刚性滑板加柔性面的真三轴加载装置及岩土材料的真三轴试验结果

刚性滑板加柔性面的真三轴加载装置 及岩土材料的真三轴试验结果 殷建华 周万欢 Md Kumruzzaman 郑俊文 （ 香港理工大学 ， 中国香港 ； 英国） 摘 要 ： 本文介绍了一个新的土力学真三轴仪加载装置 刚性滑板加柔性面的混合边界加载装置 。 利用三维有限 元模型分析了两种不同加载装置对土样应力应变分布的影响 。 分析表明新的刚性滑板的加载设计使土样 中的应力应变更加均匀 。 最后讨论了一组完全风化花岗岩土和一组土工泡沫材料的真三轴试验结果 。 完 全风化花岗岩土的试验中 ， 设定排水剪切在等 p， 不等 b条件下进行 。 土工泡沫材料的试验在等 b ， 不等 p 条件下进行 。 试验结果表明完全风化花岗岩土的最大偏应力随 b值增加而减小 。 土工泡沫材料摩擦角为 负值 ， 具有屈服点随 p值增大而减小的特性 。 关键词 ： 真三轴 ； 加载装置 ； 完全风化花岗岩土 ； 土工泡沫材料 ； 应力路径 1 引 言 岩土工程中常常遇到三维分析的问题 。 测量和研究土单元在三维应力状态下的应力 应变 强度特性具有理论和实践意义 。 本文介绍香港理工大学的土力学真三轴仪系统 ， 特别描述了系统 中的刚性滑板加柔性面的加载装置设计 。 真三轴仪的设计及其试验研究一直是一个活跃并且具有 挑战性的研究领域 。 许多学者研究了第二主应力对于真三轴仪试验中得到的岩土材料的应力 应 变 强度特性的影响 。 本文首先简要回顾真三轴仪的发展 ， 然后介绍一个刚性滑板加柔性面的混合边界加载的真三 轴仪 。 利用三维有限元模型研究了两种不同加载方式对土样应力应变分布的影响 。 最后 ， 利用新 的加载装置对本地土样和岩土泡沫材料进行了真三轴试验 ， 并对试验结果进行了讨论 。 2 真三轴仪发展回顾 真三轴仪的试验土样通常是边长为 mm （或更大）的立方体（或长方体）。 真三轴仪的基本 要求是对土样施加三个主应力 ， 使土样中产生均匀的应力和应变 。 真三轴试验的加载装置可以分 为三种类型 。 以下分别讨论三种加载装置的发展 ， 并讨论其优缺点 。 类型 刚性加载方式 ： 由六个刚性板对土样施加三个直角方向的力 。 其代表是“剑桥式真三 轴仪”中采用的滑动的刚性板加载设计 。 这个设计的问题在于 ： 土样安装比较困难 ； 虽然加载 板的位移是均匀的 ， 但土中的应力和应变并不均匀 ； 安装在刚性加载板上的排水管可能增加土样与 加载板之间的摩擦 。 刚性加载方式设计中 ， 除了采用滑动刚板的设计 ， 有些学者采用三对预留空隙 的刚性板设计 。 这种真三轴仪比滑动刚板式的真三轴仪存在更多问题 。 类型 柔性加载方式 ： 由六个柔性加载囊组成 ， 利用橡胶囊内的液体气体对土样施加三个 直角方向的压力 。 Bell 最早研制了这种柔性边界加载的真三轴仪 。 Ko 和 Scott 讨论了 Bell 的柔性加载设计的优缺点 ， 指出这种设计的最大问题是加载囊仅仅对 的土样表面进行 加载 ， 导致土样内部产生不均匀应力 。 随后许多学者对柔性加载方式的真三轴仪进行了改进和应 ··特邀及专题报告 用 ， 。柔性加载设计的优点有 ： 加载囊内的压力易于控制 ； 土样表面（除了在转角处）的应力基 本均匀 ； 加载囊和土样表面的摩擦较小 。 缺点在于 ： 土样表面的应变非常不均匀 ， 相邻加载囊之间 会相互挤压并产生影响 ； 无法实现大应变的试验 。 类型 混合边界加载方式 ：由刚性板和柔性面组成的混合加载方式 。 Green 首先开发 了混合加载方式的真三轴仪 。 将正方体（或长方体）的土样密封在一个压力室内 。 竖向活塞对土样 施加竖向最大主应力 ， 压力室内的压力控制最小主应力 ， 中间主应力由左右两块刚性板控制 。 在 Green 的真三轴仪加载装置中 ， 竖向与水平加压板之间留有空隙以避免试验中相互挤压 。 而 这个空隙会造成土样中产生不均匀的应力和应变 。 美国 GCTS （Geotechnical Consulting and Testing System） 公司开发的混合加载的真三轴系统也采用了在相邻加载板之间留有空隙的设计 。 这种设计的优点有 ： 压力室内的压力容易控制 ； 竖向和水平板之间存在空隙 ， 不会相互挤压 。 缺点 在于 ： 由于空隙的存在 ， 对土样施加的应力和应变不均匀 ， 土样在转角处会产生不均匀应变 ； 如果预 留空隙太小或压缩应变太大 ， 土样在转角处易产生较大不均匀应力和应变 。 Lade 和 Duncan 开 发了没有预留空隙的混合加载装置 。 装置中两个水平加载板由碾压的不锈钢和轻质木材组成 ， 在 水平方向具有较大模量 ， 而竖直方向可以压缩 。 许多国内外学者采用 Lade 和 Duncan 的设计进 行了真三轴试验 ， 。 这种采用碾压板的混合加载设计的优点在于 ： 压力室内的压力容易控制 ； 上下刚板施加的应变是均匀的 ； 水平加载板施加的应变大体均匀 ； 竖向和水平向加压板之间没有相 互接触问题 ； 可以进行大应变试验 。 这种设计的缺点在于 ： 由于组成侧向碾压板的不锈钢和轻质木 材具有不同的模量 ， 可能导致加载板与土样的接触面不均匀 ， 在土样表面产生摩擦和不均匀应力 ； 即使碾压板中的不锈钢具有较大模量 ， 碾压板仍会在水平向产生压缩变形 ， 从而降低水平位移测量 的准确性 。 3 新的混合边界加载的真三轴仪 香港理工大学土力学实验室的真三轴系统中采用了一个创新的刚性滑板加柔性面的加载装 置 ， 其他必要部件及数据采集系统由美国 GCTS 公司提供 。 图 是 GCTS 公司提供的真三轴系统 中最初的加载装置的照片 。 这个初始设计属于相邻加载板之间预留空隙的混合边界加载类型 。 如 前所述 ， 在空隙太小或是压缩位移太大的情况下 ， 相邻加载板之间会发生接触 。 如果预留空隙过 大 ， 会导致土样中产生很大不均匀的应力和应变 。 图 1 最初的预留空隙的加载装置 ··土工测试新技术 第 届全国土工测试学术研讨会论文集 坠菲峰泽器 幽、1 广、1 曰、1 1 4 I 司曰区 螺洳溪抑 菲粳 人罚 熄湖、1 n 图 2 创新的真三轴仪滑动板加柔性面的加载装置 （a） 示意图 （b） 试验后照片 为了克服上述问题 ， 本文作者设计并开发了一个创新的混合边界的加载装置 ， 如图 所示 。 新 设计中采用 个可以滑动的刚性板设计 ， 其特点如下 ： （a） 土样是 mm × mm × mm 的长方体 ， 由一个相同形状和大小的橡胶膜密封 。 （b） 橡胶膜前后分别设有 个直径为 mm 的孔 ， 如图 所示 。 用特别的连接元件将小孔与塑 料管相连 ， 以实现在真三轴试验中对土样进行排气 ， 反压饱和 ， 以及在固结压缩过程中监 测土样中的水体积变化 。 这个排水设计的优点在于不会在土样表面产生摩擦力 。 （c） 加载装置中有 个可以自由滑动的不锈钢加载板 ， 分别布置在土样的上 、 下 、 左 、 右表面 ， 如图 所示 。 竖向和水平向加载板可自由滑动 ， 在试验过程中始终保持 °。 （d） 加载装置中设有 个加压活塞 。 加载板和加压活塞之间设有不锈钢连接杆 。 在压力室 内 ， 三个荷载传感器分别连接在上 、 左 、 和右边的连接杆上 ， 用来测量施加在土样的荷载 。 （e） 在荷载作用下 ， 加载板在连接杆推动下朝土样中心方向自由滑动 ， 在滑动加载板与橡胶膜 表面之间使用润滑油以减小摩擦 。 （f） 个位移传感器安装在压力室外 ， 与活塞相连 ， 用来测量加载板施加在土样上的位移 ， 用于 计算土样的压缩或应变 。 试验数据采用自动化电子采集 ， 所有传感器都连接到一个控制器上 。 控制器与电脑直接连接 ， 对试验进行控制和数据采集 。 利用 GCTS 公司提供的 CATS 软件可自动控制土样饱和 、 固结 ， 以 及指定的应力或应变路径条件下真三轴试验 。 数据采集频率可以达到 畅 秒 。 控制中采用的 PID 算法用来调整输出通道的数据符合实时的目标指令 。 4 三维数值模拟土样在两种不同加载装置中的应力应变分布 本文利用三维有限元软件 ABAQUS 研究土样在两种不同的混合加载边界（新的刚性滑板 设计 ， 和旧的预留空隙的设计）的真三轴加载装置中的应力 应变的分布情况 。 土样尺寸为 mm × mm × mm 。 考虑到土样在真三轴试验中在三个方向的对称性 ， 三维模型中只需模拟 的土样（尺寸为 mm × mm × mm） ， 如图 所示 。 模型 （图 （a）模拟土样在有刚性滑 板设计的加载装置中 。 模型 （图 （b）模拟土样在有预留空隙固定板设计的加载装置中 。 模型 中的预留空隙分别是 mm 和 mm 。 土样的弹性模量和泊松比分别是 MPa 和 畅 。 模型中的土样采用线性六面体单元划分 。 两个加载板简化为刚性板 ， 用线性四边形单元表示 。 土样表面的橡胶膜与刚性板之间的摩擦接触 ··特邀及专题报告 用库伦模型模拟 ， 摩擦系数为 畅（相当于 °摩擦角）。 模型的计算步骤是 ： （）在土样 个方向上 施加围压荷载 kPa ， 土样建立应力平衡 ； （）在围压 kPa 条件下 ， 对土样在水平和竖直方向的 加载板同时施加的压缩位移 ， uz mm （竖直方向） 和 uy mm （水平方向）。 在压缩过程中 ， 模 型 中的上加载板向下移动 mm ， 而右加载板向左移动 mm ， 同时向下移动 mm 。 模型 中 ， 上 加载板向下移动 mm ， 而右加载板仅向左移动 mm ， 没有竖直方向的移动 。 图 3 两种混合边界加载装置的三维有限元模型 （a）模型 1 ： 刚性滑板设计 ， （b）模型 2 ： 预留空隙设计 压缩过程是一个理想的平面应力问题 ， 即围压保持不变 ：x 。 根据各向同性的线弹性 理论 ： y z E （ ） y z （） 对于 y 畅 和 z 畅 ， 可以得到土样的应力变化 y和 z为 kPa ， 因此土样的应力 、 应变的理论解分别为yz 畅 和yz kPa 。这个理 论解可以用来评价土样在两种加载模型中的应力应变分布情况 。 图 4 三维有限元模拟土样应变分布 （a）模型 1 ： 刚性滑板设计 ， （b）模型 2 ： 预留空隙设计 图 是有限元模拟的土样在两种加载装置中压缩后的应变分布结果 。 图中 “Ey” 代表土样在 y 方向的总应变 ， 即yy。 图 比较了土样在三个平面上的应变分布结果 ： 土样与上部刚性板接触 ··土工测试新技术 第 届全国土工测试学术研讨会论文集 S 2 1 2 寸 丌一Q n 二； 卜_ 十一3 卜_ 十一3 广T 三； L L 3 w暇_+哪孵辟 的表面 ， 与侧面刚性板接触的表面 ， 以及土样在 x 方向的对称面 。 图中列出了在两个模型结果中 最大和最小的应变值（压缩应变为负值）。 从图 中可以看出 ， 模型 中土样大部分面积的应变值 为“ 畅” ， 即 畅 压应变 ； 模型 中压应变为 畅 的面积较小 。 而且 ， 模型