本发明涉及一种测量粗粒土大型三轴试验中试样橡皮膜嵌入量的方法，属于土工试验技术领域。
背景技术：
在三轴试验中，围压是通过橡皮膜传递到试样上的。但由于试样表面凹凸不平，施加围压后橡皮膜会嵌入到试样表面颗粒间孔隙中，并且嵌入的深度随有效围压的变化而变化，这种现象即为橡皮膜嵌入。在常规三轴排水剪切试验中，确定饱和试样体变的方法是测量试样排出或吸入的水量，但由于橡皮膜嵌入的影响，使得体变测量包含了橡皮膜嵌入误差，无法准确反映粗粒土材料的变形特性，不利于土工构筑物（人工岛礁、高铁路基、高土石坝、核电厂海工构筑物）的准确设计和安全评价。目前橡皮膜嵌入的测量方法主要有：
埋置圆柱棒法：该方法是在试样中心埋置与试样等高的不同直径的铜棒，并假设试样总体变与铜棒直径呈线性关系，据此估算由橡皮膜嵌入引起的体积变化。但该方法试样制备比较困难，并且铜棒会限制轴向变形，且引起铜棒附近土体的应力集中，导致试样总体变与铜棒直径呈线性关系的假定是不准确的。
空心圆柱试样法：该方法是根据不同内径试样固结体变的差值计算橡皮膜嵌入量随围压的变化关系。该方法仅适用于空心圆柱试样，无法应用到传统圆柱体三轴试样。
双尺寸试样法：该方法是根据两个不同尺寸的圆柱体试样的试验体变和橡皮膜面积的差异确定橡皮膜的嵌入量。该方法需要依据两个不同尺寸的三轴仪，对于尺寸较大的粗粒土，该方法需要研发超大型三轴仪，因此很难应用于粗粒土橡皮膜嵌入测量研究。
特制装置法：该方法是通过制作特殊装置来获得橡皮膜嵌入量与橡皮膜面积的关系，但该方法测定的橡皮膜嵌入的应力状态和边界条件均与三轴试验的不同，并不能完全反映常规三轴试验过程中橡皮膜的嵌入量。
局部应变测量法：对于试样尺寸较大的情况，压力室空间充足，可以采用轴向和径向位移传感器测量试样骨架体变，然后根据排水体变计算橡皮膜嵌入量，但在围压变化的条件下橡皮膜嵌入、圆柱试样径向变形的不均匀性，以及橡皮膜沿厚度方向发生的变形，均会影响圆柱体试样径向变形的测量精度。
各向同性假定法：该方法是假定初次等压试验过程中变形各向同性求取土体骨架的实际变形，但该假定与实际相差较大，特别是初次等压加载过程中试样的骨架排水体变较大（包括塑性和弹性变形两部分，主要是前者），会放大该假定引起的误差。
综上所述，目前在粗粒土三轴试验中试样橡皮膜的嵌入分析和测量方法还存在诸多问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术和方法的缺点和不足，提供一种测量粗粒土大型三轴试验中试样橡皮膜嵌入量的方法，该方法可以通过在常规固结试验过程中增设小幅围压循环加载环节来实现橡皮膜嵌入量的测量，操作难度低、步骤简单，且有效消除了试样个体离散性的影响。
本发明采用的方案是：一种测量粗粒土大型三轴试验中试样橡皮膜嵌入量的方法，包括如下步骤：
（a）采用大型三轴试验设备，按《土工试验规程》（sl237-1999）中常规试验方法制备饱和的粗粒土三轴试样；
（b）按《土工试验规程》对试样进行常规固结试验，固结围压分多级加载到目标值，在每一级固结围压处增设小幅值围压循环加载环节，循环围压幅值为50kpa、次数为5、周期为6min，以此循环加载过程来消除试样的塑性增量变形，从而测定该环节中试样可恢复的体积变形幅值和轴向变形幅值；按此方法直至目标围压；
（c）基于橡皮膜嵌入是可恢复的原理，以及试样可恢复变形仅包括橡皮膜嵌入变形和粗粒土骨架弹性变形两部分的特点，根据每一级固结围压处循环围压幅值引起的试样循环体积变形幅值和循环轴向变形幅值，测定围压变化导致的橡皮膜嵌入增量；其中，粗粒土骨架弹性体积变形幅值根据假定各向同性计算，等于3倍的循环轴向应变幅值乘以试样的体积，轴向应变等于轴向变形除以试样高度；橡皮膜嵌入增量等于试样循环体积变形幅值减去粗粒土骨架弹性体积变形幅值，并根据不同围压处橡皮膜嵌入增量计算橡皮膜嵌入总体积量。
本发明的有益效果是：该测量方法不用另行设计和研制测量橡皮膜嵌入量的设备，利用常规大型三轴仪即可测得橡皮膜的嵌入量。该测量方法操作步骤简单，且避免试样的离散性，能精确地测量橡皮膜随围压变化的嵌入量，为校正三轴试验中粗粒土的体积变形提供了可靠的技术手段，推动了粗粒土力学特性与本构模型的研究，具有良好推广价值。
附图说明
图1是粗粒土试验级配曲线。
图2是围压加载过程。
图3是各级围压处橡皮膜嵌入增量和粗粒土骨架体积变形幅值。
具体实施方式
以下结合实例，对上述的测量方法作详细说明。
一种测量粗粒土大型三轴试验中试样橡皮膜嵌入量的方法，包括如下步骤：
（a）采用大型三轴试验设备，按《土工试验规程》（sl237-1999）中常规试验方法制备饱和的粗粒土三轴试样。粗粒土的制样控制指标是孔隙率为0.20，粗粒土级配曲线见图1。
（b）按《土工试验规程》对试样进行常规固结试验，固结围压分多级（包括50kpa，100kpa，150kpa，250kpa，350kpa，450kpa，550kpa，650kpa，750kpa，950kpa）加载到目标值1000kpa，在每一级固结围压处增设小幅值围压循环加载环节，例如，循环围压幅值为50kpa、次数为5、周期为6min，以此循环加载过程来消除试样的塑性增量变形，从而测定该环节中试样可恢复的体积变形幅值和轴向变形幅值。按此方法直至目标围压。围压加载过程见图2。
（c）基于橡皮膜嵌入是可恢复的原理，以及试样可恢复变形仅包括橡皮膜嵌入变形和粗粒土骨架弹性变形两部分的特点，根据每一级固结围压处循环围压幅值引起的试样在第5个周期内的循环体积变形幅值和循环轴向变形幅值，测定围压变化导致的橡皮膜嵌入增量。其中，粗粒土骨架弹性体积变形幅值根据假定各向同性计算，等于3倍的循环轴向应变（轴向应变等于轴向变形除以试样高度）幅值乘以试样的体积。橡皮膜嵌入增量等于试样循环体积变形幅值减去粗粒土骨架弹性体积变形幅值，并根据不同围压处橡皮膜嵌入增量计算橡皮膜嵌入总体积量。该方法中粗粒土骨架体积变形是可恢复的（弹性的），占试样循环体积变形幅值的比例为11.2%~19.2%（见图3）（橡皮膜嵌入量随着颗粒尺寸的增加而增加，因此该比例在更大颗粒的粗粒土中的数值会更小）。根据各向同性假定计算的试样径向变形误差是20%、40%（土体各向异性引起的），则计算的试样骨架体变误差是13.3%、26.6%，因此橡皮膜嵌入的误差仅为1.5%~2.6%、3.0%~5.2%。因此本测量方法具有很高的精度。