散粒体岩土材料各向异性的室内真三轴试验方法与流程

本发明涉及一种室内真三轴试验方法，特别是涉及一种散粒体岩土材料各向异性的室内真三轴试验方法，属于岩土工程三维复杂应力条件下岩土材料力学特性及其应用研究领域。

背景技术：

土力学最初完全建立在以金属等材料试验为基础的经典弹性，弹塑性理论体系之上，这些经典理论难以对复杂具有很强结构性的土体材料，尤其是散粒体岩土材料的力学行为做出真实、合理的描述和分析；室内试验作为土体力学行为的直接再现，是土体本构关系研究，土体稳定与变形分析的重要基础。土力学本身的特点决定了试验在其研究发展过程中的重要作用。土力学的发展，以试验为基础，而提出的理论，又要由试验来检验；作为土力学发展基础的原状土取土技术，室内土工试验技术，原位测试技术，模型试验技术等，为土力学的发展提供了强有力的支持，为建立和验证土体本构模型提供试验依据。

常规土工室内试验，如三轴试验，一维固结试验等等，在土力学的最初发展阶段起了重要作用，是土力学从传统力学框架内分离出来的重要内容和标志。但是，随着土工问题的复杂化和对土体特性认识的不断深化，建立在轴对称条件下的以常规三轴试验为代表的常规试验，不能满足对于土体在复杂应力条件下应力应变关系的认识和稳定变形分析的要求，以真三轴为代表的能够反映土体在复杂应力状态下和复杂边界条件下应力应变规律的试验仪器和方法不断涌现，如真三轴仪、空心圆柱扭剪仪等。其中，真三轴仪以其能够反映土体在三个主应力状态下的应力应变关系，工作原理清晰，发展相对成熟，操作相对简单，是研究土体复杂应力状态下应力应变关系的重要试验工具，但相应的真三轴试验方法，尤其是针对复杂应力条件下散粒体各向异性力学特性的试验方法研究不足。

在土力学发展的最初阶段，原状土体的稳定和变形，如地基承载力和沉降是人们所关心的重要问题，这种比较简单的问题可以被简化为一维问题。因此，早期的试验仪器以直剪仪和单向压缩仪为代表。在进行单向固结试验中，压缩仪中的试样实际上处于无侧向变形边界条件下，只适用于地基中较薄的可压缩性土层受到大面积荷载的条件；直剪仪在施加荷载期间，中主应力的方向虽然不变，但大主应力和小主应力方向有变化，虽然根据破坏时候的正应力和剪应力，可以计算出大，小正应力，但中主应力无法得到；而且，剪应力的分布也很不均匀，并不能得到真实的应力应变关系。上述简单应力路径的试验方法也较为成熟。

在工程实践中，土体单元所经历的实际应力路径是复杂多变的，三维应力条件下，不同加荷方式，不同应力条件下，土体的稳定和变形问题大量存在，如市政工程建设中深、大型基坑的开挖和支护导致的应力状态的改变；地基处理中真空预压方法抽、卸真空所引起的小主应力的改变；水利工程中高土石坝蓄水导致的内部单元应力状态的变化等，许多工程实例也证明不考虑材料的三维复杂应力状态和不同加荷方式引起的各向异性的计算方法是不完善的；另一方面，现有室内试验手段有限，大多数常用土体本构模型都建立在常规三轴试验基础上，只能对轴对称条件下，轴向加荷条件的应力应变特征进行描述，再加以各向同性的假设推广到其他方向，而且不能反映三维应力条件下的强度特征。真三轴试验通过从三个主应力方向分别施加荷载增量，能实现模拟真实的土体三维应力状态以及从不同方向加荷的不同应力路径。

虽然目前已有通过真三轴试验对土体的力学特性进行模拟和研究，但作为一种复杂应力状态下的非常规室内试验方法，还很少有系统的试验方法研究，而且现有的少量真三轴试验方法也都集中于不同三维应力条件下土体强度特性的研究，对应力应变关系的研究还很少，而要开展符合真实三维应力状态下不同应力路径的岩土应力应变规律并开展应力变形数值分析，必须依据相应的室内真三轴应力路径试验方法，开展符合工程实际的复杂应力条件下应力路径真三轴试验，才能对土体在复杂应力状态下的各向异性应力应变关系进行合理描述。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种散粒体岩土材料各向异性的室内真三轴试验方法，可以得到散粒体岩土材料在复杂状态下的各向异性应力应变规律，不仅可以对复杂应力状态下的散粒体岩土材料的强度理论进行研究，同时对复杂应力条件下散粒体岩土材料的各向异性应力应变能全面模拟。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种散粒体岩土材料各向异性的室内真三轴试验方法，包括以下步骤：

1）准备待试验的散粒体岩土材料；

2）根据室内常规土体物理力学特性试验，获得散粒体岩土材料的基本物理力学性质和相关参数；

3）采用砂雨法，用散粒体岩土材料制备散粒体真三轴立方体试样；并分别通过从沉积方向和垂直沉积方向这两个方向开展单向加载试验，比较两个方向的应力应变关系曲线，使得散粒体真三轴立方体试样处于各向同性初始状态后进入下一步；

4）对处于各向同性初始状态的散粒体真三轴立方体试样进行两阶段加载，分别从大主应力方向、中主应力方向和小主应力方向这三个主应力方向上施加应力；

第一阶段加载时，保持三个主应力方向上施加相等的等向初始应力，使得散粒体真三轴立方体试样仍处于各向同性初始状态；

第二阶段加载时，分别从三个主应力方向上施加不等向应力增量，使得散粒体真三轴立方体试样处于各向异性初始状态；

5）根据实际工况中土体单元所经历应力路径，给处于各向异性初始状态的散粒体真三轴立方体试样施加与土体单元所经历应力路径相符的实际工况应力路径；

6）监测并记录步骤5）施加实际工况应力路径的试验过程中的应力、应变随应力增量的变化，得到散粒体真三轴立方体试样的宏观力学特性曲线；

7）根据步骤6）获得的散粒体真三轴立方体试样的宏观力学特性曲线，并结合步骤2）获得的散粒体岩土材料的基本物理力学性质和相关参数，经整理，分别计算初始弹模、泊松比、屈服轨迹和应力峰值，从而获得三维复杂应力条件下散粒体岩土材料的各向异性应力应变特性和各向异性强度特性。

本发明进一步设置为：所述步骤2）中的相关参数包括密度、含水率、比重、颗粒级配和渗透特性。

本发明进一步设置为：所述步骤3）中的制备散粒体真三轴立方体试样，具体步骤为，

3-1）设计散粒体真三轴立方体试样的尺寸为长L、宽B、高H；

3-2）在真三轴仪器底座上放置L×B×0.5cm的透水石，在透水石上放置同样面积大小的浸泡过的饱和滤纸，然后将橡皮膜套放在底座上，再先后用橡皮垫片和压紧框，通过定位螺丝固定在底座上，保证橡皮膜下端与压力室底板密封；

3-3）将对开承模筒从中主应力方向套住橡皮膜并用定位螺栓固定，完成对开承模筒及橡皮膜的安装；

3-4）将脱气水从开口于底座的下排水管阶段性、缓慢注入橡皮膜，称量好的土样置于漏斗，通过橡皮膜顶端开口，均匀分层洒入，每层洒完后，用金属棒均匀振捣；注水，洒砂，振捣，如此反复，直至土样全部装毕；平整砂样顶部，将浸泡后的滤纸覆于砂样上，加透水石、加压帽，用定位螺栓固定，使试样完全密封在橡皮膜内；

3-5）将脱气水通过底座的下排水管，渗透通过试样，顶出试样内残存空气，经过加压帽上的上排水管排出；再用气球在连接上排水管的滴定管开口处吸气，产生微小负压，使试样能够站立；除去对开承模筒，安置中主应力加压装置，固定传感器，密封压力室；然后，通过反压饱和，使得试样饱和度达到95％以上，完成制备。

本发明进一步设置为：所述金属棒的直径为5mm。

本发明进一步设置为：所述步骤6）中的宏观力学特性曲线包括不同主应力方向应力增量-不同主应力方向应力增量-应变曲线。

本发明进一步设置为：所述步骤7）中的屈服轨迹包括p-q平面屈服轨迹和偏平面屈服轨迹。

本发明进一步设置为：根据所述步骤7）中的各向异性应力应变特性和各向异性强度特性，分别建立散粒体岩土材料的本构模型和强度准则，进而通过编制相应程序段，获得三维复杂应力条件下考虑各向异性力学特性岩土工程的数值分析。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、传统普通三轴试验和一般真三轴试验方法均需要加以各向同性假设，它们均不能满足真实三维应力空间条件下，复杂加荷应力路径对散粒体岩土各向异性应力应变规律的影响，无法描述工程中广泛存在的应力各向异性以及相关的变形和稳定问题。而本发明的真三轴试验方法，通过室内试验模拟散粒体岩土材料原生各向异性和应力各向异性的表现规律，通过对试验结果的比较和分析，可揭示土体各向异性力学特性在应力应变关系和强度理论方面的体现。

2、本发明提出的检验试样制备方法引起的各向异性方法，通过对经过砂雨法制备的真三轴试样从垂直沉积方向的某一方向施加应力增量，检验其他两个主应力方向的应力变形规律，可以对试样的初始各向异性程度进行检验；应力路径试验开始前，通过施加等向的小主应力，可以保证试验初始各向同性，从而消除装样引起的结构各向异性；再通过施加不同的复杂应力状态，模拟实际土体单元的初始不等向应力状态，可以对试样的原生各向异性进行模拟；在此基础上再根据实际应力路径从不同主应力方向施加应力增量，从而可以分别开展单向加荷以及复杂应力路径加荷，从而模拟应力各向异性。因此，本发明提出的真三轴应力路径试验方法，可以得到散粒体岩土材料在复杂状态下的各向异性应力应变规律，不仅可以对复杂应力状态下的散粒体岩土材料的强度理论进行研究，同时对复杂应力条件下散粒体岩土材料的各向异性应力应变能全面模拟。

3、本发明凭借真三轴试验在散粒体岩土材料复杂应力条件下各向异性应力应变关系研究的优势，为散粒体岩土材料各向异性力学特性的本构模型和数值模拟提供了新的研究思路。并根据室内复杂应力路径真三轴试验结果，开展相应各向异性土体本构模型研究工作，建立相应本构模型，应用到应力变形数值模拟，对工程实践中复杂应力路径条件下土体应力变形规律进行模拟，分析稳定与变形，并从施工或设计方面提出改进措施，从而对实际工程具有一定的指导意义。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为本发明的实施过程流程图；

图2为本发明的采用砂雨法制备试样及各向同性初始状态验证的实施过程流程图；

图3为本发明的单向加载应力路径示意图；

图4为本发明的复杂应力路径加载示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供一种散粒体岩土材料各向异性的室内真三轴试验方法，包括以下步骤：

1）准备待试验的散粒体岩土材料。

2）根据室内常规土体物理力学特性试验，获得散粒体岩土材料的基本物理力学性质和相关参数；其中，相关参数包括密度、含水率、比重、颗粒级配和渗透特性。

3）采用砂雨法，用散粒体岩土材料制备散粒体真三轴立方体试样；并分别通过从沉积方向（一般为竖直方向）和垂直沉积方向（一般为水平方向）这两个方向开展单向加载试验，比较两个方向的应力应变关系曲线，使得散粒体真三轴立方体试样处于各向同性初始状态后进入下一步，如图2所示。

其中，制备散粒体真三轴立方体试样，具体步骤为，

3-1）设计散粒体真三轴立方体试样的尺寸为长L、宽B、高H；

3-2）在真三轴仪器底座上放置L×B×0.5cm的透水石，在透水石上放置同样面积大小的浸泡过的饱和滤纸，然后将橡皮膜套放在底座上，再先后用橡皮垫片和压紧框，通过定位螺丝固定在底座上，保证橡皮膜下端与压力室底板密封，防止试验中漏水；

3-3）将对开承模筒从中主应力方向套住橡皮膜并用定位螺栓固定，防止装样过程中产生的不必要扰动，完成对开承模筒及橡皮膜的安装；

3-4）将脱气水从开口于底座的下排水管阶段性、缓慢注入橡皮膜，称量好的土样置于漏斗，通过橡皮膜顶端开口，均匀分层洒入，每层洒完后，用直径为5mm的金属棒均匀振捣；注水，洒砂，振捣，如此反复，直至土样全部装毕；平整砂样顶部，将浸泡后的滤纸覆于砂样上，加透水石、加压帽，用定位螺栓固定，使试样完全密封在橡皮膜内；

3-5）将脱气水通过底座的下排水管，渗透通过试样，顶出试样内残存空气，经过加压帽上的上排水管排出；再用气球在连接上排水管的滴定管开口处吸气，产生微小负压，使试样能够站立；除去对开承模筒，安置中主应力加压装置，固定传感器，密封压力室；然后，通过反压饱和，使得试样饱和度达到95％以上，完成制备；再根据试验需要施加初始等向固结压力及其他初始固结压力，如图2所示。

4）对处于各向同性初始状态的散粒体真三轴立方体试样进行两阶段加载，分别从大主应力方向、中主应力方向和小主应力方向这三个主应力方向上施加应力；

第一阶段加载时，保持三个主应力方向上施加相等的等向初始应力，使得散粒体真三轴立方体试样仍处于各向同性初始状态；

第二阶段加载时，分别从三个主应力方向上施加不等向应力增量，使得散粒体真三轴立方体试样处于各向异性初始状态。

如图3所示为单向加载应力路径示意图，先在一定等向围压下等向固结，从垂直于装样的一个方向进行单向加载，考察三个方向的变形规律；当垂直于装样方向的另外两个方向的应变增量相等时，判断试样处于初始各向同性状态；当垂直于装样方向的另外两个方向上的应变增量不等时，则判断试样处于初始各向异性状态。

5）根据实际工况中土体单元所经历应力路径，给处于各向异性初始状态的散粒体真三轴立方体试样施加与土体单元所经历应力路径相符的实际工况应力路径。

如图4所示为复杂应力路径加载示意图，首先施加一定围压σ3，等向固结稳定后，在σ3基础上根据试验要求按比例分别增加大主应力σ1和中主应力σ2至某一值，使试样处于初始三向应力状态下；再次固结稳定后，开始根据试验要求施加单向应力增量或者其他应力路径荷载增量，试验过程中量测试样的三向应变增量。

6）监测并记录步骤5）施加实际工况应力路径的试验过程中的应力、应变随应力增量的变化，得到散粒体真三轴立方体试样的宏观力学特性曲线；其中，宏观力学特性曲线包括不同主应力方向应力增量-不同主应力方向应力增量-应变曲线。

7）根据步骤6）获得的散粒体真三轴立方体试样的宏观力学特性曲线，并结合步骤2）获得的散粒体岩土材料的基本物理力学性质和相关参数，经整理，可以分别得到球应力和偏应力空间应力路径、偏平面上屈服轨迹、应力增量和应变增量关系、球应力和体积应变、偏应力和偏应变等关系，根据试验要求分别计算初始弹模、泊松比、屈服轨迹和应力峰值，从而获得三维复杂应力条件下散粒体岩土材料的各向异性应力应变特性和各向异性强度特性；其中，屈服轨迹包括p-q平面屈服轨迹和偏平面屈服轨迹。

可根据各向异性应力应变特性和各向异性强度特性，分别建立散粒体岩土材料的本构模型和强度准则，进而通过编制相应程序段，获得三维复杂应力条件下考虑各向异性力学特性岩土工程的数值分析。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。