本發(fā)明涉及一種室內(nèi)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(nèi)真三軸試驗方法，屬于巖土工程三維復(fù)雜應(yīng)力條件下巖土材料力學(xué)特性及其應(yīng)用研究領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

土力學(xué)最初完全建立在以金屬等材料試驗為基礎(chǔ)的經(jīng)典彈性，彈塑性理論體系之上，這些經(jīng)典理論難以對復(fù)雜具有很強(qiáng)結(jié)構(gòu)性的土體材料，尤其是散粒體巖土材料的力學(xué)行為做出真實、合理的描述和分析；室內(nèi)試驗作為土體力學(xué)行為的直接再現(xiàn)，是土體本構(gòu)關(guān)系研究，土體穩(wěn)定與變形分析的重要基礎(chǔ)。土力學(xué)本身的特點(diǎn)決定了試驗在其研究發(fā)展過程中的重要作用。土力學(xué)的發(fā)展，以試驗為基礎(chǔ)，而提出的理論，又要由試驗來檢驗；作為土力學(xué)發(fā)展基礎(chǔ)的原狀土取土技術(shù)，室內(nèi)土工試驗技術(shù)，原位測試技術(shù)，模型試驗技術(shù)等，為土力學(xué)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持，為建立和驗證土體本構(gòu)模型提供試驗依據(jù)。

常規(guī)土工室內(nèi)試驗，如三軸試驗，一維固結(jié)試驗等等，在土力學(xué)的最初發(fā)展階段起了重要作用，是土力學(xué)從傳統(tǒng)力學(xué)框架內(nèi)分離出來的重要內(nèi)容和標(biāo)志。但是，隨著土工問題的復(fù)雜化和對土體特性認(rèn)識的不斷深化，建立在軸對稱條件下的以常規(guī)三軸試驗為代表的常規(guī)試驗，不能滿足對于土體在復(fù)雜應(yīng)力條件下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的認(rèn)識和穩(wěn)定變形分析的要求，以真三軸為代表的能夠反映土體在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下和復(fù)雜邊界條件下應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律的試驗儀器和方法不斷涌現(xiàn)，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(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，工作原理清晰，發(fā)展相對成熟，操作相對簡單，是研究土體復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的重要試驗工具，但相應(yīng)的真三軸試驗方法，尤其是針對復(fù)雜應(yīng)力條件下散粒體各向異性力學(xué)特性的試驗方法研究不足。

在土力學(xué)發(fā)展的最初階段，原狀土體的穩(wěn)定和變形，如地基承載力和沉降是人們所關(guān)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(jìn)行單向固結(jié)試驗中，壓縮儀中的試樣實際上處于無側(cè)向變形邊界條件下，只適用于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(yīng)力的方向雖然不變，但大主應(yīng)力和小主應(yīng)力方向有變化，雖然根據(jù)破壞時候的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，可以計算出大，小正應(yīng)力，但中主應(yīng)力無法得到；而且，剪應(yīng)力的分布也很不均勻，并不能得到真實的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。上述簡單應(yīng)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(jīng)歷的實際應(yīng)力路徑是復(fù)雜多變的，三維應(yīng)力條件下，不同加荷方式，不同應(yīng)力條件下，土體的穩(wěn)定和變形問題大量存在，如市政工程建設(shè)中深、大型基坑的開挖和支護(hù)導(dǎo)致的應(yīng)力狀態(tài)的改變；地基處理中真空預(yù)壓方法抽、卸真空所引起的小主應(yīng)力的改變；水利工程中高土石壩蓄水導(dǎo)致的內(nèi)部單元應(yīng)力狀態(tài)的變化等，許多工程實例也證明不考慮材料的三維復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)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(xiàn)有室內(nèi)試驗手段有限，大多數(shù)常用土體本構(gòu)模型都建立在常規(guī)三軸試驗基礎(chǔ)上，只能對軸對稱條件下，軸向加荷條件的應(yīng)力應(yīng)變特征進(jìn)行描述，再加以各向同性的假設(shè)推廣到其他方向，而且不能反映三維應(yīng)力條件下的強(qiáng)度特征。真三軸試驗通過從三個主應(yīng)力方向分別施加荷載增量，能實現(xiàn)模擬真實的土體三維應(yīng)力狀態(tài)以及從不同方向加荷的不同應(yīng)力路徑。

雖然目前已有通過真三軸試驗對土體的力學(xué)特性進(jìn)行模擬和研究，但作為一種復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的非常規(guī)室內(nèi)試驗方法，還很少有系統(tǒng)的試驗方法研究，而且現(xiàn)有的少量真三軸試驗方法也都集中于不同三維應(yīng)力條件下土體強(qiáng)度特性的研究，對應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的研究還很少，而要開展符合真實三維應(yīng)力狀態(tài)下不同應(yīng)力路徑的巖土應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律并開展應(yīng)力變形數(shù)值分析，必須依據(jù)相應(yīng)的室內(nèi)真三軸應(yīng)力路徑試驗方法，開展符合工程實際的復(fù)雜應(yīng)力條件下應(yīng)力路徑真三軸試驗，才能對土體在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的各向異性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行合理描述。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種散粒體巖土材料各向異性的室內(nèi)真三軸試驗方法，可以得到散粒體巖土材料在復(fù)雜狀態(tài)下的各向異性應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，不僅可以對復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的散粒體巖土材料的強(qiáng)度理論進(jìn)行研究，同時對復(fù)雜應(yīng)力條件下散粒體巖土材料的各向異性應(yīng)力應(yīng)變能全面模擬。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種散粒體巖土材料各向異性的室內(nèi)真三軸試驗方法，包括以下步驟：

1）準(zhǔn)備待試驗的散粒體巖土材料；

2）根據(jù)室內(nèi)常規(guī)土體物理力學(xué)特性試驗，獲得散粒體巖土材料的基本物理力學(xué)性質(zhì)和相關(guān)參數(shù)；

3）采用砂雨法，用散粒體巖土材料制備散粒體真三軸立方體試樣；并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(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，使得散粒體真三軸立方體試樣處于各向同性初始狀態(tài)后進(jìn)入下一步；

4）對處于各向同性初始狀態(tài)的散粒體真三軸立方體試樣進(jìn)行兩階段加載，分別從大主應(yīng)力方向、中主應(yīng)力方向和小主應(yīng)力方向這三個主應(yīng)力方向上施加應(yīng)力；

第一階段加載時，保持三個主應(yīng)力方向上施加相等的等向初始應(yīng)力，使得散粒體真三軸立方體試樣仍處于各向同性初始狀態(tài)；

第二階段加載時，分別從三個主應(yīng)力方向上施加不等向應(yīng)力增量，使得散粒體真三軸立方體試樣處于各向異性初始狀態(tài)；

5）根據(jù)實際工況中土體單元所經(jīng)歷應(yīng)力路徑，給處于各向異性初始狀態(tài)的散粒體真三軸立方體試樣施加與土體單元所經(jīng)歷應(yīng)力路徑相符的實際工況應(yīng)力路徑；

6）監(jiān)測并記錄步驟5）施加實際工況應(yīng)力路徑的試驗過程中的應(yīng)力、應(yīng)變隨應(yīng)力增量的變化，得到散粒體真三軸立方體試樣的宏觀力學(xué)特性曲線；

7）根據(jù)步驟6）獲得的散粒體真三軸立方體試樣的宏觀力學(xué)特性曲線，并結(jié)合步驟2）獲得的散粒體巖土材料的基本物理力學(xué)性質(zhì)和相關(guān)參數(shù)，經(jīng)整理，分別計算初始彈模、泊松比、屈服軌跡和應(yīng)力峰值，從而獲得三維復(fù)雜應(yīng)力條件下散粒體巖土材料的各向異性應(yīng)力應(yīng)變特性和各向異性強(qiáng)度特性。

本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：所述步驟2）中的相關(guān)參數(shù)包括密度、含水率、比重、顆粒級配和滲透特性。

本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：所述步驟3）中的制備散粒體真三軸立方體試樣，具體步驟為，

3-1）設(shè)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，然后將橡皮膜套放在底座上，再先后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(yīng)力方向套住橡皮膜并用定位螺栓固定，完成對開承模筒及橡皮膜的安裝；

3-4）將脫氣水從開口于底座的下排水管階段性、緩慢注入橡皮膜，稱量好的土樣置于漏斗，通過橡皮膜頂端開口，均勻分層灑入，每層灑完后，用金屬棒均勻振搗；注水，灑砂，振搗，如此反復(fù)，直至土樣全部裝畢；平整砂樣頂部，將浸泡后的濾紙覆于砂樣上，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(nèi)；

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(nèi)殘存空氣，經(jīng)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(chǎn)生微小負(fù)壓，使試樣能夠站立；除去對開承模筒，安置中主應(yīng)力加壓裝置，固定傳感器，密封壓力室；然后，通過反壓飽和，使得試樣飽和度達(dá)到95％以上，完成制備。

本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：所述金屬棒的直徑為5mm。

本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：所述步驟6）中的宏觀力學(xué)特性曲線包括不同主應(yīng)力方向應(yīng)力增量-不同主應(yīng)力方向應(yīng)力增量-應(yīng)變曲線。

本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)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(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：根據(jù)所述步驟7）中的各向異性應(yīng)力應(yīng)變特性和各向異性強(qiáng)度特性，分別建立散粒體巖土材料的本構(gòu)模型和強(qiáng)度準(zhǔn)則，進(jìn)而通過編制相應(yīng)程序段，獲得三維復(fù)雜應(yīng)力條件下考慮各向異性力學(xué)特性巖土工程的數(shù)值分析。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是：

1、傳統(tǒng)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(shè)，它們均不能滿足真實三維應(yīng)力空間條件下，復(fù)雜加荷應(yīng)力路徑對散粒體巖土各向異性應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律的影響，無法描述工程中廣泛存在的應(yīng)力各向異性以及相關(guān)的變形和穩(wěn)定問題。而本發(fā)明的真三軸試驗方法，通過室內(nèi)試驗?zāi)M散粒體巖土材料原生各向異性和應(yīng)力各向異性的表現(xiàn)規(guī)律，通過對試驗結(jié)果的比較和分析，可揭示土體各向異性力學(xué)特性在應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度理論方面的體現(xiàn)。

2、本發(fā)明提出的檢驗試樣制備方法引起的各向異性方法，通過對經(jīng)過砂雨法制備的真三軸試樣從垂直沉積方向的某一方向施加應(yīng)力增量，檢驗其他兩個主應(yīng)力方向的應(yīng)力變形規(guī)律，可以對試樣的初始各向異性程度進(jìn)行檢驗；應(yīng)力路徑試驗開始前，通過施加等向的小主應(yīng)力，可以保證試驗初始各向同性，從而消除裝樣引起的結(jié)構(gòu)各向異性；再通過施加不同的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，模擬實際土體單元的初始不等向應(yīng)力狀態(tài)，可以對試樣的原生各向異性進(jìn)行模擬；在此基礎(chǔ)上再根據(jù)實際應(yīng)力路徑從不同主應(yīng)力方向施加應(yīng)力增量，從而可以分別開展單向加荷以及復(fù)雜應(yīng)力路徑加荷，從而模擬應(yīng)力各向異性。因此，本發(fā)明提出的真三軸應(yīng)力路徑試驗方法，可以得到散粒體巖土材料在復(fù)雜狀態(tài)下的各向異性應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，不僅可以對復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的散粒體巖土材料的強(qiáng)度理論進(jìn)行研究，同時對復(fù)雜應(yīng)力條件下散粒體巖土材料的各向異性應(yīng)力應(yīng)變能全面模擬。

3、本發(fā)明憑借真三軸試驗在散粒體巖土材料復(fù)雜應(yīng)力條件下各向異性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系研究的優(yōu)勢，為散粒體巖土材料各向異性力學(xué)特性的本構(gòu)模型和數(shù)值模擬提供了新的研究思路。并根據(jù)室內(nèi)復(fù)雜應(yīng)力路徑真三軸試驗結(jié)果，開展相應(yīng)各向異性土體本構(gòu)模型研究工作，建立相應(yīng)本構(gòu)模型，應(yīng)用到應(yīng)力變形數(shù)值模擬，對工程實踐中復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下土體應(yīng)力變形規(guī)律進(jìn)行模擬，分析穩(wěn)定與變形，并從施工或設(shè)計方面提出改進(jìn)措施，從而對實際工程具有一定的指導(dǎo)意義。

上述內(nèi)容僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了更清楚的了解本發(fā)明的技術(shù)手段，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實施過程流程圖；

圖2為本發(fā)明的采用砂雨法制備試樣及各向同性初始狀態(tài)驗證的實施過程流程圖；

圖3為本發(fā)明的單向加載應(yīng)力路徑示意圖；

圖4為本發(fā)明的復(fù)雜應(yīng)力路徑加載示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種散粒體巖土材料各向異性的室內(nèi)真三軸試驗方法，包括以下步驟：

1）準(zhǔn)備待試驗的散粒體巖土材料。

2）根據(jù)室內(nèi)常規(guī)土體物理力學(xué)特性試驗，獲得散粒體巖土材料的基本物理力學(xué)性質(zhì)和相關(guān)參數(shù)；其中，相關(guān)參數(shù)包括密度、含水率、比重、顆粒級配和滲透特性。

3）采用砂雨法，用散粒體巖土材料制備散粒體真三軸立方體試樣；并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(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，使得散粒體真三軸立方體試樣處于各向同性初始狀態(tài)后進(jìn)入下一步，如圖2所示。

其中，制備散粒體真三軸立方體試樣，具體步驟為，

3-1）設(shè)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，然后將橡皮膜套放在底座上，再先后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(yīng)力方向套住橡皮膜并用定位螺栓固定，防止裝樣過程中產(chǎn)生的不必要擾動，完成對開承模筒及橡皮膜的安裝；

3-4）將脫氣水從開口于底座的下排水管階段性、緩慢注入橡皮膜，稱量好的土樣置于漏斗，通過橡皮膜頂端開口，均勻分層灑入，每層灑完后，用直徑為5mm的金屬棒均勻振搗；注水，灑砂，振搗，如此反復(fù)，直至土樣全部裝畢；平整砂樣頂部，將浸泡后的濾紙覆于砂樣上，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(nèi)；

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(nèi)殘存空氣，經(jīng)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(chǎn)生微小負(fù)壓，使試樣能夠站立；除去對開承模筒，安置中主應(yīng)力加壓裝置，固定傳感器，密封壓力室；然后，通過反壓飽和，使得試樣飽和度達(dá)到95％以上，完成制備；再根據(jù)試驗需要施加初始等向固結(jié)壓力及其他初始固結(jié)壓力，如圖2所示。

4）對處于各向同性初始狀態(tài)的散粒體真三軸立方體試樣進(jìn)行兩階段加載，分別從大主應(yīng)力方向、中主應(yīng)力方向和小主應(yīng)力方向這三個主應(yīng)力方向上施加應(yīng)力；

第一階段加載時，保持三個主應(yīng)力方向上施加相等的等向初始應(yīng)力，使得散粒體真三軸立方體試樣仍處于各向同性初始狀態(tài)；

第二階段加載時，分別從三個主應(yīng)力方向上施加不等向應(yīng)力增量，使得散粒體真三軸立方體試樣處于各向異性初始狀態(tài)。

如圖3所示為單向加載應(yīng)力路徑示意圖，先在一定等向圍壓下等向固結(jié)，從垂直于裝樣的一個方向進(jìn)行單向加載，考察三個方向的變形規(guī)律；當(dāng)垂直于裝樣方向的另外兩個方向的應(yīng)變增量相等時，判斷試樣處于初始各向同性狀態(tài)；當(dāng)垂直于裝樣方向的另外兩個方向上的應(yīng)變增量不等時，則判斷試樣處于初始各向異性狀態(tài)。

5）根據(jù)實際工況中土體單元所經(jīng)歷應(yīng)力路徑，給處于各向異性初始狀態(tài)的散粒體真三軸立方體試樣施加與土體單元所經(jīng)歷應(yīng)力路徑相符的實際工況應(yīng)力路徑。

如圖4所示為復(fù)雜應(yīng)力路徑加載示意圖，首先施加一定圍壓σ3，等向固結(jié)穩(wěn)定后，在σ3基礎(chǔ)上根據(jù)試驗要求按比例分別增加大主應(yīng)力σ1和中主應(yīng)力σ2至某一值，使試樣處于初始三向應(yīng)力狀態(tài)下；再次固結(jié)穩(wěn)定后，開始根據(jù)試驗要求施加單向應(yīng)力增量或者其他應(yīng)力路徑荷載增量，試驗過程中量測試樣的三向應(yīng)變增量。

6）監(jiān)測并記錄步驟5）施加實際工況應(yīng)力路徑的試驗過程中的應(yīng)力、應(yīng)變隨應(yīng)力增量的變化，得到散粒體真三軸立方體試樣的宏觀力學(xué)特性曲線；其中，宏觀力學(xué)特性曲線包括不同主應(yīng)力方向應(yīng)力增量-不同主應(yīng)力方向應(yīng)力增量-應(yīng)變曲線。

7）根據(jù)步驟6）獲得的散粒體真三軸立方體試樣的宏觀力學(xué)特性曲線，并結(jié)合步驟2）獲得的散粒體巖土材料的基本物理力學(xué)性質(zhì)和相關(guān)參數(shù)，經(jīng)整理，可以分別得到球應(yīng)力和偏應(yīng)力空間應(yīng)力路徑、偏平面上屈服軌跡、應(yīng)力增量和應(yīng)變增量關(guān)系、球應(yīng)力和體積應(yīng)變、偏應(yīng)力和偏應(yīng)變等關(guān)系，根據(jù)試驗要求分別計算初始彈模、泊松比、屈服軌跡和應(yīng)力峰值，從而獲得三維復(fù)雜應(yīng)力條件下散粒體巖土材料的各向異性應(yīng)力應(yīng)變特性和各向異性強(qiáng)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(jù)各向異性應(yīng)力應(yīng)變特性和各向異性強(qiáng)度特性，分別建立散粒體巖土材料的本構(gòu)模型和強(qiáng)度準(zhǔn)則，進(jìn)而通過編制相應(yīng)程序段，獲得三維復(fù)雜應(yīng)力條件下考慮各向異性力學(xué)特性巖土工程的數(shù)值分析。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)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(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。