散粒體巖土材料各向異性的室內真三軸試驗方法與流程
2023-10-10 17:02:39
本發明涉及一種室內真三軸試驗方法，特別是涉及一種散粒體巖土材料各向異性的室內真三軸試驗方法，屬於巖土工程三維複雜應力條件下巖土材料力學特性及其應用研究領域。
背景技術：
土力學最初完全建立在以金屬等材料試驗為基礎的經典彈性，彈塑性理論體系之上，這些經典理論難以對複雜具有很強結構性的土體材料，尤其是散粒體巖土材料的力學行為做出真實、合理的描述和分析；室內試驗作為土體力學行為的直接再現，是土體本構關係研究，土體穩定與變形分析的重要基礎。土力學本身的特點決定了試驗在其研究發展過程中的重要作用。土力學的發展，以試驗為基礎，而提出的理論，又要由試驗來檢驗；作為土力學發展基礎的原狀土取土技術，室內土工試驗技術，原位測試技術，模型試驗技術等，為土力學的發展提供了強有力的支持，為建立和驗證土體本構模型提供試驗依據。
常規土工室內試驗，如三軸試驗，一維固結試驗等等，在土力學的最初發展階段起了重要作用，是土力學從傳統力學框架內分離出來的重要內容和標誌。但是，隨著土工問題的複雜化和對土體特性認識的不斷深化，建立在軸對稱條件下的以常規三軸試驗為代表的常規試驗，不能滿足對於土體在複雜應力條件下應力應變關係的認識和穩定變形分析的要求，以真三軸為代表的能夠反映土體在複雜應力狀態下和複雜邊界條件下應力應變規律的試驗儀器和方法不斷湧現，如真三軸儀、空心圓柱扭剪儀等。其中，真三軸儀以其能夠反映土體在三個主應力狀態下的應力應變關係，工作原理清晰，發展相對成熟，操作相對簡單，是研究土體複雜應力狀態下應力應變關係的重要試驗工具，但相應的真三軸試驗方法，尤其是針對複雜應力條件下散粒體各向異性力學特性的試驗方法研究不足。
在土力學發展的最初階段，原狀土體的穩定和變形，如地基承載力和沉降是人們所關心的重要問題，這種比較簡單的問題可以被簡化為一維問題。因此，早期的試驗儀器以直剪儀和單向壓縮儀為代表。在進行單向固結試驗中，壓縮儀中的試樣實際上處於無側向變形邊界條件下，只適用於地基中較薄的可壓縮性土層受到大面積荷載的條件；直剪儀在施加荷載期間，中主應力的方向雖然不變，但大主應力和小主應力方向有變化，雖然根據破壞時候的正應力和剪應力，可以計算出大，小正應力，但中主應力無法得到；而且，剪應力的分布也很不均勻，並不能得到真實的應力應變關係。上述簡單應力路徑的試驗方法也較為成熟。
在工程實踐中，土體單元所經歷的實際應力路徑是複雜多變的，三維應力條件下，不同加荷方式，不同應力條件下，土體的穩定和變形問題大量存在，如市政工程建設中深、大型基坑的開挖和支護導致的應力狀態的改變；地基處理中真空預壓方法抽、卸真空所引起的小主應力的改變；水利工程中高土石壩蓄水導致的內部單元應力狀態的變化等，許多工程實例也證明不考慮材料的三維複雜應力狀態和不同加荷方式引起的各向異性的計算方法是不完善的；另一方面，現有室內試驗手段有限，大多數常用土體本構模型都建立在常規三軸試驗基礎上，只能對軸對稱條件下，軸向加荷條件的應力應變特徵進行描述，再加以各向同性的假設推廣到其他方向，而且不能反映三維應力條件下的強度特徵。真三軸試驗通過從三個主應力方向分別施加荷載增量，能實現模擬真實的土體三維應力狀態以及從不同方向加荷的不同應力路徑。
雖然目前已有通過真三軸試驗對土體的力學特性進行模擬和研究，但作為一種複雜應力狀態下的非常規室內試驗方法，還很少有系統的試驗方法研究，而且現有的少量真三軸試驗方法也都集中於不同三維應力條件下土體強度特性的研究，對應力應變關係的研究還很少，而要開展符合真實三維應力狀態下不同應力路徑的巖土應力應變規律並開展應力變形數值分析，必須依據相應的室內真三軸應力路徑試驗方法，開展符合工程實際的複雜應力條件下應力路徑真三軸試驗，才能對土體在複雜應力狀態下的各向異性應力應變關係進行合理描述。
技術實現要素：
本發明的主要目的在於，克服現有技術中的不足，提供一種散粒體巖土材料各向異性的室內真三軸試驗方法，可以得到散粒體巖土材料在複雜狀態下的各向異性應力應變規律，不僅可以對複雜應力狀態下的散粒體巖土材料的強度理論進行研究，同時對複雜應力條件下散粒體巖土材料的各向異性應力應變能全面模擬。
為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案是：
一種散粒體巖土材料各向異性的室內真三軸試驗方法，包括以下步驟：
1）準備待試驗的散粒體巖土材料；
2）根據室內常規土體物理力學特性試驗，獲得散粒體巖土材料的基本物理力學性質和相關參數；
3）採用砂雨法，用散粒體巖土材料製備散粒體真三軸立方體試樣；並分別通過從沉積方向和垂直沉積方向這兩個方向開展單向加載試驗，比較兩個方向的應力應變關係曲線，使得散粒體真三軸立方體試樣處於各向同性初始狀態後進入下一步；
4）對處於各向同性初始狀態的散粒體真三軸立方體試樣進行兩階段加載，分別從大主應力方向、中主應力方向和小主應力方向這三個主應力方向上施加應力；
第一階段加載時，保持三個主應力方向上施加相等的等向初始應力，使得散粒體真三軸立方體試樣仍處於各向同性初始狀態；
第二階段加載時，分別從三個主應力方向上施加不等向應力增量，使得散粒體真三軸立方體試樣處於各向異性初始狀態；
5）根據實際工況中土體單元所經歷應力路徑，給處於各向異性初始狀態的散粒體真三軸立方體試樣施加與土體單元所經歷應力路徑相符的實際工況應力路徑；
6）監測並記錄步驟5）施加實際工況應力路徑的試驗過程中的應力、應變隨應力增量的變化，得到散粒體真三軸立方體試樣的宏觀力學特性曲線；
7）根據步驟6）獲得的散粒體真三軸立方體試樣的宏觀力學特性曲線，並結合步驟2）獲得的散粒體巖土材料的基本物理力學性質和相關參數，經整理，分別計算初始彈模、泊松比、屈服軌跡和應力峰值，從而獲得三維複雜應力條件下散粒體巖土材料的各向異性應力應變特性和各向異性強度特性。
本發明進一步設置為：所述步驟2）中的相關參數包括密度、含水率、比重、顆粒級配和滲透特性。
本發明進一步設置為：所述步驟3）中的製備散粒體真三軸立方體試樣，具體步驟為，
3-1）設計散粒體真三軸立方體試樣的尺寸為長L、寬B、高H；
3-2）在真三軸儀器底座上放置L×B×0.5cm的透水石，在透水石上放置同樣面積大小的浸泡過的飽和濾紙，然後將橡皮膜套放在底座上，再先後用橡皮墊片和壓緊框，通過定位螺絲固定在底座上，保證橡皮膜下端與壓力室底板密封；
3-3）將對開承模筒從中主應力方向套住橡皮膜並用定位螺栓固定，完成對開承模筒及橡皮膜的安裝；
3-4）將脫氣水從開口於底座的下排水管階段性、緩慢注入橡皮膜，稱量好的土樣置於漏鬥，通過橡皮膜頂端開口，均勻分層灑入，每層灑完後，用金屬棒均勻振搗；注水，灑砂，振搗，如此反覆，直至土樣全部裝畢；平整砂樣頂部，將浸泡後的濾紙覆於砂樣上，加透水石、加壓帽，用定位螺栓固定，使試樣完全密封在橡皮膜內；
3-5）將脫氣水通過底座的下排水管，滲透通過試樣，頂出試樣內殘存空氣，經過加壓帽上的上排水管排出；再用氣球在連接上排水管的滴定管開口處吸氣，產生微小負壓，使試樣能夠站立；除去對開承模筒，安置中主應力加壓裝置，固定傳感器，密封壓力室；然後，通過反壓飽和，使得試樣飽和度達到95％以上，完成製備。
本發明進一步設置為：所述金屬棒的直徑為5mm。
本發明進一步設置為：所述步驟6）中的宏觀力學特性曲線包括不同主應力方向應力增量-不同主應力方向應力增量-應變曲線。
本發明進一步設置為：所述步驟7）中的屈服軌跡包括p-q平面屈服軌跡和偏平面屈服軌跡。
本發明進一步設置為：根據所述步驟7）中的各向異性應力應變特性和各向異性強度特性，分別建立散粒體巖土材料的本構模型和強度準則，進而通過編制相應程序段，獲得三維複雜應力條件下考慮各向異性力學特性巖土工程的數值分析。
與現有技術相比，本發明具有的有益效果是：
1、傳統普通三軸試驗和一般真三軸試驗方法均需要加以各向同性假設，它們均不能滿足真實三維應力空間條件下，複雜加荷應力路徑對散粒體巖土各向異性應力應變規律的影響，無法描述工程中廣泛存在的應力各向異性以及相關的變形和穩定問題。而本發明的真三軸試驗方法，通過室內試驗模擬散粒體巖土材料原生各向異性和應力各向異性的表現規律，通過對試驗結果的比較和分析，可揭示土體各向異性力學特性在應力應變關係和強度理論方面的體現。
2、本發明提出的檢驗試樣製備方法引起的各向異性方法，通過對經過砂雨法製備的真三軸試樣從垂直沉積方向的某一方向施加應力增量，檢驗其他兩個主應力方向的應力變形規律，可以對試樣的初始各向異性程度進行檢驗；應力路徑試驗開始前，通過施加等向的小主應力，可以保證試驗初始各向同性，從而消除裝樣引起的結構各向異性；再通過施加不同的複雜應力狀態，模擬實際土體單元的初始不等向應力狀態，可以對試樣的原生各向異性進行模擬；在此基礎上再根據實際應力路徑從不同主應力方向施加應力增量，從而可以分別開展單向加荷以及複雜應力路徑加荷，從而模擬應力各向異性。因此，本發明提出的真三軸應力路徑試驗方法，可以得到散粒體巖土材料在複雜狀態下的各向異性應力應變規律，不僅可以對複雜應力狀態下的散粒體巖土材料的強度理論進行研究，同時對複雜應力條件下散粒體巖土材料的各向異性應力應變能全面模擬。
3、本發明憑藉真三軸試驗在散粒體巖土材料複雜應力條件下各向異性應力應變關係研究的優勢，為散粒體巖土材料各向異性力學特性的本構模型和數值模擬提供了新的研究思路。並根據室內複雜應力路徑真三軸試驗結果，開展相應各向異性土體本構模型研究工作，建立相應本構模型，應用到應力變形數值模擬，對工程實踐中複雜應力路徑條件下土體應力變形規律進行模擬，分析穩定與變形，並從施工或設計方面提出改進措施，從而對實際工程具有一定的指導意義。
上述內容僅是本發明技術方案的概述，為了更清楚的了解本發明的技術手段，下面結合附圖對本發明作進一步的描述。
附圖說明
圖1為本發明的實施過程流程圖；
圖2為本發明的採用砂雨法製備試樣及各向同性初始狀態驗證的實施過程流程圖；
圖3為本發明的單向加載應力路徑示意圖；
圖4為本發明的複雜應力路徑加載示意圖。
具體實施方式
下面結合說明書附圖，對本發明作進一步的說明。
如圖1所示，本發明提供一種散粒體巖土材料各向異性的室內真三軸試驗方法，包括以下步驟：
1）準備待試驗的散粒體巖土材料。
2）根據室內常規土體物理力學特性試驗，獲得散粒體巖土材料的基本物理力學性質和相關參數；其中，相關參數包括密度、含水率、比重、顆粒級配和滲透特性。
3）採用砂雨法，用散粒體巖土材料製備散粒體真三軸立方體試樣；並分別通過從沉積方向（一般為豎直方向）和垂直沉積方向（一般為水平方向）這兩個方向開展單向加載試驗，比較兩個方向的應力應變關係曲線，使得散粒體真三軸立方體試樣處於各向同性初始狀態後進入下一步，如圖2所示。
其中，製備散粒體真三軸立方體試樣，具體步驟為，
3-1）設計散粒體真三軸立方體試樣的尺寸為長L、寬B、高H；
3-2）在真三軸儀器底座上放置L×B×0.5cm的透水石，在透水石上放置同樣面積大小的浸泡過的飽和濾紙，然後將橡皮膜套放在底座上，再先後用橡皮墊片和壓緊框，通過定位螺絲固定在底座上，保證橡皮膜下端與壓力室底板密封，防止試驗中漏水；
3-3）將對開承模筒從中主應力方向套住橡皮膜並用定位螺栓固定，防止裝樣過程中產生的不必要擾動，完成對開承模筒及橡皮膜的安裝；
3-4）將脫氣水從開口於底座的下排水管階段性、緩慢注入橡皮膜，稱量好的土樣置於漏鬥，通過橡皮膜頂端開口，均勻分層灑入，每層灑完後，用直徑為5mm的金屬棒均勻振搗；注水，灑砂，振搗，如此反覆，直至土樣全部裝畢；平整砂樣頂部，將浸泡後的濾紙覆於砂樣上，加透水石、加壓帽，用定位螺栓固定，使試樣完全密封在橡皮膜內；
3-5）將脫氣水通過底座的下排水管，滲透通過試樣，頂出試樣內殘存空氣，經過加壓帽上的上排水管排出；再用氣球在連接上排水管的滴定管開口處吸氣，產生微小負壓，使試樣能夠站立；除去對開承模筒，安置中主應力加壓裝置，固定傳感器，密封壓力室；然後，通過反壓飽和，使得試樣飽和度達到95％以上，完成製備；再根據試驗需要施加初始等向固結壓力及其他初始固結壓力，如圖2所示。
4）對處於各向同性初始狀態的散粒體真三軸立方體試樣進行兩階段加載，分別從大主應力方向、中主應力方向和小主應力方向這三個主應力方向上施加應力；
第一階段加載時，保持三個主應力方向上施加相等的等向初始應力，使得散粒體真三軸立方體試樣仍處於各向同性初始狀態；
第二階段加載時，分別從三個主應力方向上施加不等向應力增量，使得散粒體真三軸立方體試樣處於各向異性初始狀態。
如圖3所示為單向加載應力路徑示意圖，先在一定等向圍壓下等向固結，從垂直於裝樣的一個方向進行單向加載，考察三個方向的變形規律；當垂直於裝樣方向的另外兩個方向的應變增量相等時，判斷試樣處於初始各向同性狀態；當垂直於裝樣方向的另外兩個方向上的應變增量不等時，則判斷試樣處於初始各向異性狀態。
5）根據實際工況中土體單元所經歷應力路徑，給處於各向異性初始狀態的散粒體真三軸立方體試樣施加與土體單元所經歷應力路徑相符的實際工況應力路徑。
如圖4所示為複雜應力路徑加載示意圖，首先施加一定圍壓σ3，等向固結穩定後，在σ3基礎上根據試驗要求按比例分別增加大主應力σ1和中主應力σ2至某一值，使試樣處於初始三向應力狀態下；再次固結穩定後，開始根據試驗要求施加單向應力增量或者其他應力路徑荷載增量，試驗過程中量測試樣的三向應變增量。
6）監測並記錄步驟5）施加實際工況應力路徑的試驗過程中的應力、應變隨應力增量的變化，得到散粒體真三軸立方體試樣的宏觀力學特性曲線；其中，宏觀力學特性曲線包括不同主應力方向應力增量-不同主應力方向應力增量-應變曲線。
7）根據步驟6）獲得的散粒體真三軸立方體試樣的宏觀力學特性曲線，並結合步驟2）獲得的散粒體巖土材料的基本物理力學性質和相關參數，經整理，可以分別得到球應力和偏應力空間應力路徑、偏平面上屈服軌跡、應力增量和應變增量關係、球應力和體積應變、偏應力和偏應變等關係，根據試驗要求分別計算初始彈模、泊松比、屈服軌跡和應力峰值，從而獲得三維複雜應力條件下散粒體巖土材料的各向異性應力應變特性和各向異性強度特性；其中，屈服軌跡包括p-q平面屈服軌跡和偏平面屈服軌跡。
可根據各向異性應力應變特性和各向異性強度特性，分別建立散粒體巖土材料的本構模型和強度準則，進而通過編制相應程序段，獲得三維複雜應力條件下考慮各向異性力學特性巖土工程的數值分析。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵及優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。