張家港晟泰克智能儀器有限公司 楊熙章

同濟大學地下建筑與工程系 吳曉峰

一、概述

       迄今為止，盡管很多的土力學專家，教授以及從事土質試驗的工程技術人員對土的應力路徑的試驗研究和理論分析，取得的一定的成果和明確的結論，但是試驗和實踐仍在不斷的改進和深化。因為應力路徑試驗，就同一種土而言，采用的不同的試驗裝置或者是不同的加荷方式或者是不同的固結條件，其應力變化過程和應變的關系是不同的。

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

        應力路徑的不同，一般來說對于土的強度參數c^’，φ^’值影響不大，但對于土的變形特征卻又強烈的影響，或者說對于理想的均質土來說，不論是排水或固結不排水，三軸壓縮或是三軸伸長的不同應力路徑，其有效強度指標c，φ值差別不大，而對于各向異性土即帶有層狀結構的土樣來說，不同的智能應力路徑三軸試驗，不僅對于強度參數產生很大影響，而且對于變形指標也將是很大差異，因此智能應力路徑三軸試驗作為三軸試驗的一個特殊條件，對于工程實踐中應用研究是值得注意的問題。

二、應力路徑儀的主要技術指標及構造

       本公司吸收消化根據早期倫敦帝國學院開發的成果，設計和試制了與目前正在由英國的ELE公司和WF公司以及GDS公司生產了類似的智能應力路徑三軸儀，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力和等應變的自動化裝置。其結構緊湊，簡單，體積小，重量輕，功能全，操作方便。

       這種儀器可以進行常規的三軸壓縮試驗，在不同的側壓力條件下獲取應力應變關系和強度參數。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土壓力，被動土壓力和靜止土壓力土的變形特征。

1、主要技術指標

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：內設水下荷重傳感器，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，活塞的上下運動是采用滾動膜片和直線軸承。壓力室底座上設有圍壓，孔壓，排水，反壓等閥門。

       圍壓的液壓控制器：圍壓控制由單片機組成的觸摸屏控制系統并有步進電機驅動液壓筒的傳壓活塞同時由液壓傳感器反饋實時壓力進行自動控制。可以進行等應變控制或等應力控制。

       軸壓的液壓控制器：軸壓控制由單片機組成的觸摸屏控制系統，并有步進電機驅動液壓筒的傳壓活塞，對三軸壓力室底部的滾動隔膜活塞壓力腔進行加壓載，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力控制體系。如果進行等應變控制的三軸應力路徑試驗，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，其數字信號（孔壓值）由輸入單片機儲存

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

       反壓液壓控制器：反壓控制由單片機組成的觸摸屏控制系統并有步進電機驅動液壓筒的傳壓活塞同時由液壓傳感器反饋實時反壓力進行自動控制。其土樣排水量由反壓液壓控制器實測

三、智能應力路徑三軸試驗

       1、本次應力路徑試驗，采用三個不同的應力路徑進行。

       第1 種試驗方法即常規三軸試驗，首先，試樣在三軸壓力室內進行不同的固結壓力下等向固結，然后進行不排水剪同時測定空隙壓力，通常稱為等向固結三軸壓縮試驗。

       第2 種方法為不等向固結，將土樣在三軸壓力室內進行K₀固結，其中固結過程中采用應力控制法，K₀系數通通過靜止側壓力儀獲得，待固結穩定后再進行三軸壓縮試驗并測其空隙水壓力，通常成為K₀固結壓縮試驗。

       第3 種試驗方法與第二種試驗方法的K₀固結過程相同，然后進行三軸伸長試驗，伸長試驗為分別在軸壓不變的情況下不斷連續施加圍壓直至破壞。

       2、試驗用土，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，土樣性質為淤泥質粘質粉土，其水平向層理結構明顯，俗稱“千層餅”，屬于亞粘土與薄層粉砂、輕亞粘土互層。其中主要理力學參數指標如表1所示。

       3、試驗資料整理

       ①采用鄧肯（Duncan）和康德納(Kondner)方法 ，三軸試驗的應力與應變近似的雙曲線關系 。如果將偏差應力σ₁-σ₃縱坐標軸改為

       則雙曲線變為直線。這樣從該直線上很容易確定a，b數值，得到在所對應的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；b為主應力差漸近值；（σ₁-σ₃）為ult的倒數；ε_a為軸向應變；(σ₁-σ₃)_f為試驗破壞時主應力差；R_f為破壞比，數值小于1，其定義為：

      根據簡布（Janbu）對壓縮試驗研究初始模量E_i和與固結壓力σ₃表示如下：

       式中：k、n為試驗確定的參數，由E_i與σ₃關系求得；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。

附表1：智能應力路徑三軸試驗土的主要物理力學試驗指標

       ②摩爾強度包線。圖2-10-18為等向固結三軸壓縮強度摩爾包線；圖2-10-19為K₀固結三軸壓縮強度摩爾包線；圖2-10-20為K₀固結三軸生長強度摩爾包線。

       ③三種試驗方法的應力與應變關系曲線見圖2-10-21和圖2-10-22。

       ④三軸試驗方法經數據處理后獲得的歸一曲線見圖2-10-23至圖2-10-28

        4、根據簡布（Janbu）對三種應力路徑試驗的初始切線模量E_i與固結壓力σ₃在雙對數坐標中關系圖見圖2-10-29。

試驗附圖：

三種試驗后結果如圖所示。

四、試驗結果分析

        1、對具有層理構造的各向異性粘性土，表明在三種不同應力狀態和應力路徑的三軸 試驗，結果是不同的。

        2、智能應力路徑三軸試驗儀可以模擬土體在各種不同的應力狀態下進行不同路徑的三軸試驗，如深基坑開挖時大主應力的卸載和小主應力的卸載，此時可以獲得土體的應力應變關系。或者在地面荷載不變的條件下即σ₁不變，減小σ₃，此時的應力路徑試驗可以獲得相應的應力應變關系，同樣在σ₁不變條件下，增加σ₃的被動土壓力狀態也可以獲得相應的應力應變關系等等。

        3、智能應力路徑三軸試驗對土體的穩定性分析和土壓力的變形計算以及建筑的沉降分析具有較高的實用價值，值得試驗研究。

        4、本報僅對成層土的三種應力狀態下的智能應力路徑三軸試驗，表明從強度包線和強度的參數結果認為：K₀固結的三軸伸長試驗的強度為等向固結三軸試驗強度的一半，這是值得大家研究的問題。

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

        6、筆者認為我們應該在從事理論研究的同時，必須切實的研究與實踐的關系，有條件的多做一些工程實踐的分析。