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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(xué)

自動(dòng)控制剛?cè)釓?fù)合真三軸儀

1三軸室構(gòu)造特點(diǎn)

真三軸儀根據(jù)3向應(yīng)力邊界條件可分為剛性、柔性和剛?cè)釓?fù)合3種形式。剛性真三軸儀以Airey等[13]設(shè)計(jì)的采用6塊滑動(dòng)加壓板的劍橋真三軸儀為代表，優(yōu)點(diǎn)是土樣在3個(gè)方向均能發(fā)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(diǎn)，試樣安裝過程也較為繁瑣[14]；柔性真三軸儀以Ko等[15]發(fā)明的剛性框架加6個(gè)加壓囊的模式為代表，儀器組裝相對(duì)簡(jiǎn)便，6個(gè)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(chǎn)生相互干擾。復(fù)合型真三軸儀可分為1個(gè)方向剛性加荷和2個(gè)方向剛性加荷2種。趙錫宏、邵生俊開發(fā)的復(fù)合真三軸儀屬于一個(gè)方向剛性加荷[9,11]，另2個(gè)方向采用柔性囊或壓力室內(nèi)液壓加載。Green于1969年發(fā)明的復(fù)合真三軸儀屬于2個(gè)方向剛性加荷，1、2由剛性加壓板提供，3由壓力室內(nèi)水壓直接作用在試樣外橡皮膜上[11]。但此類復(fù)合真三軸儀存在2個(gè)問題：（1）因構(gòu)造原因無法實(shí)現(xiàn)π面上0°～360°的任意洛德角應(yīng)力路徑試驗(yàn)，即小主應(yīng)力3由圍壓室內(nèi)水壓施加，導(dǎo)致其大小不能超過豎直方向和水平剛性板方向的應(yīng)力。（2）軸向剛性板容易與中主應(yīng)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(dòng)控制復(fù)合真三軸儀[16]與1983年Nakai[4]開發(fā)的壓力室結(jié)構(gòu)相似（見圖2），兩對(duì)剛性加壓板分別施加豎直與水平向壓力，另2個(gè)面由壓力室內(nèi)水壓加壓。該種類型壓力室較為巧妙地設(shè)計(jì)解決了上述2個(gè)問題，具體解決方法如下：（1）通過改變橡皮膜位置實(shí)現(xiàn)π面上0°～360°的任意洛德角應(yīng)力路徑試驗(yàn)。一般復(fù)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(yīng)力等于壓力室內(nèi)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)剪切時(shí)土樣在該方向上所受壓力小于圍壓室內(nèi)水壓，以此達(dá)到進(jìn)行0°～360°的任意洛德角試驗(yàn)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(shí)兩對(duì)剛性板朝相反方向運(yùn)動(dòng)，不相互頂托。一些學(xué)者為解決這一問題提出了不少方案。Lade等[17]于1973年設(shè)計(jì)了軟木和金屬板復(fù)合的中主應(yīng)力方向加壓板來解決這個(gè)問題（見圖4）。復(fù)合中壓板的垂直方向剛度十分小，軸向鋼板壓在其上時(shí)能不受太大抗力自由變形；而水平方向剛度相當(dāng)大，水平向可以等效為剛性板。殷宗澤等[18]在1999年開發(fā)了類似設(shè)計(jì)的ZSY-1型復(fù)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(dòng)板設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于復(fù)合真三軸儀兩對(duì)剛性板上。本試驗(yàn)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(yàn)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(fā)生壓縮變形，水平剛性板方向發(fā)生拉伸變形，解決了相鄰剛性板相互頂托問題。相對(duì)于Lade[2]與Yin[10]等的解決方法，這種方法在構(gòu)造上較為簡(jiǎn)單，有利于設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間的固結(jié)與排水試驗(yàn)中保持穩(wěn)定，同時(shí)能避免兩對(duì)剛性板同時(shí)向里壓時(shí)造成的相互頂托問題。作者的大量試驗(yàn)也證實(shí)了其在排水試驗(yàn)中的可靠性。

2本文所做改進(jìn)

本試驗(yàn)機(jī)在Nakai三軸室的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)：（1）減小了試樣尺寸，現(xiàn)為8.0cm×8.0cm×5.0cm，可以減少黏土試樣排水時(shí)間，有利于進(jìn)行排水剪切試驗(yàn)。（2）將軸向荷載傳感器安裝在壓力室內(nèi)（見圖2），減小了密封襯套摩擦對(duì)軸力測(cè)定的影響。自主開發(fā)了新的配套自動(dòng)控制裝置，采用自編控制軟件、微機(jī)、D-A轉(zhuǎn)換卡、電–空調(diào)壓閥(E/Pregulator)，對(duì)3個(gè)方向主應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)、無級(jí)自動(dòng)控制；利用應(yīng)力、變形、孔壓和體變傳感器和TDS300數(shù)據(jù)采集儀對(duì)土體三向應(yīng)力、變形、孔壓與體積變化進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。改造后的真三軸儀能進(jìn)行精細(xì)復(fù)雜的應(yīng)力路徑試驗(yàn)，裝置見圖5。系統(tǒng)的詳細(xì)介紹可參考文獻(xiàn)[16]。上海軟土壓縮性較大，固結(jié)過程中兩對(duì)剛性板容易發(fā)生相互頂托。為此，本次試驗(yàn)采用預(yù)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(duì)于上海④號(hào)軟土較為合適），保證土樣固結(jié)完成后剛性板沒有相互接觸，且固結(jié)完成后尺寸基本為8.0cm×8.0cm×5.0cm，將邊角效應(yīng)降到最低。

土樣獲取與儀器組裝

本次研究所用上海④號(hào)軟土從上海龍華地區(qū)某地鐵車站基坑開挖現(xiàn)場(chǎng)取得，埋深為8.0m，是灰色飽和粉質(zhì)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(duì)土樣擾動(dòng)較小的鋼絲鋸將土樣切成預(yù)定大小（8.5cm×8.5cm×5.3cm）（見圖7），在6個(gè)面上貼上濾紙。（2）在兩對(duì)加壓不銹鋼板上涂抹潤(rùn)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(nèi)，向試樣與橡皮膜間加水以排出空氣。（4）組裝壓力室，并向內(nèi)注水，接好儀表和各類管線。（5）在控制軟件中設(shè)定土樣固結(jié)壓力，剪切應(yīng)力路徑、固結(jié)、剪切時(shí)間和自動(dòng)測(cè)量時(shí)間間隔等參數(shù)，開始進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

1試驗(yàn)方法

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

2試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖中可以看出，上海原狀軟土的抗剪強(qiáng)度隨著洛德角的增大，有不斷降低的趨勢(shì)，60°拉伸強(qiáng)度比0°壓縮強(qiáng)度低大約27%左右；土體強(qiáng)度在破壞前隨應(yīng)變一直增加，沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)黏土在較低圍壓下應(yīng)變軟化現(xiàn)象，這可能與試驗(yàn)采用應(yīng)力控制加載有關(guān)。各個(gè)洛德角試驗(yàn)曲線屈服點(diǎn)與破壞點(diǎn)位置見圖10。圖10中，破壞點(diǎn)取的是最先達(dá)到極限應(yīng)力的點(diǎn)，屈服點(diǎn)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(diǎn)）位置的方法由Tavenas提出[19]，Prashant將其應(yīng)用于高嶺土真三軸試驗(yàn)中應(yīng)用[20]。該方法假設(shè)屈服點(diǎn)前后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為斜率不同的線性關(guān)系，斜率突變點(diǎn)就是屈服點(diǎn)所在位置。如圖所示，洛德角為45°時(shí)試樣初始彈性部分剛度相對(duì)最小，60°時(shí)最大，而其余角度初始剛度大小相近；土體屈服和破壞點(diǎn)對(duì)應(yīng)的d值隨著洛德角的增大有下降趨勢(shì)。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(shì)；在30°時(shí)體變達(dá)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(gè)洛德角下極限強(qiáng)度采用歸一化強(qiáng)度參數(shù)s/p?？梢钥闯?，上海原狀軟土在三向應(yīng)力狀態(tài)下破壞面與實(shí)際工程數(shù)值模擬中常用的劍橋模型、Drucker-Prager模型所用的vonMises破壞準(zhǔn)則有明顯的不同。與Mohr-Columb準(zhǔn)則和Lade-Duncan準(zhǔn)則相比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與Nakai和Matsuoka提出的空間滑移面（SMP）破壞準(zhǔn)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(guān)，作者擬對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步研究。