張家港晟泰克智能儀器有限公司 楊熙章

同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系 吳曉峰

一、概述

       迄今為止，盡管很多的土力學(xué)專家，教授以及從事土質(zhì)試驗(yàn)的工程技術(shù)人員對(duì)土的應(yīng)力路徑的試驗(yàn)研究和理論分析，取得的一定的成果和明確的結(jié)論，但是試驗(yàn)和實(shí)踐仍在不斷的改進(jìn)和深化。因?yàn)閼?yīng)力路徑試驗(yàn)，就同一種土而言，采用的不同的試驗(yàn)裝置或者是不同的加荷方式或者是不同的固結(jié)條件，其應(yīng)力變化過程和應(yīng)變的關(guān)系是不同的。

       盡管一般認(rèn)為，應(yīng)力路徑是指土體在外力作用下，土中某一點(diǎn)的應(yīng)力變化的過程在應(yīng)力坐標(biāo)圖中的軌跡，它是描述土體在外力作用下的應(yīng)力狀態(tài)及其變化過程的一種方法，同一種土體制備成相同規(guī)格的試樣，采用不同的應(yīng)力路徑和不同的試驗(yàn)手段使之破壞，其應(yīng)力變化過程是不相同的。

        應(yīng)力路徑的不同，一般來說對(duì)于土的強(qiáng)度參數(shù)c^’，φ^’值影響不大，但對(duì)于土的變形特征卻又強(qiáng)烈的影響，或者說對(duì)于理想的均質(zhì)土來說，不論是排水或固結(jié)不排水，三軸壓縮或是三軸伸長(zhǎng)的不同應(yīng)力路徑，其有效強(qiáng)度指標(biāo)c，φ值差別不大，而對(duì)于各向異性土即帶有層狀結(jié)構(gòu)的土樣來說，不同的智能應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)，不僅對(duì)于強(qiáng)度參數(shù)產(chǎn)生很大影響，而且對(duì)于變形指標(biāo)也將是很大差異，因此智能應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)作為三軸試驗(yàn)的一個(gè)特殊條件，對(duì)于工程實(shí)踐中應(yīng)用研究是值得注意的問題。

二、應(yīng)力路徑儀的主要技術(shù)指標(biāo)及構(gòu)造

       本公司吸收消化根據(jù)早期倫敦帝國(guó)學(xué)院開發(fā)的成果，設(shè)計(jì)和試制了與目前正在由英國(guó)的ELE公司和WF公司以及GDS公司生產(chǎn)了類似的智能應(yīng)力路徑三軸儀，該儀器由液壓操縱伺服控制，無需加壓框架的三軸壓力室的等應(yīng)力和等應(yīng)變的自動(dòng)化裝置。其結(jié)構(gòu)緊湊，簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，功能全，操作方便。

       這種儀器可以進(jìn)行常規(guī)的三軸壓縮試驗(yàn)，在不同的側(cè)壓力條件下獲取應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度參數(shù)。特別是該儀器可模擬符合土體在不同的工況條件下的主動(dòng)土壓力，被動(dòng)土壓力和靜止土壓力土的變形特征。

1、主要技術(shù)指標(biāo)

圍壓：0-2MPa；分辨率：1kPa；線性誤差：0.3%；

軸壓：0-6MPa（水下傳感器）；分辨率：3kPa；線性誤差：0.3%；

位移：0-30mm；分辨率0.01mm；線性誤差：0.3%；

孔壓：0-2MPa；分辨率：1kPa 線性誤差：0.3%；

反壓：0-1MPa；分辨率：1kPa；線性誤差：0.3%；

體變：0-50ml；分辨率：0.01ml；線性誤差：0.3%；

土樣直徑：39.1mm；

土樣高度：80mm。

2、組成部分

       三軸壓力室：內(nèi)設(shè)水下荷重傳感器，安裝在試樣頂部，試樣的底部是安裝在加壓活塞頂部，加壓活塞的底部是活塞壓力腔，活塞的上下運(yùn)動(dòng)是采用滾動(dòng)膜片和直線軸承。壓力室底座上設(shè)有圍壓，孔壓，排水，反壓等閥門。

       圍壓的液壓控制器：圍壓控制由單片機(jī)組成的觸摸屏控制系統(tǒng)并有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓筒的傳壓活塞同時(shí)由液壓傳感器反饋實(shí)時(shí)壓力進(jìn)行自動(dòng)控制。可以進(jìn)行等應(yīng)變控制或等應(yīng)力控制。

       軸壓的液壓控制器：軸壓控制由單片機(jī)組成的觸摸屏控制系統(tǒng)，并有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓筒的傳壓活塞，對(duì)三軸壓力室底部的滾動(dòng)隔膜活塞壓力腔進(jìn)行加壓載，并有土樣上端的水下荷重傳感器與液壓筒里的壓力傳感器組成等應(yīng)力控制體系。如果進(jìn)行等應(yīng)變控制的三軸應(yīng)力路徑試驗(yàn)，將液壓控制器按流量控制軸向位移。

      孔隙壓力傳感器：安裝在壓力室土樣底部，其數(shù)字信號(hào)（孔壓值）由輸入單片機(jī)儲(chǔ)存

      軸向位移傳感器：安裝在壓力室側(cè)面的固定座上，下端其活動(dòng)的位移量由壓力室加壓活塞的懸臂梁的位移產(chǎn)生。

       反壓液壓控制器：反壓控制由單片機(jī)組成的觸摸屏控制系統(tǒng)并有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓筒的傳壓活塞同時(shí)由液壓傳感器反饋實(shí)時(shí)反壓力進(jìn)行自動(dòng)控制。其土樣排水量由反壓液壓控制器實(shí)測(cè)

三、智能應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)

       1、本次應(yīng)力路徑試驗(yàn)，采用三個(gè)不同的應(yīng)力路徑進(jìn)行。

       第1 種試驗(yàn)方法即常規(guī)三軸試驗(yàn)，首先，試樣在三軸壓力室內(nèi)進(jìn)行不同的固結(jié)壓力下等向固結(jié)，然后進(jìn)行不排水剪同時(shí)測(cè)定空隙壓力，通常稱為等向固結(jié)三軸壓縮試驗(yàn)。

       第2 種方法為不等向固結(jié)，將土樣在三軸壓力室內(nèi)進(jìn)行K₀固結(jié)，其中固結(jié)過程中采用應(yīng)力控制法，K₀系數(shù)通通過靜止側(cè)壓力儀獲得，待固結(jié)穩(wěn)定后再進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)并測(cè)其空隙水壓力，通常成為K₀固結(jié)壓縮試驗(yàn)。

       第3 種試驗(yàn)方法與第二種試驗(yàn)方法的K₀固結(jié)過程相同，然后進(jìn)行三軸伸長(zhǎng)試驗(yàn)，伸長(zhǎng)試驗(yàn)為分別在軸壓不變的情況下不斷連續(xù)施加圍壓直至破壞。

       2、試驗(yàn)用土，采用試坑法，從坑底直接取樣，取土器用200×200×200mm正方形取土盒，取樣深度地表以下5m左右，地下水位在地表以下1m左右，土樣性質(zhì)為淤泥質(zhì)粘質(zhì)粉土，其水平向?qū)永斫Y(jié)構(gòu)明顯，俗稱“千層餅”，屬于亞粘土與薄層粉砂、輕亞粘土互層。其中主要理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

       3、試驗(yàn)資料整理

       ①采用鄧肯（Duncan）和康德納(Kondner)方法 ，三軸試驗(yàn)的應(yīng)力與應(yīng)變近似的雙曲線關(guān)系 。如果將偏差應(yīng)力σ₁-σ₃縱坐標(biāo)軸改為

       則雙曲線變?yōu)橹本€。這樣從該直線上很容易確定a，b數(shù)值，得到在所對(duì)應(yīng)的σ₃作用下的E_i和（σ₁-σ₃）ult。

       可改寫為

       式中：a為初始切線模量E的倒數(shù)；b為主應(yīng)力差漸近值；（σ₁-σ₃）為ult的倒數(shù)；ε_a為軸向應(yīng)變；(σ₁-σ₃)_f為試驗(yàn)破壞時(shí)主應(yīng)力差；R_f為破壞比，數(shù)值小于1，其定義為：

      根據(jù)簡(jiǎn)布（Janbu）對(duì)壓縮試驗(yàn)研究初始模量E_i和與固結(jié)壓力σ₃表示如下：

       式中：k、n為試驗(yàn)確定的參數(shù)，由E_i與σ₃關(guān)系求得；P_a為大氣壓力，單位與E_i相同，以便使k成為無因次的數(shù)。

附表1：智能應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)土的主要物理力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)

       ②摩爾強(qiáng)度包線。圖2-10-18為等向固結(jié)三軸壓縮強(qiáng)度摩爾包線；圖2-10-19為K₀固結(jié)三軸壓縮強(qiáng)度摩爾包線；圖2-10-20為K₀固結(jié)三軸生長(zhǎng)強(qiáng)度摩爾包線。

       ③三種試驗(yàn)方法的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線見圖2-10-21和圖2-10-22。

       ④三軸試驗(yàn)方法經(jīng)數(shù)據(jù)處理后獲得的歸一曲線見圖2-10-23至圖2-10-28

        4、根據(jù)簡(jiǎn)布（Janbu）對(duì)三種應(yīng)力路徑試驗(yàn)的初始切線模量E_i與固結(jié)壓力σ₃在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中關(guān)系圖見圖2-10-29。

試驗(yàn)附圖：

三種試驗(yàn)后結(jié)果如圖所示。

四、試驗(yàn)結(jié)果分析

        1、對(duì)具有層理構(gòu)造的各向異性粘性土，表明在三種不同應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑的三軸 試驗(yàn)，結(jié)果是不同的。

        2、智能應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)儀可以模擬土體在各種不同的應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行不同路徑的三軸試驗(yàn)，如深基坑開挖時(shí)大主應(yīng)力的卸載和小主應(yīng)力的卸載，此時(shí)可以獲得土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。或者在地面荷載不變的條件下即σ₁不變，減小σ₃，此時(shí)的應(yīng)力路徑試驗(yàn)可以獲得相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，同樣在σ₁不變條件下，增加σ₃的被動(dòng)土壓力狀態(tài)也可以獲得相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等等。

        3、智能應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)對(duì)土體的穩(wěn)定性分析和土壓力的變形計(jì)算以及建筑的沉降分析具有較高的實(shí)用價(jià)值，值得試驗(yàn)研究。

        4、本報(bào)僅對(duì)成層土的三種應(yīng)力狀態(tài)下的智能應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)，表明從強(qiáng)度包線和強(qiáng)度的參數(shù)結(jié)果認(rèn)為：K₀固結(jié)的三軸伸長(zhǎng)試驗(yàn)的強(qiáng)度為等向固結(jié)三軸試驗(yàn)強(qiáng)度的一半，這是值得大家研究的問題。

        5、三種應(yīng)力路徑試驗(yàn)條件下的成層粘性土的變形參數(shù)，非線性彈性參數(shù)k，n值以及初始切線模量E_i都有明顯差異。

        6、筆者認(rèn)為我們應(yīng)該在從事理論研究的同時(shí)，必須切實(shí)的研究與實(shí)踐的關(guān)系，有條件的多做一些工程實(shí)踐的分析。