDS UNSAT非饱和土三轴仪是传统三轴仪试验系统的扩展，通过添加软件和硬件例如中平面吸力探头、大气压力传感器和局部应变测量传感器等，可以从GDS常规三轴试验系统升级到非饱和土试验系统。
GDS非饱和土三轴仪试验系统提供一系列先进的非饱和土试验方法供选择。全世界有超过50位用户使用非饱和土测试系统和软件。  非饱和土三轴仪
系统优势：
（1）可以根据试验要求选择不同的试验方法；
（2）与HKUST联合开发，具有丰富的非饱和土试验经验；
（3）各种方法可以混合搭配，形成适合试验要求的系统；
（4）由于GDS熟悉不同的非饱和土试验方法，可提供系统方案；非饱和土直剪仪英国GDS非饱和土直剪仪GDSBPS系统是一款反压直剪试验系统。该系统基于标准的直剪试验装置但又进行了修改以便于“基质吸力－孔隙水压力与孔隙气压力的差值”的测量。整套系统可采用GDSLAB软件控制运行。该装置可在计算机控制下进行标准直剪试验和高级非饱和试验。  非饱和土直剪仪固结仪英国GDS生产的 GDSCTS系列固结三轴仪可完成恒应力固结测试、恒应变速率固结测试、逐级加载固结测试，可以升级到非饱和土固结测试。  固结仪
GDS动三轴仪
什么是动三轴试验？土工建筑物及其地基，除了承受静荷载作用外，有时还会受到动荷载的作用，如地震引起的地震荷载，车辆及机器振动引起的振动荷载，爆炸引起的爆震荷载等，相对地说，静荷载及其在土体中引起的静应力的大小及作用方向是不随作用的时间而变化的，动荷载及其在土体中引起的动应力的大小及作用方向则是随着作用的时间而变化的。这种变化，有的属于随机波，如地震引起的地震应力；有的则类似于正弦波，如往复式机器引起的振动；有的则为瞬时作用的脉冲型震动。如煤震在土体中引起的应力。
人们在评估动荷载作用下土工建筑物及其地基的稳定性和变形时，需掌握和了解有关土料的动力工程性质，诸如土的动强度特性、液化特性和动应力应变特性等。为了尽可能正确地了解各种土料的这些性质，除了在现场进行某些原位测试外，还需在室内进行各种动力试验，如动三轴试验、动扭剪三轴试验、动单剪试验、振动台试验和共振柱三轴试验等。
动应力作用下土的力学性状与动剪应变幅γ的关系大致如下：
γ≤10-5为弹性阶段；γ=10-5-10-4为弹性向塑性的过渡阶段；γ=10-4-2х10-2为弹塑性阶段；γ>2х10-2为塑性变形阶段。
通常所说的小应变指γ≤10-5；中等应变为γ=10-5-10-3；大应变指γ=10-3-2х10-2；破坏应变指γ≥2х10-2。
当γ>10-3时，由于往返加荷，土的特性会发生较大的变化，饱和土的孔隙水压力会发生变化，干土或非饱和土则会发生体积变化。
共振柱试验适用于γ=10-5-10-3；动三轴、动单剪、动扭剪及振动台试验则适用于γ=10-4-10-1。GDS研究型动三轴仪动三轴仪一般由三轴压力室、轴向及侧向加压系数、测量、记录和监视系统等主要部分组成。可按试样尺寸、激振方式及受力方式等分类如下：
（1）按照试样尺寸分类，可分为小型动三轴仪、中型动三轴仪及大型动三轴仪。
（2）按激振方式分类，分为惯性力式动三轴仪、电磁式动三轴仪、电液伺服式动三轴仪、电气式动三轴仪、摆式加荷动三轴仪。
（3）按接受力方式分类，可分为单向激振式动三轴、双向激振式动三轴、振动扭剪三轴仪、共振柱仪、平面应变动三轴仪。 
英国GDS动三轴仪国内使用最多，南京工业大学、东南大学、中南大学及中科院成都山地灾害与环境研究所等30多家岩土科研单位在使用GDS动三轴。代表型号为： 
DYNTTS 电机控制的动三轴仪
英国GDS 电机控制的动三轴仪（DYNTTS）将三轴压力室和动力驱动器合为一体，从压力室底座施加轴向力和轴向变形。压力室由装有马达驱动的基座螺旋传动。当没有选择径向动力驱动器时，通过平衡锤消除动态试验对恒定围压的影响。系统由在MS Windows中运行的GDSLAB软件来控制。任一循环的数据都可以实时记录和显示出来。
GDS动三轴仪有2Hz、5Hz及10Hz等版本，其中10Hz系统可实现双向振动三轴试验。  GDS动三轴仪
GDS特种三轴仪
特种三轴仪简介常规三轴试验及直剪试验具有很多优点，目前已经得到广泛采用，但在模拟实际土体的受力状态和加卸荷载路径方面仍有如下不足之处：
（1）应力状态为轴对称。这种应力状态仅符合基础与轴对称的建筑物，如水塔、油罐、烟囱及其他塔形建筑。因此，按轴对称三轴试验所测得的土的本构关系、强度特征等，不能正确反映非轴对称状态下土的特性。
（2）常规三轴试验中，中主应力σ2与小主应力σ3均相等，而在实际工程中，σ2与σ3（或σ1）并不相等，是随σ1（σ3）的变化而变化。
（3）常规三轴试验中，三个主应力（σ1、σ2、σ3）的方向均固定不变。而施工的土工构筑物，在荷载变化的过程中，主应力方向随之不断地转动。
（4）试样的应力分布不均匀。在试样的横断面内，中心与边缘的应力分布不均匀，对试验结果有一定影响。
（5）难以模拟较复杂的应力路径，如主轴方向转动、主应力变化等。
鉴于以上所述，土工研究者们先后发展了各种特种三轴试验，如空心扭剪三轴试验、平面应变试验、真三轴试验等。这些试验在一定程度上克服了常规三轴试验的不足，其特点是考虑了中主应力σ2的影响。GDS空心圆柱扭剪仪空心圆柱试验与常规三轴试验最大的区别在于其试验的试样为空心圆柱形。试验时对试样的内外壁分别施加径向应力。在试样的端部施加轴向力，然后沿试样顶面施加绕轴心的扭力矩，使试样受到环向剪切力。随着环向剪切力的增加，试样的大主应力和小主应力的方向随之转动。
英国GDS空心圆柱扭剪仪（SS-HCAI）可以控制3个主应力的大小和方向。用于进行以下研究：土的各向异性、主应力旋转的结果和中主应力旋转的结果等。该系统可完成非常小的轴向应变测试，最小应变可达0.00004%。  空心圆柱扭剪仪GDS真三轴仪GDS真三轴仪（TTTS）可以直接给立方体的试样从X、Y和Z三个方向施加不同的应力，实现真正的三轴受力，用于研究复杂的加载过程，主应力旋转现象，平面应变等复杂三轴受力情况。 GDS真三轴仪在英国试验室已经得到实际应用。  真三轴仪