与无侧限压缩试验和直剪试验相比，三轴剪切试验是一种更可靠的土力学试验方法，可重现原位土体的初始有效应力以及加载的应力应变发展过程。通过三轴剪切试验，可以绘制土的应力-应变关系曲线、应力莫尔圆、抗剪强度包线，并根据需要获得重要的力学参数，如临界状态摩擦角、剪胀角、黏聚力、杨氏模量、泊松比、剪切模量、体积模量、压缩指数、回弹指数等，为岩土工程设计提供依据。

静态三轴试验装置简称静三轴仪，如图1所示。圆柱形试验土样包裹于橡皮膜内，安装于压力室中。在试样底部和顶部的加载压板通过透水石与排水系统相连，用于试样的饱和或排水。在试验过程中，调节压力室内的压力对试样施加围压，然后推动活塞或传力杆对试样施加偏应力，即对试样产生轴向应力，直至试样发生剪切破坏。试样的孔隙水压（不排水试验）或体积变化（排水试验），通常分别采用与试样底部或顶部联通的压力传感器或体变管进行测量。按照轴向载荷施加的控制方式不同，三轴仪可分为应变控制式和应力控制式两类。

图1 静态三轴剪切试验装置示意图

三轴试验主要包括固结排水试验（CD）、固结不排水试验（CU）、不固结不排水试验（UU）三种类型。试验类型标识的第一个字母“C”或“U”代指试验的固结阶段，分别表示固结或不固结；第二个字母“D”或“U”，则代指试验剪切阶段的排水条件，分别表示排水或不排水。选用固结或不固结条件进行试验，取决于所研究土体在受剪切之前的超静孔隙水压是否完全消散。在固结阶段，围压应力水平逐渐增加到所模拟土体的初始应力状态，固结方式可以是各向同性固结（又称各向等压固结）或轴向压力与围压不等的固结。在随后的剪切阶段，若为排水试验，则排水阀门打开（图1），使试样内的孔隙水能排出直至孔压完全消散；若为不排水试验，则排水阀门关闭，不允许孔隙水从试样内排出。在CD和CU试验中，土样首先固结至某一初始有效应力状态。对岩土类摩擦性材料进行试验时，其变形和剪切强度依赖于有效应力，因此固结是一个非常重要的阶段。在各向同性固结过程中，试样受到静水压力作用；排水阀门打开，试样中的孔隙水可以自由排出。对于高渗透性的粗粒土而言，完成固结所需的时间几乎可以忽略；但是对于低渗透性的细粒土，固结过程则需要更长的时间。

图2给出了和应力空间下剪切阶段的加载过程，其中，。在加载过程中，保持不变，随着逐渐增大，总应力莫尔圆由点开始扩展（图2b），相应的总应力路径为空间下的（图2c）。

图2 CD和CU三轴压缩试验

在CD试验过程中，排水阀门打开，超静孔隙水压始终保持为零，总应力等于有效应力，因此总应力路径也是有效应力路径。对于细粒土而言，轴向加载必须非常缓慢，以使超静孔隙水压有足够的时间通过排水系统进行消散。CU试验除了剪切阶段排水阀门须关闭外，其余操作均与CD试验相同。不排水条件限制了饱和试样体积的变化，因此试样内部产生超静孔隙水压，总应力不等于有效应力。因此，总应力路径与非线性的有效应力路径是不重合的（图2c）。但是通过测量的超静孔隙水压可将有效应力路径及有效应力莫尔圆与总应力路径及总应力莫尔圆联系起来，如图2b和图2c所示。

在UU试验中，由于不存在固结阶段，因此试样是在有效应力未知的情况下受到剪切作用，该试验操作过程与CU试验的剪切阶段是相同的。

在三轴试验的剪切过程中，作用于试样上的轴向应力和侧向应力（围压）可以分别减小、增大或保持不变。因此除了上述三种主要类型试验外，三轴试验还可分为三轴压缩（TC）、侧向拉伸（LE）、三轴拉伸（TE）、侧向压缩（TC）等试验，它们在坐标下的应力路径如图3所示。另外，通过对不同情况下的固结（不固结、各向同性固结或固结）和排水条件（排水或不排水）以及轴向和侧向应力的变化（不变、增大或减小）进行组合，三轴试验又可以细分为诸多其他类型。

图3 各向同性固结和K₀固结下的几种三轴试验的应力路径

为了准确测量排水试验中试样的体积变化，或不排水试验中试样内产生的超静孔隙水压，试样必须达到完全饱和状态。三轴试样的饱和方法，主要包括抽气饱和、水头饱和、反压饱和等。

试样的饱和度，可通过孔压系数值进行检测：

   (1)

式中为在不排水条件下施加于试样的围压小增量，该值应足够小（例如取千帕）以防止未完全饱和的试样发生固结；为相应测量得到的孔压变化值。试样的饱和度与值存在如下关系：

    (2)

式中为孔隙水的绝对压力，又称背压；为土的孔隙率；为土的压缩模量。由式(2)可见，当时，试样是完全饱和的。实际中，对于不排水试验，当可满足饱和度要求；对于排水试验，则通常取。

在CU和CD试验中，须控制加载速率以保证试样内的孔压保持均匀。UU试验由于不需要测量孔压，因此通常范围内的加载速率对土的强度影响不大。

在CD试验中，加载速率必须足够缓慢以使超静孔隙水压能够通过透水边界进行完全消散。在选择CD试验加载速率时，首先要确定试样达到剪切破坏所需时间。为此，需估算达到土的峰值强度所需的轴向应变。通过式(3)便可确定轴向加载的最大速率，从而保证经过时间后试样能够达到所需的轴向应变：

       (3)

式中为试样的初始高度；表示固结度达到100%时所需要的时间，可以通过测量固结阶段试样的体积变化进行确定。

在CU试验中，尽管试样在受剪切过程中孔隙水压不断变化，但孔压应尽量保持均匀分布。CU试验加载速率的确定与CD试验相似，但比CD试验快约10倍。在CU试验过程中，孔隙水实际是静止的，超静孔隙水压较CD试验中更加快速地达到均匀分布状态。

自三轴试验问世以来，历经诸多土力学专家的完善，现已成为土力学研究的重要工具。与直剪试验等试验相比，三轴试验可较完整地反映试样受力变形直到破坏的全过程，试样内的应力和应变相对均匀，可以很好地控制排水条件并测量超静孔隙水压，可以进行不同应力路径的试验以反映实际工况。

传统三轴剪切试验的主要局限性是，在试验过程中主应力轴方向是固定不变，并且试样是轴对称的，因此所测量的结果仅代表该特定应力状态下的土力学性质。实际上，土的应力状态十分复杂，包括平面应变以及更为普遍的三维应力状态。往往需要采用平面应变试验仪、真三轴试验仪等专门设备来模拟更加真实的应力状态。土工建筑物地基还会受到动载荷作用，如地震载荷、波浪载荷、车辆及机械运动引起的振动载荷、爆震载荷等。在评估动载荷作用下土工建筑物地基承载力及稳定性时，须利用动三轴、动单剪、空心扭剪、共振柱以及振动台等试验，测试确定土在循环加载及动力载荷下的力学特性。