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本文作者：盛佳韌武朝軍葉冠林王建華作者單位：上海交通大學

自動控制剛柔復合真三軸儀

1三軸室構造特點

真三軸儀根據3向應力邊界條件可分為剛性、柔性和剛柔復合3種形式。剛性真三軸儀以Airey等[13]設計的采用6塊滑動加壓板的劍橋真三軸儀為代表，優點是土樣在3個方向均能發生較大變形，但存在剛性板與土體摩擦、剛性板之間摩擦影響土樣受力的缺點，試樣安裝過程也較為繁瑣[14]；柔性真三軸儀以Ko等[15]發明的剛性框架加6個加壓囊的模式為代表，儀器組裝相對簡便，6個柔性加壓面能保證試樣表面受力均勻，但相鄰柔性加壓囊容易產生相互干擾。復合型真三軸儀可分為1個方向剛性加荷和2個方向剛性加荷2種。趙錫宏、邵生俊開發的復合真三軸儀屬于一個方向剛性加荷[9,11]，另2個方向采用柔性囊或壓力室內液壓加載。Green于1969年發明的復合真三軸儀屬于2個方向剛性加荷，1、2由剛性加壓板提供，3由壓力室內水壓直接作用在試樣外橡皮膜上[11]。但此類復合真三軸儀存在2個問題：（1）因構造原因無法實現π面上0°～360°的任意洛德角應力路徑試驗，即小主應力3由圍壓室內水壓施加，導致其大小不能超過豎直方向和水平剛性板方向的應力。（2）軸向剛性板容易與中主應力方向剛性板相互頂托（見圖1），影響試樣的受力與變形。本次研究所用的自動控制復合真三軸儀[16]與1983年Nakai[4]開發的壓力室結構相似（見圖2），兩對剛性加壓板分別施加豎直與水平向壓力，另2個面由壓力室內水壓加壓。該種類型壓力室較為巧妙地設計解決了上述2個問題，具體解決方法如下：（1）通過改變橡皮膜位置實現π面上0°～360°的任意洛德角應力路徑試驗。一般復合真三軸儀的橡皮膜只包裹住土樣，剛性板在橡皮膜外（見圖3(a)），水平方向剛性板施加在土樣上的應力等于壓力室內水壓與剛性板壓力之和，無法小于圍壓室的水壓；而Nakai將橡皮膜設計于剛性板之外（見圖3(b)），通過與剛性板相連的水平向氣缸施加壓力或拉力，可實現剪切時土樣在該方向上所受壓力小于圍壓室內水壓，以此達到進行0°～360°的任意洛德角試驗的目的。（2）通過用豎向剛性板1、圍壓室水壓施加2、水平方向剛性板施加3的加載方法，保證在剪切時兩對剛性板朝相反方向運動，不相互頂托。一些學者為解決這一問題提出了不少方案。Lade等[17]于1973年設計了軟木和金屬板復合的中主應力方向加壓板來解決這個問題（見圖4）。復合中壓板的垂直方向剛度十分小，軸向鋼板壓在其上時能不受太大抗力自由變形；而水平方向剛度相當大，水平向可以等效為剛性板。殷宗澤等[18]在1999年開發了類似設計的ZSY-1型復合真三軸儀；而Yin等[10]在2010年采取的方法是將Hambly等提出的剛性真三軸儀滑動板設計方法應用于復合真三軸儀兩對剛性板上。本試驗使用的壓力室橡皮膜包于剛性加壓板之外，使得0°～60°的洛德角試驗中，軸向剛性板施加的1，水平剛性板夠施加3，即豎直方向發生壓縮變形，水平剛性板方向發生拉伸變形，解決了相鄰剛性板相互頂托問題。相對于Lade[2]與Yin[10]等的解決方法，這種方法在構造上較為簡單，有利于設備在長時間的固結與排水試驗中保持穩定，同時能避免兩對剛性板同時向里壓時造成的相互頂托問題。作者的大量試驗也證實了其在排水試驗中的可靠性。

2本文所做改進

本試驗機在Nakai三軸室的基礎上做了改進：（1）減小了試樣尺寸，現為8.0cm×8.0cm×5.0cm，可以減少黏土試樣排水時間，有利于進行排水剪切試驗。（2）將軸向荷載傳感器安裝在壓力室內（見圖2），減小了密封襯套摩擦對軸力測定的影響。自主開發了新的配套自動控制裝置，采用自編控制軟件、微機、D-A轉換卡、電–空調壓閥(E/Pregulator)，對3個方向主應力進行實時、無級自動控制；利用應力、變形、孔壓和體變傳感器和TDS300數據采集儀對土體三向應力、變形、孔壓與體積變化進行自動測量。改造后的真三軸儀能進行精細復雜的應力路徑試驗，裝置見圖5。系統的詳細介紹可參考文獻[16]。上海軟土壓縮性較大，固結過程中兩對剛性板容易發生相互頂托。為此，本次試驗采用預切較大尺寸試樣方法（通過多次嘗試可知，得到8.5cm×8.5cm×5.3cm對于上海④號軟土較為合適），保證土樣固結完成后剛性板沒有相互接觸，且固結完成后尺寸基本為8.0cm×8.0cm×5.0cm，將邊角效應降到最低。

土樣獲取與儀器組裝

本次研究所用上海④號軟土從上海龍華地區某地鐵車站基坑開挖現場取得，埋深為8.0m，是灰色飽和粉質黏土。采用分塊抽樣法取土，在切成立方體的土樣外包裹保鮮膜、鋁箔、紗布并蠟封，能夠較大程度地保存土體在自然條件下的特性。包裹后的土樣見圖6。試樣制備與儀器安裝流程如下：（1）采用對土樣擾動較小的鋼絲鋸將土樣切成預定大小（8.5cm×8.5cm×5.3cm）（見圖7），在6個面上貼上濾紙。（2）在兩對加壓不銹鋼板上涂抹潤滑用硅脂，并貼上特氟龍薄膜，以減小不銹鋼加壓板與土樣之間的摩擦。（3）在加壓鋼板之間拉好乳膠膜，將試樣放置在橡皮膜內，向試樣與橡皮膜間加水以排出空氣。（4）組裝壓力室，并向內注水，接好儀表和各類管線。（5）在控制軟件中設定土樣固結壓力，剪切應力路徑、固結、剪切時間和自動測量時間間隔等參數，開始進行試驗。

試驗方法與結果分析

1試驗方法

先進行等向固結，然后進行不同洛德角排水剪切試驗，研究上海軟黏土在三向應力狀態下的強度特性。土樣的基本物理特性見表1。固結壓力都取為100kPa（大于8m埋深土體初始固結應力，為正常固結），固結時間為5d，用根號t法確定固結是否結束；剪切時在如圖8所示π面內1區中取5個洛德角（0°、15°、30°、45°和60°）。剪切過程中采用應力控制的方法控制3個主應力沿設定的洛德角應力路徑變化。為保證排水剪切過程中土樣內孔壓完全消散，剪應力增加速率控制在0.33kPa/h，每個試樣剪切時間設置約為10d左右。

2試驗結果分析

由圖中可以看出，上海原狀軟土的抗剪強度隨著洛德角的增大，有不斷降低的趨勢，60°拉伸強度比0°壓縮強度低大約27%左右；土體強度在破壞前隨應變一直增加，沒有出現結構性較強黏土在較低圍壓下應變軟化現象，這可能與試驗采用應力控制加載有關。各個洛德角試驗曲線屈服點與破壞點位置見圖10。圖10中，破壞點取的是最先達到極限應力的點，屈服點位置按照雙線性方法得到。采用雙線性方法確定彈性界限（屈服點）位置的方法由Tavenas提出[19]，Prashant將其應用于高嶺土真三軸試驗中應用[20]。該方法假設屈服點前后應力-應變關系為斜率不同的線性關系，斜率突變點就是屈服點所在位置。如圖所示，洛德角為45°時試樣初始彈性部分剛度相對最小，60°時最大，而其余角度初始剛度大小相近；土體屈服和破壞點對應的d值隨著洛德角的增大有下降趨勢。如圖11所示，體積變化量與洛德角間基本有著先增大后減小的趨勢；在30°時體變達到峰值。初始階段體變速度隨著洛德角的增大而增大。上海原狀軟土π面上破壞面見圖12。圖12中，各個洛德角下極限強度采用歸一化強度參數s/p。可以看出，上海原狀軟土在三向應力狀態下破壞面與實際工程數值模擬中常用的劍橋模型、Drucker-Prager模型所用的vonMises破壞準則有明顯的不同。與Mohr-Columb準則和Lade-Duncan準則相比，試驗數據與Nakai和Matsuoka提出的空間滑移面（SMP）破壞準則[4]較為接近，但還是有一定出入。這可能與上海原狀軟土的初始沉積各向異性有關，作者擬對此進行進一步研究。