在岩土工程领域，准确把握土体的力学特性对于保障各类工程设施的安全与稳定至关重要。三轴压缩试验作为测定土体抗剪强度的重要手段，其中的固结不排水剪试验（Consolidated Undrained Shear Test，简称 CU 试验），以其独特的试验条件设定与数据输出，为我们深入了解土体在复杂应力环境下的行为提供了一扇关键窗口。它模拟了诸多实际工程场景中土体所经历的受力过程，在道路桥梁建设、高层建筑地基设计、堤坝工程等众多项目里发挥着不可替代的作用。

一、试验设计逻辑：源于工程实际的模拟策略

在自然界与工程环境中，土体常处于复杂的应力状态，承受来自上覆荷载、侧向土压力以及地下水渗流等多方面的作用。当土体在一定压力下完成排水固结后，可能会遭遇快速施加的额外荷载，比如突增的建筑活载、暴雨引发的短时强附加应力等，此时土体来不及排水，其力学响应与排水条件下截然不同。固结不排水剪试验正是基于此类现实情况构建，旨在精准复现土体这种先固结、后在不排水条件下受剪的过程，从而获取关键的强度参数，为工程设计提供可靠依据。

从理论根基来看，试验遵循土力学中的有效应力原理与莫尔 - 库仑破坏准则。有效应力原理指出，土体的变形与强度主要取决于有效应力，即总应力减去孔隙水压力。而莫尔 - 库仑破坏准则表明，土体发生剪切破坏时，破坏面上的剪应力与法向应力满足特定线性关系，其表达式为/(au_f = c + /sigma an/varphi/)，其中/(au_f/)为抗剪强度，/(c/)为黏聚力，/(/sigma/)为破坏面上的法向应力，/(/varphi/)为内摩擦角。CU 试验通过精确量测试验过程中的总应力、孔隙水压力变化，结合试样变形数据，能够准确推导出土体的总应力抗剪强度指标/(c_{cu}/)、/(/varphi_{cu}/)以及有效应力抗剪强度指标/(c'/)、/(/varphi'/)，这对于全面评估土体在不同工况下的稳定性意义重大。

二、试验系统构成：多组件协同的精密体系

（一）三轴压力室：模拟复杂应力场的核心空间

三轴压力室是试验的核心组件，通常由透明有机玻璃或高强度金属制成，能清晰观察试样状态且承受高压力。试样被密封在压力室内，周围充满液体（一般为水），通过调节液体压力，可对试样施加均匀围压/(/sigma_3/)，模拟土体在原位所受的侧向压力。压力室顶部配备可移动活塞，用于施加轴向压力/(/sigma_1/)，其移动精度直接影响轴向应力施加的准确性。压力室设计需兼顾密封性、耐压性与可视性，确保试验过程中压力稳定且能实时监测试样变化。例如，在研究软黏土的 CU 试验中，压力室需精准控制围压在 0 - 200kPa 甚至更高范围，以模拟不同深度土层所受侧向压力。

（二）加载控制系统：精准施力的智能中枢

加载控制系统负责施加围压与轴向压力，包含压力泵、调压阀、伺服电机等部件。围压加载部分能根据设定程序，稳定且连续地改变围压大小，加载速率可在 0.01 - 1kPa/s 范围内精确调节，满足不同试验需求。轴向加载则通过伺服电机驱动丝杆，带动活塞对试样施加轴向力，电机可精确控制活塞移动速度，对应不同土体类型设定合适的剪切速率，如黏性土一般为 0.05% - 0.1%/min，粉土为 0.1% - 0.5%/min 。该系统还配备高精度压力传感器，实时反馈压力值，保证加载精度在 ±1% 以内，确保试验数据可靠性。

（三）孔隙水压力量测系统：捕捉孔隙水压力变化的 “探针”

此系统由孔隙水压力传感器、数据采集仪组成，用于实时监测试验过程中试样孔隙水压力变化。孔隙水压力传感器通常采用高精度的压力敏感元件，安装在试样底部或中部，能迅速感知孔隙水压力微小波动。传感器将压力信号转化为电信号，传输至数据采集仪，采集仪以高频率（如 10Hz）记录数据，形成孔隙水压力 - 时间曲线。通过分析这些曲线，可清晰了解土体在固结与剪切阶段孔隙水压力的产生、消散与累积过程，为有效应力计算提供关键数据。比如在饱和砂土 CU 试验中，孔隙水压力在剪切初期快速上升，可能预示着土体接近液化状态，对评估砂土抗液化性能意义重大。

（四）变形量测系统：记录试样变形的 “记录仪”

变形量测系统用于测量试样在试验过程中的轴向变形与体积变形。轴向变形一般通过高精度位移传感器测量，传感器安装在压力室顶部，直接监测活塞位移，进而换算为试样轴向变形，分辨率可达 0.001mm 。体积变形则通过测量排水管路中水量变化间接获得，在试样固结阶段，记录排水量随时间变化，可计算土体固结沉降量与固结系数；在剪切阶段，结合轴向变形与围压变化，利用相关公式可推算试样体积变化，反映土体剪胀或剪缩特性，这对理解土体变形机制十分关键。

三、试验操作流程：严谨有序的科学实践

（一）试样制备与安装：奠定试验基础的精细工序

试验需准备 3 - 4 个同类型试样，尺寸一般为直径 35 - 101mm、高度为直径 2 - 2.5 倍的圆柱体。原状土样需小心采集，避免扰动，用钢丝锯或切土器切削成标准尺寸，确保两端平整且垂直于轴线，切削过程中若遇小石子或凹坑，可用余土修整。扰动土样则根据预定干密度与含水量，在击实器内分层击实制备，粉质土分 3 - 5 层，黏质土分 5 - 8 层，各层土料量相等且接触面刨毛，保证试样均匀性。

试样安装时，先将压力室底座的透水石与管路系统充水排气，放上滤纸，再将试样套上乳胶膜，防止水分流失与压力室液体侵入。对于渗透性低的黏土，可在试样周围贴浸湿滤纸条加速固结。安装好压力室罩，充水并确保无残留气泡，连接好孔隙水压力、变形量测系统线路，调整各系统初始读数。

（二）固结阶段：模拟土体压实过程

开启孔隙水压力阀与排水阀，施加预定围压/(/sigma_3/)，让试样在围压作用下排水固结。此阶段，通过测记排水管水面及孔隙水压力值，监测固结进程，直至孔隙水压力消散 95% 以上，表明固结基本完成。关闭排水阀，记录此时排水管读数与孔隙水压力读数。微调压力机升降台，使活塞与试样接触，记录轴向变形指示计变化值，此为试样固结时的高度变化，反映土体在围压下的压实程度。例如，在深厚软土地基模拟试验中，固结时间可能长达数天甚至数周，需耐心监测。

（三）剪切阶段：揭示土体强度特性

将轴向测力计、轴向变形指示计及孔隙水压力读数归零，选择合适剪切应变速率启动电机开始剪切。在剪切过程中，按一定轴向应变间隔（如黏性土每 0.3% - 0.4%、粉质土每 0.7% - 0.8%）测记测力计读数（换算为轴向压力）、孔隙水压力与轴向变形值。当测力计读数出现峰值，继续剪切至超过 5% 轴向应变；若读数无峰值，则剪切至轴向应变为 15% - 20% 。此过程可获得完整的应力 - 应变曲线、孔隙水压力 - 应变曲线，据此计算主应力差、有效主应力、孔隙水压力系数等关键参数，揭示土体在不排水剪切条件下的强度与变形特性。

（四）试验后处理：数据挖掘与试样分析

试验结束，关闭电机与各阀门，打开排气阀排除压力室内水，拆除试样。仔细描述试样破坏形状，如出现明显剪切带、鼓胀或崩解等现象，分析其与土体性质、受力状态的关联。称量试样质量并测定含水率，与试验前数据对比，了解试样水分与质量变化。整理试验过程中记录的大量数据，绘制应力 - 应变、孔隙水压力 - 应变等关系图，运用土力学理论公式计算抗剪强度指标，为后续工程分析提供数据支撑。

四、试验数据解读：洞察土体力学行为的密码

（一）应力 - 应变曲线分析：解读土体变形与强度发展

从 CU 试验获得的应力 - 应变曲线，可直观反映土体在剪切过程中的力学响应。曲线起始段，随着轴向应变增加，主应力差（/(/sigma_1 - /sigma_3/)）近似线性增长，此为弹性阶段，土体表现出可恢复变形，遵循胡克定律，可据此估算土体初始弹性模量。当应变继续增大，曲线斜率变缓，进入弹塑性阶段，土体开始产生不可恢复的塑性变形，内部颗粒结构逐渐调整、重排。最终，曲线达到峰值或出现应变软化现象，对应土体的剪切破坏状态，峰值主应力差即为土体在该围压下的抗剪强度。不同类型土体曲线形态差异显著，如密实砂土曲线常呈现明显峰值与应变软化，而软黏土曲线可能较为平缓，峰值不突出且应变软化不明显，这与土体颗粒组成、密实度、黏聚力等性质密切相关。

（二）孔隙水压力变化剖析：揭示土体内部应力重分布

孔隙水压力在 CU 试验中的变化蕴含着土体内部应力重分布的关键信息。在固结阶段，孔隙水压力随时间逐渐消散，反映土体孔隙中水分排出、有效应力增加、土体压实的过程。剪切初期，孔隙水压力迅速上升，这是由于土体颗粒间相对位移，孔隙体积减小，孔隙水来不及排出，导致孔隙水压力累积，有效应力降低，土体抗剪强度随之下降。随着剪切进行，孔隙水压力变化趋势与土体剪胀或剪缩特性有关，剪胀性土（如密实砂土）在剪切后期孔隙水压力可能下降，因土体体积膨胀，孔隙增大，孔隙水压力消散；而剪缩性土（如软黏土）孔隙水压力持续上升或保持稳定。通过分析孔隙水压力系数（如初始孔隙水压力系数/(B/)、破坏时孔隙水压力系数/(A_f/)），可定量评估土体在不同应力状态下孔隙水压力变化规律，深入理解土体变形与破坏机制。

（三）抗剪强度指标确定：评估土体稳定性的关键参数

根据试验数据绘制不同围压下的莫尔应力圆，作这些应力圆的公切线，即得到土体的抗剪强度包线。抗剪强度包线在纵轴上的截距为黏聚力/(c_{cu}/)（总应力指标）或/(c'/)（有效应力指标），反映土体颗粒间的胶结作用与咬合阻力；包线与横轴夹角的正切值为内摩擦角/(/varphi_{cu}/)（总应力指标）或/(/varphi'/)（有效应力指标），体现土体颗粒间摩擦特性。这些抗剪强度指标是评估土体稳定性的核心参数，在边坡稳定性分析、地基承载力计算等工程应用中，直接决定设计方案的安全性与经济性。例如，在某边坡工程中，依据 CU 试验获得的抗剪强度指标，运用极限平衡法计算得出边坡安全系数，为边坡加固措施制定提供关键依据。

五、工程应用场景：支撑岩土工程决策的基石

（一）道路桥梁工程：保障路基与基础稳定

在道路桥梁建设中，路基与桥梁基础常建于不同地质条件土体上。通过 CU 试验获取地基土抗剪强度指标，可准确计算地基承载力，合理设计基础尺寸与埋深。对于填方路基，了解填土在不同压实度、含水量下的抗剪强度，有助于确定填筑方案，防止路基在自重与交通荷载作用下发生剪切破坏、沉陷等病害。在桥梁墩台基础设计中，考虑地基土在施工与运营阶段可能承受的快速加载（如打桩振动、车辆冲击荷载），利用 CU 试验数据评估地基稳定性，确保桥梁结构安全。如在某跨江大桥建设中，对深厚软土地基开展 CU 试验，为设计超长桩基础提供了关键参数，保障了大桥在复杂地质条件下的稳定。

（二）高层建筑工程：优化地基设计与施工

高层建筑对地基承载能力与稳定性要求。通过 CU 试验测定地基土力学参数，可采用合适地基处理方法（如强夯、CFG 桩复合地基等），提高地基强度与变形模量。在基坑开挖工程中，土体受到卸载与侧向压力变化影响，CU 试验模拟这一过程，为基坑支护结构设计提供土体抗剪强度数据，合理确定支护结构形式、入土深度与支撑间距，防止基坑边坡失稳、土体隆起等事故发生。例如，在某超高层建筑项目中，依据 CU 试验结果优化了桩筏基础设计，减少了基础沉降，提高了建筑整体稳定性。

（三）堤坝水利工程：确保堤坝安全运行

堤坝作为水利工程关键设施，承受着巨大水压力与渗透力。CU 试验用于评估堤坝填土与坝基土抗剪强度，分析堤坝在正常运行、洪水期等工况下的稳定性。通过模拟不同水位变化速率（对应不同加载速率）下土体受力情况，确定堤坝抗滑稳定安全系数，为堤坝加固、防渗措施制定提供依据。如在某大型水库堤坝除险加固工程中，对坝体与坝基土进行 CU 试验，发现部分区域土体抗剪强度不足，据此采取了灌浆加固、增设排水设施等措施，保障了堤坝安全运行。

六、试验误差来源与控制：提升数据质量的关键举措

（一）试样扰动影响及控制

试样在采集、运输、制备过程中易受扰动，破坏土体原有结构，导致试验结果偏差。为减少扰动，原状土样采集应采用薄壁取土器，保持取土器垂直、匀速压入土中，避免冲击与振动。运输过程中用泡沫等软质材料包裹，防止颠簸。试样制备时，切削速度要慢，避免过度挤压，切削后及时用保鲜膜覆盖保湿。对于扰动土样，严格控制击实参数，确保试样均匀性。

（二）仪器系统误差及校准

三轴试验仪器各组件存在系统误差，如压力传感器精度漂移、位移传感器零漂等。定期对仪器进行校准是关键，压力传感器用高精度标准压力源校准，位移传感器用标准量块校准，确保测量精度在允许范围内。每次试验前，检查仪器连接是否松动、管路是否堵塞、密封是否良好，排除潜在故障隐患。

（三）试验操作偏差及规范

试验人员操作不当也会引入误差，如围压与轴向压力加载速率不稳定、孔隙水压力量测滞后等。制定详细、标准化操作流程，加强人员培训至关重要。操作人员应熟练掌握仪器操作，严格按规程控制加载速率、测记数据时间间隔，确保试验过程规范、统一，减少人为操作导致的误差。

固结不排水剪试验作为三轴压缩试验中的重要类型，凭借其科学的设计理念、精密的试验系统、严谨的操作流程与丰富的工程应用，为岩土工程领域提供了深入了解土体力学特性的有效途径。在未来，随着试验技术不断革新、对土体复杂力学行为认知的深化，该试验将持续在各类重大工程建设中发挥关键支撑作用，助力岩土工程行业迈向更高水平。