淺議粗粒料大型三軸試驗的一些問題

張 堃，姜景山，周 勝，司海鵬

（南京工程學院建筑工程學院，南京 211167）

淺議粗粒料大型三軸試驗的一些問題

張 堃，姜景山，周 勝，司海鵬

（南京工程學院建筑工程學院，南京 211167）

粗粒料是由粒徑較大的顆粒彼此充填而成的堆積體，一般采用大型三軸試驗研究其力學特性。由于顆粒粒徑相對較大造成粗粒料大型三軸試驗中存在一些問題，如橡皮膜的嵌入問題和縮尺效應問題；此外三軸試驗還存在一些共性問題，如端部約束效應、只能模擬軸對稱應力狀態等。在介紹大型三軸試驗原理的基礎上，分析了粗粒料大型三軸試驗中存在的一些問題，并針對存在的問題提出了一些建議。

粗粒料；大型三軸試驗；力學特性；應力狀態；顆粒粒徑

1 引 言

粗粒料一般是由粒徑相對較大的顆粒相互充填而成的顆粒堆積物，具有較高的強度和較小的變形，力學性能較好。由于顆粒粒徑較大，顆粒間的孔隙也較大，因此，粗粒料還具有較好的滲透性能。此外，粗粒料一般可就地取材，因而成本較低，具有較好的經濟性。由于具有上述主要優點，粗粒料被廣泛應用于公路和鐵路的路基工程、河流和航道的護岸工程、河流堤壩工程及土石壩工程等。

粗粒料粒徑較大常采用大型三軸試驗，即物理力學模型來研究其力學特性，并在此基礎上建立粗粒料應力應變關系的數學模型，已經取得了較多的研究成果。針對粗粒料大型三軸試驗進行了總結，對三軸試驗存在的問題進行了分析，以便為更真實準確掌握粗粒料的力學性狀提供依據。

2 大型三軸試驗原理

粗粒料的粒徑較大，為較真實呈現粗粒料的一定應力狀態下的力學響應，一般要求試樣尺寸與顆粒最大粒徑之比不宜小于5。常用的大型三軸試驗試樣為高60 cm、直徑30 cm的圓柱體，雖能模擬粗粒料的最大粒徑為60 mm。相比于中小尺寸的三軸儀，大型三軸儀的尺寸增大，對加載系統、反壓系統、穩壓系統等要求也大為提高，目前常用的30 cm（直徑）×60 cm（高度）的試樣尺寸在技術、經濟和實用上都相對適宜的選擇。

目前粗粒料大型三軸試驗較多開展的是常規三軸壓縮剪切試驗，由于粗粒料透水性較好，多為排水剪切試驗。常規大型三軸排水剪切試驗的原理相對簡單，即首先將準備好的飽和試樣各向等壓固結至試驗要求的圍壓σ3，等固結完成后，保持壓力室的圍壓σ3不變，逐步施加偏應力Δσ1（=σ1-σ3）直至試樣剪切破壞，如圖1所示。應力施加方式有應力控制式和應變控制式，實際常規大型三軸試樣采用應變控制式較多，即施加偏應力時控制試樣軸向應變以一個合理的速率進行剪切。

圖1　常規大型三軸試驗原理

此外，應用大型三軸儀還可以進行其他應力路徑的試驗，如等比例加載、流變試驗、濕化試驗、K0固結大型三軸試驗等。大型三軸儀一般由加載系統、反壓系統和測量系統組成。由于常規大型三軸試驗通過圓柱形壓力室內的液體（水）來施加周圍壓力σ3，因此，小主應力σ3和中主應力σ2都等于圍壓σ3，三軸試樣的應力狀態模擬的是軸對稱的應力狀態。

3 端部約束的影響

粗粒料大三軸試樣擊實完成后，會將橡皮膜通過玻璃膠和乳膠管等材料固定在三軸儀剛性的底座和上端加載帽上，以達到密封試樣使試樣與三軸儀壓力室隔離開來。由于剛性端部加載面和端部橡皮膜密封作用的影響，導致粗粒料試樣在端部附近的變形受到較大的約束作用，特別是較大的應力水平狀態下，試樣端部和中部產生較大的不均勻變形，致使粗粒料試樣呈現明顯的鼓形形態。

試樣端部土體受到剛性加載端約束的現象，早已被人們所注意，泰勒用不同高徑比的試樣來研究端部約束的影響。通過試驗發現當高徑比大于或等于2時，端部約束對試樣強度的影響就可忽略不計。其他學者也有類似的發現，如Bishop和Norris等通過三軸試驗表明，當試樣高徑比為2～3時，試樣與試樣加壓端之間的摩擦力對強度的影響較小，但對于變形而言端部約束的影響是不能忽略的，在粗粒料大型三軸試驗中試樣呈鼓形破壞就是很好的證明。

要盡量消除端部約束的影響，許多學者都進行了各種嘗試。一種比較簡單的方法就是在大型三軸儀容許的情況下盡可能增大試樣的高度（高徑比），減小端部約束效應對總體試驗成果的影響，主要是體現在變形特性方面。另外一種，就是從減小試樣和加載端之間的摩擦力入手，采用一些減摩措施，如端部涂抹一些潤滑物質，或者試樣和剛性加載面之間放置能夠自由滑動的片狀材料。還有可以從改變加載端的設計入手，使與試樣直接接觸的接觸面設計為可以隨著試樣端部顆粒位移而移動，即設計為可徑向變形的加載端，目前長江科學院巖土力學與工程正在進行相關設備的研制和試驗工作。

4 橡皮膜嵌入的影響

粗粒料大型三軸試驗中，由于試樣的側面凹凸不平，當對試樣施加側向應力后，橡皮膜會嵌入到試樣側面的空隙中去，并擠出空隙中的這部分水，產生附加的排水量，影響到體積變化的測量精度。橡皮膜嵌入的這種影響對試樣固結階段的影響較大，在剪切階段時由于一般的常規三軸試驗圍壓不再發生變化，因而影響相對較小。但是在大型三軸不排水剪切試驗中，橡皮膜的嵌入既會影響到固結階段試樣的體積變化，也會影響到剪切過程中孔隙水壓力的測量，主要是因為剪切時有效圍壓發生變化。

由于粗粒料本身顆粒級配的限制，一方面完全消除橡皮膜的嵌入作用不現實，另外一方面備樣時應可以盡可能減小橡皮膜嵌入的不利影響，裝樣時一定要要保證大小顆粒相對均勻填充，并盡量防止粒徑較大的顆粒填充到最外側，這點只要裝樣有一定經驗的技術工人認真細心地備樣基本能將這種影響降低到最小。

5 縮尺效應的影響

由于粗粒料粒徑大，目前還無法對所有粗粒料實物試樣進行力學性質試驗，常采用按一定方法縮尺后的室內試驗結果來推求實際材料的力學性質。粗粒料的縮制使得試驗成果和實際材料工程特性之間存在一定的差異，稱為縮尺效應。一般采用直徑為30 cm粗粒料試樣的大型三軸試驗所得到的強度參數作為實際粗粒料的強度指標。而目前隨著施工機械的發展和施工水平的提高，粗粒料的最大允許顆粒已由原來的300～400 mm提高到目前的800～1 000 mm。對于最大粒徑大至1 m的粗粒料目前還難以通過足尺試驗進行研究，因而經過縮尺后的常規大型三軸試驗得到的成果與實際粗粒料的力學響應之間有什么差異、有多大差異還不得而知，也沒有人實際研究過。

此外，在長期的粗粒料試驗中還發現，對原級配按相同級配模擬方法縮尺得到不同最大粒徑的試驗級配，在相同的擊實功作用下，最大粒徑越大其最大干密度也就越大。由此可以推斷，現場大粒徑的堆石料在與試驗室相同的擊實功作用下，其最大干密度應該比室內試驗得到最大干密度要大。因此縮尺本身也會導致試驗密度和現場密度的差異，這種密度的差異也會對粗粒料的力學性質產生較大影響。

為更好地了解縮尺效應的影響，應先在目前粗粒料現有試驗條件基礎上盡可能開展不同尺寸試樣的三軸試驗，由于通過較小最大顆粒粒徑粗粒料的力學參數去確定較大最大粒徑粗粒料的力學參數是不保險的，存在較大的不確定性，因此應結合數值模擬開展對比研究，參考數值模擬的結果對縮尺效應的影響進行研究是可能較為可行的途徑。

6 應力狀態的影響

應用大型三軸試驗可以認識和了解粗粒料在一定應力狀態下的力學響應，為實際工程的應力變形分析提供依據，由于大型三軸試驗原理簡單、操作方便，在工程中被廣泛應用。但大型三軸試驗也存在不足，如由于大型三軸儀器本身的限制，只能模擬軸對稱應力狀態，即中主應力σ2和小主應力σ3相等的應力狀態。而實際粗粒料往往處于三向不等的應力狀態，即處于σ1＞σ2＞σ3三維普遍應力狀態。實際研究已經表明，中主應力σ2對粗粒料的強度和變形特性有較為顯著的影響，模擬軸對稱應力狀態的大型三軸試驗低估了粗粒料的強度，導致不能充分利用粗粒料本身的力學潛能為工程更好的服務。而能夠模擬粗粒料在三維普遍應力狀態下的真三軸試驗，由于試樣原理較為復雜，導致試驗儀器構造相對于大型三軸儀變的復雜很多，而且三個方向的加載的相互影響和干擾問題一直沒有能夠較好地解決，因此一直沒能夠在工程中推廣和應用。因此，軸對稱應力狀態不僅使大型三軸試驗的優勢突出，另一方面也是模擬真實力學響應的一大不足，這將是今后粗粒料試驗努力改進和研究的一個重要課題。

7 結 語

大型三軸試驗是粗粒料力學特性研究的一種重要物理力學模擬手段，為粗粒料應力變形分析提供了重要的參考和依據。針對大型三軸試驗，介紹了其試驗原理，分析了粗粒料大型三軸試驗中存在的一些主要問題，如端部約束、橡皮膜的嵌入、縮尺效應、和應力狀態的影響等，并針對存在的問題提出了一些建議，以便為更好地認識和了解粗粒料的力學特性提供參考。

［1］ 張啟岳，司洪洋.粗顆粒土大型三軸壓縮試驗的強度與應力應變特性［J］.水利學報，1982，（9）：22-31.

［2］ 劉祖德，陸士強，包承綱，等.土的抗剪強度特性［J］.巖土工程學報，1986，8（1）：6-46.

［3］ 郭慶國.關于粗粒土抗剪強度特性的試驗研究［J］.水利學報，1987，（5）：59-65.

［4］ 程展林，丁紅順，吳良平.粗粒土試驗研究［J］.巖土工程學報，2007，29（8）：1151-1158.

TU443

C

1008-3383（2016）09-0004-02

2016-02-24

張堃（1995-），男，江蘇鹽城人，本科生，主要從事交通土建方面的研究。

南京工程學院大學生科技創新基金項目資助（TB20160925；N20150915）