第一章土工试验及测试 90 小于某粒径之土的百分比 根土排 10 d (mm) 1.原型料2.剔除法3替代法4相似法 图11.11几种模拟方法的级配曲线 5.量测、采集与控制 随着电子技术的发展,各种精确的量测传感元件、数据传送和采集以及控制软件在三轴试验中 得到广泛应用。量测的精度大大提高:数据采集实现了自动化;并且可以按设定的应力路径或应变 路径实现试验的自动化 尤冈文夫( FTatsuoka)对于软岩和硬土试样的三轴试验采用在压力室内量测试样变形的方法 如图1.1.12所示。由于这类试验本身变形很小,尤其是在应力循环时,要求量测应变范围达 0.005%(000005这样的微应变。他们采用在压力室内量测轴向荷载,用一对局部变形传感器 ( LDT Local deformation transducers)在试样侧面直接量测轴向应变。这样就消除了试样端部的 影响,图1.1.13表示的是用LDT和在压力室外量测轴向变形的不同结果,(a)、(b)、(c)、(d)分 别表示不同应变范围。这是软泥岩试样的三轴固结不排水试验。由于透水石和试样端部间的相互作 用,使端部变形占很大比例且表现为卸载时的塑性变形。而用LDT量测在小应变时加载一卸载一再 加载时几乎是完全弹性的
第一章 土工试验及测试 11 5. 量测、采集与控制 随着电子技术的发展，各种精确的量测传感元件、数据传送和采集以及控制软件在三轴试验中 得到广泛应用。量测的精度大大提高；数据采集实现了自动化；并且可以按设定的应力路径或应变 路径实现试验的自动化。 尤冈文夫（F.Tatsuoka）对于软岩和硬土试样的三轴试验采用在压力室内量测试样变形的方法。 如图 1.1.12 所示。由于这类试验本身变形很小，尤其是在应力循环时，要求量测应变范围达 0.005%(0.00005)这样的微应变。他们采用在压力室内量测轴向荷载，用一对局部变形传感器 （LDT,Local deformation transducers）在试样侧面直接量测轴向应变。这样就消除了试样端部的 影响，图 1.1.13 表示的是用 LDT 和在压力室外量测轴向变形的不同结果，(a)、（b）、（c）、（d）分 别表示不同应变范围。这是软泥岩试样的三轴固结不排水试验。由于透水石和试样端部间的相互作 用，使端部变形占很大比例且表现为卸载时的塑性变形。而用 LDT 量测在小应变时加载－卸载－再 加载时几乎是完全弹性的
第一章土工试验及测试 外部量测轴位移 量力盒 透水石 尼龙网 滤纸 钢板 石膏板 橡皮膜 应变片 LDT 胶 图11.12三轴压缩试验的量测方法
第一章 土工试验及测试 12
第一章土工试验及测试 External ILDT External E“3136 Slart ol unloading Slart ef unloading 000200oo4Dcoo60e801 a)Ea:0~08%(b)Ea:0~0.1(c)En:0~0.01 (d)E:0~0.001 图1.1.13软岩上固结不排水三轴试验中不同量测方法的应力应变关系 1.1.4真三轴试验 在上述的三轴试验中,其根本的不足是其中有两个主应力总是相等的。从三轴仪面世以来,人 们就力图实现“真正”的三个主应力可以实现独立变化的试验,亦即真三轴试验。早在1936年,克 捷曼( Kjellman)就设计过六块刚性板在三个方向独立施加主应力的仪器,但仪器本身的复杂性及 各方面的相互干扰使其没有得到广泛的应用。早期的真三轴试验主要是用于研究中主应力对土的强 度的影响,尤其是侧重于对平面应变条件下的变形和强度特性的研究,所以相对来讲边界干扰并不 是十分关键的问题。随着土的本构关系理论的发展,人们更加迫切要求实现更复杂的应力路径,以 更加系统、全面、深入地揭示土的应力应变强度关系;另外也借助于复杂应力路径来验证本构模型, 以检验它们的适用的普遍性,从而大大推动更精细的真三轴仪的研制和高水平的试验技巧的发展。 目前的真三轴仪可以分为两大系列:改造的真三轴仪与盒式的真三轴仪。 早期人们为了变化中主应力2,很自然地想到在原三轴压力室中将试样改成长方体,并安装 对侧向压力板施加σ2。其特点是试样有一对面是暴露在压力室中,优点是减少这个方向上与其他两 方向边界间的干扰:;也比较容易形成和观察到如剪切面等破坏形式。缺点是三个方向并不能完全“独 立”地施加大、中、小主应力。一般讲露在压力室中的面作用的是小主应力,即使在轴向可以施加 拉力,压力室中暴露的面上也不能作用大主应力。这样很难进行如应力路径在π平的6个角域中自 由变化的真三轴试验,使试验应力路径受到限制 图11.14表示的是劳(Lo)等人设计的真三轴仪,它是在压力室中加入一对复合水平加压板 试样尺寸为140mm×80mm×80mm。测向加压板是一对柔性囊,内部有一尺寸稍小的刚性金属板 紧压在试样表面。这样既避免了与上下边界间相互干扰,也使得试样变形较为均匀,在这一对侧面 没有暴露的间隙
第一章 土工试验及测试 13 1.1.4 真三轴试验 在上述的三轴试验中，其根本的不足是其中有两个主应力总是相等的。从三轴仪面世以来，人 们就力图实现“真正”的三个主应力可以实现独立变化的试验，亦即真三轴试验。早在 1936 年，克 捷曼（Kjellman）就设计过六块刚性板在三个方向独立施加主应力的仪器，但仪器本身的复杂性及 各方面的相互干扰使其没有得到广泛的应用。早期的真三轴试验主要是用于研究中主应力对土的强 度的影响，尤其是侧重于对平面应变条件下的变形和强度特性的研究，所以相对来讲边界干扰并不 是十分关键的问题。随着土的本构关系理论的发展，人们更加迫切要求实现更复杂的应力路径，以 更加系统、全面、深入地揭示土的应力应变强度关系；另外也借助于复杂应力路径来验证本构模型， 以检验它们的适用的普遍性，从而大大推动更精细的真三轴仪的研制和高水平的试验技巧的发展。 目前的真三轴仪可以分为两大系列；改造的真三轴仪与盒式的真三轴仪。 早期人们为了变化中主应力σ 2 ，很自然地想到在原三轴压力室中将试样改成长方体，并安装一 对侧向压力板施加σ 2 。其特点是试样有一对面是暴露在压力室中，优点是减少这个方向上与其他两 方向边界间的干扰；也比较容易形成和观察到如剪切面等破坏形式。缺点是三个方向并不能完全“独 立”地施加大、中、小主应力。一般讲露在压力室中的面作用的是小主应力，即使在轴向可以施加 拉力，压力室中暴露的面上也不能作用大主应力。这样很难进行如应力路径在π平的 6 个角域中自 由变化的真三轴试验，使试验应力路径受到限制。 图 1.1.14 表示的是劳（Lo）等人设计的真三轴仪，它是在压力室中加入一对复合水平加压板。 试样尺寸为140mm×80mm×80mm。测向加压板是一对柔性囊，内部有一尺寸稍小的刚性金属板 紧压在试样表面。这样既避免了与上下边界间相互干扰，也使得试样变形较为均匀，在这一对侧面 没有暴露的间隙
第一章土工试验及测试 轴向荷载 固定环 金属板 试样 胶膜 排水 图11.14劳(Lo)等人设计的真三轴仪 莱特(Lade)和邓肯( Duncan)所研制的真三轴仪也是这种系列的真三轴仪,见图1.1.15。试 样尺寸为76×76×76mm的立方体,在压力室中有一对侧压力板。它是由软木和不锈钢片互层组成。 其中软木是易于压缩的,并且泊松比接近为0。这对侧向水平加压板通过滚轮安装在刚性框架上, 框架分两部分,上部分固定在竖向加压杆上,下部分与底座固定。这样在竖向加压时,加载杆通过 刚架对侧向板与试样同步加压,尽可能减少了板与试样间摩擦和加载装置间的干扰。半刚性的侧向 加压板也减少了试样的应力分布不均匀。 荷载量测盒 1图1115莱特(ode)和邓肯 图11.16卡尔斯鲁厄大学所使用的 ( Duncan)的真三轴仪简图 真三轴仪的加载和导向系统图 盒式真三轴仪是在立方体(或长方体)试样上的三个方向上设置三个独立的加载系统,从而 形成一个立方体的“盒”。其加载系统的边界可以是刚性的,可以是柔性的,也可以是混合的。 其中最具代表性的是60年代英国剑桥大学亨勃雷( Hambly)及皮阿斯( Pearce)设计和发展 的剑桥式真三轴仪。它历经修改、完善成为进行土的复杂应力路径试验的著名的仪器。其工作
第一章 土工试验及测试 14 莱特（Lade）和邓肯（Duncan）所研制的真三轴仪也是这种系列的真三轴仪，见图 1.1.15。试 样尺寸为 76×76×76mm 的立方体，在压力室中有一对侧压力板。它是由软木和不锈钢片互层组成。 其中软木是易于压缩的，并且泊松比接近为 0。这对侧向水平加压板通过滚轮安装在刚性框架上， 框架分两部分，上部分固定在竖向加压杆上，下部分与底座固定。这样在竖向加压时，加载杆通过 刚架对侧向板与试样同步加压，尽可能减少了板与试样间摩擦和加载装置间的干扰。半刚性的侧向 加压板也减少了试样的应力分布不均匀。 盒式真三轴仪是在立方体（或长方体）试样上的三个方向上设置三个独立的加载系统，从而 形成一个立方体的“盒”。其加载系统的边界可以是刚性的，可以是柔性的，也可以是混合的。 其中最具代表性的是 60 年代英国剑桥大学亨勃雷（Hambly）及皮阿斯（Pearce）设计和发展 的剑桥式真三轴仪。它历经修改、完善成为进行土的复杂应力路径试验的著名的仪器。其工作
第一章土工试验及测试 原理见图1.1.16。试样初始形状为一100×100×100mm的立方体,它被放在刚性板之中。试验 中试样的六个面都被刚性板覆盖。加压刚性板为三对互相垂直的加压杆所驱动,可以是应力控 制,也可以是应变控制。允许每边在60mm~130mm间变化。由于采用了有效的润滑,大大减 少了板与试样间摩擦力,使试样上的剪应力合力只为正应力合力的2%左右,基本上可认为其 边界上作用的是主应力。所以它也可用于砂土试验 这种仪器的优点是很显著的:可以在三个方向上独立施加主应力,并且大、中、小主应力可以 在三个方向自由转换,可作到大约30%的均匀应变而不会使边界互相干扰:并且已基本实现控制和 数据采集自动化。但它的刚性边界容易造成应力分布不均匀:刚性加压板对于破坏时试样剪切带的 形成和观察都会有干扰和影响 真三轴仪常被用来进行在平面上不同应力路径的试验。比如P=常数,同时不同b(0)保持常 数的试验:平面应变试验;在不同方向制样以研究土的各向异性:在π平面上应力路径急剧转折的 试验。其中以在π平面使半径σ不变,应力路径为圆周的试验最有代表性。图1.1.17表示的是正 常固结粘土圆周应力路径和相应应变路径。可见应力路径与应变路径形状不同:当应力回归到原来 出发点时,应变并未回归到原点。目前用真三轴试验进行原状土试验困难较力 01 (a)应力路径 (b)应变路径 图1117正常固结粘土的真三轴试验 在π平面上试验曲线 1.1.5空心圆柱扭剪试验和方向剪切试验 为了全面地揭示土的应力应变关系特性,需要独立变化6个应力分量并量测相应的6个应变分 量:或者独立变化三个主应力并能任意改变它们的方向。可惜目前还没有这样“完全”的试验设备 人们为了研究主应力方向旋转情况下土的力学特点,发展了空心圆柱扭剪仪和方向扭剪仪。空心圆 柱扭剪仪在独立施加内、外压,施加轴向荷载及扭矩时,可以变化G,σ。,G和z。四个应力变 量。亦即可以独立变化三个主应力的大小和在一个方向变化主应力方向,从而实现主应力方向的旋 转。因而是研究主应力旋转对土应力应变关系影响的很有用的仪器。图1.118是这种仪器的简图和 试样受力的状态,在主应力不旋转时,它可以与真三轴仪一样作不同应力路径的真三轴试验
第一章 土工试验及测试 15 原理见图 1.1.16。试样初始形状为一 100×100×100mm 的立方体，它被放在刚性板之中。试验 中试样的六个面都被刚性板覆盖。加压刚性板为三对互相垂直的加压杆所驱动，可以是应力控 制，也可以是应变控制。允许每边在 60mm～130mm 间变化。由于采用了有效的润滑，大大减 少了板与试样间摩擦力，使试样上的剪应力合力只为正应力合力的 2％左右，基本上可认为其 边界上作用的是主应力。所以它也可用于砂土试验。 这种仪器的优点是很显著的：可以在三个方向上独立施加主应力，并且大、中、小主应力可以 在三个方向自由转换，可作到大约 30％的均匀应变而不会使边界互相干扰；并且已基本实现控制和 数据采集自动化。但它的刚性边界容易造成应力分布不均匀；刚性加压板对于破坏时试样剪切带的 形成和观察都会有干扰和影响。 真三轴仪常被用来进行在π平面上不同应力路径的试验。比如 p＝常数，同时不同 b(θ)保持常 数的试验；平面应变试验；在不同方向制样以研究土的各向异性；在π平面上应力路径急剧转折的 试验。其中以在π平面使半径σ oct 不变，应力路径为圆周的试验最有代表性。图 1.1.17 表示的是正 常固结粘土圆周应力路径和相应应变路径。可见应力路径与应变路径形状不同；当应力回归到原来 出发点时，应变并未回归到原点。目前用真三轴试验进行原状土试验困难较大。 1.1.5 空心圆柱扭剪试验和方向剪切试验 为了全面地揭示土的应力应变关系特性，需要独立变化 6 个应力分量并量测相应的 6 个应变分 量；或者独立变化三个主应力并能任意改变它们的方向。可惜目前还没有这样“完全”的试验设备。 人们为了研究主应力方向旋转情况下土的力学特点，发展了空心圆柱扭剪仪和方向扭剪仪。空心圆 柱扭剪仪在独立施加内、外压，施加轴向荷载及扭矩时，可以变化σ r ，σ θ ，σ z 和 ϑ τ z 四个应力变 量。亦即可以独立变化三个主应力的大小和在一个方向变化主应力方向，从而实现主应力方向的旋 转。因而是研究主应力旋转对土应力应变关系影响的很有用的仪器。图 1.1.18 是这种仪器的简图和 试样受力的状态，在主应力不旋转时，它可以与真三轴仪一样作不同应力路径的真三轴试验