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张家港晟泰克智能仪器有限公司 杨熙章
同济大学地下建筑与工程系 吴晓峰
一、概述
迄今为止，尽管很多的土力学专家，教授以及从事土质试验的工程技术人员对土的应力路径的试验研究和理论分析，取得的一定的成果和明确的结论，但是试验和实践仍在不断的改进和深化。因为应力路径试验，就同一种土而言，采用的不同的试验装置或者是不同的加荷方式或者是不同的固结条件，其应力变化过程和应变的关系是不同的。
尽管一般认为，应力路径是指土体在外力作用下，土中某一点的应力变化的过程在应力坐标图中的轨迹，它是描述土体在外力作用下的应力状态及其变化过程的一种方法，同一种土体制备成相同规格的试样，采用不同的应力路径和不同的试验手段使之破坏，其应力变化过程是不相同的。
应力路径的不同，一般来说对于土的强度参数c’，φ’值影响不大，但对于土的变形特征却又强烈的影响，或者说对于理想的均质土来说，不论是排水或固结不排水，三轴压缩或是三轴伸长的不同应力路径，其有效强度指标c，φ值差别不大，而对于各向异性土即带有层状结构的土样来说，不同的智能应力路径三轴试验，不仅对于强度参数产生很大影响，而且对于变形指标也将是很大差异，因此智能应力路径三轴试验作为三轴试验的一个特殊条件，对于工程实践中应用研究是值得注意的问题。
二、应力路径仪的主要技术指标及构造
本公司吸收消化根据早期伦敦帝国学院开发的成果，设计和试制了与目前正在由英国的ELE公司和WF公司以及GDS公司生产了类似的智能应力路径三轴仪，该仪器由液压操纵伺服控制，无需加压框架的三轴压力室的等应力和等应变的自动化装置。其结构紧凑，简单，体积小，重量轻，功能全，操作方便。
这种仪器可以进行常规的三轴压缩试验，在不同的侧压力条件下获取应力应变关系和强度参数。特别是该仪器可模拟符合土体在不同的工况条件下的主动土压力，被动土压力和静止土压力土的变形特征。
1、主要技术指标
围压：0-2MPa；分辨率：1kPa；线性误差：0.3%；
轴压：0-6MPa（水下传感器）；分辨率：3kPa；线性误差：0.3%；
位移：0-30mm；分辨率0.01mm；线性误差：0.3%；
孔压：0-2MPa；分辨率：1kPa 线性误差：0.3%；
反压：0-1MPa；分辨率：1kPa；线性误差：0.3%；
体变：0-50ml；分辨率：0.01ml；线性误差：0.3%；
土样直径：39.1mm；
土样高度：80mm。
2、组成部分
三轴压力室：内设水下荷重传感器，安装在试样顶部，试样的底部是安装在加压活塞顶部，加压活塞的底部是活塞压力腔，活塞的上下运动是采用滚动膜片和直线轴承。压力室底座上设有围压，孔压，排水，反压等阀门。
围压的液压控制器：围压控制由单片机组成的触摸屏控制系统并有步进电机驱动液压筒的传压活塞同时由液压传感器反馈实时压力进行自动控制。可以进行等应变控制或等应力控制。
轴压的液压控制器：轴压控制由单片机组成的触摸屏控制系统，并有步进电机驱动液压筒的传压活塞，对三轴压力室底部的滚动隔膜活塞压力腔进行加压载，并有土样上端的水下荷重传感器与液压筒里的压力传感器组成等应力控制体系。如果进行等应变控制的三轴应力路径试验，将液压控制器按流量控制轴向位移。
孔隙压力传感器：安装在压力室土样底部，其数字信号（孔压值）由输入单片机储存
轴向位移传感器：安装在压力室侧面的固定座上，下端其活动的位移量由压力室加压活塞的悬臂梁的位移产生。
反压液压控制器：反压控制由单片机组成的触摸屏控制系统并有步进电机驱动液压筒的传压活塞同时由液压传感器反馈实时反压力进行自动控制。其土样排水量由反压液压控制器实测
三、智能应力路径三轴试验
1、本次应力路径试验，采用三个不同的应力路径进行。
第1 种试验方法即常规三轴试验，首先，试样在三轴压力室内进行不同的固结压力下等向固结，然后进行不排水剪同时测定空隙压力，通常称为等向固结三轴压缩试验。
第2 种方法为不等向固结，将土样在三轴压力室内进行K0固结，其中固结过程中采用应力控制法，K0系数通通过静止侧压力仪获得，待固结稳定后再进行三轴压缩试验并测其空隙水压力，通常成为K0固结压缩试验。
第3 种试验方法与第二种试验方法的K0固结过程相同，然后进行三轴伸长试验，伸长试验为分别在轴压不变的情况下不断连续施加围压直至破坏。
2、试验用土，采用试坑法，从坑底直接取样，取土器用200×200×200mm正方形取土盒，取样深度地表以下5m左右，地下水位在地表以下1m左右，土样性质为淤泥质粘质粉土，其水平向层理结构明显，俗称“千层饼”，属于亚粘土与薄层粉砂、轻亚粘土互层。其中主要理力学参数指标如表1所示。
3、试验资料整理
①采用邓肯（Duncan）和康德纳(Kondner)方法 ，三轴试验的应力与应变近似的双曲线关系 。如果将偏差应力σ1-σ3纵坐标轴改为
则双曲线变为直线。这样从该直线上很容易确定a，b数值，得到在所对应的σ3作用下的Ei和（σ1-σ3）ult。
可改写为
式中：a为初始切线模量E的倒数；b为主应力差渐近值；（σ1-σ3）为ult的倒数；εa为轴向应变；(σ1-σ3)f为试验破坏时主应力差；Rf为破坏比，数值小于1，其定义为：
根据简布（Janbu）对压缩试验研究初始模量Ei和与固结压力σ3表示如下：
式中：k、n为试验确定的参数，由Ei与σ3关系求得；Pa为大气压力，单位与Ei相同，以便使k成为无因次的数。
附表1：智能应力路径三轴试验土的主要物理力学试验指标
智能应力路径三轴试验方法 | 主要物理性质指标 | |||||||||
W（%） | ρ（g/cm3） | e0 | Sr（%） | WL(%) | Wp(%) | Ip | IL | |||
等向固结三轴压缩 | 42.3 | 1.87 | 1.17 | 98.3 | 35.9 | 23.9 | 12.0 | 1.53 | ||
K0固结三轴压缩 | 43.9 | 1.73 | 1.25 | 95.9 | 34.3 | 23.2 | 11.1 | 1.86 | ||
K0固结三轴伸长 | 41.6 | 1.79 | 1.14 | 98.6 | 34.3 | 23.2 | 11.1 | 1.66 | ||
智能应力路径三轴试验方法 | 固结试验主要参数 | 强度参数 | ||||||||
ae(Mpa-1) | mp(Mpa-1) | Es(Mpa) | Pc(Mpa) | Cv(cm2/s) | CH(cm2/s) | K0 | C’(Kpa) | φ’ | Af | |
等向固结三轴压缩 | 0.63 | 0.31 | 3.19 | 0.075 | 4.4×10-3 | 3.65×10-2 | 0.5 | 20 | 31° | 0.29 |
K0固结三轴压缩 | 0.70 | 0.31 | 3.21 | 0.074 | 3.4×10-3 | 3.85×10-2 | 0.53 | 0 | 29° | 0.31 |
K0固结三轴伸长 | 0.61 | 0.28 | 3.51 | 0.08 | 3.4×10-3 | 3.85×10-2 | 0.52 | 0 | 16° | -0.26
|
②摩尔强度包线。图2-10-18为等向固结三轴压缩强度摩尔包线；图2-10-19为K0固结三轴压缩强度摩尔包线；图2-10-20为K0固结三轴生长强度摩尔包线。
③三种试验方法的应力与应变关系曲线见图2-10-21和图2-10-22。
④三轴试验方法经数据处理后获得的归一曲线见图2-10-23至图2-10-28
4、根据简布（Janbu）对三种应力路径试验的初始切线模量Ei与固结压力σ3在双对数坐标中关系图见图2-10-29。
试验附图：
三种试验后结果如图所示。
四、试验结果分析
1、对具有层理构造的各向异性粘性土，表明在三种不同应力状态和应力路径的三轴 试验，结果是不同的。
2、智能应力路径三轴试验仪可以模拟土体在各种不同的应力状态下进行不同路径的三轴试验，如深基坑开挖时大主应力的卸载和小主应力的卸载，此时可以获得土体的应力应变关系。或者在地面荷载不变的条件下即σ1不变，减小σ3，此时的应力路径试验可以获得相应的应力应变关系，同样在σ1不变条件下，增加σ3的被动土压力状态也可以获得相应的应力应变关系等等。
3、智能应力路径三轴试验对土体的稳定性分析和土压力的变形计算以及建筑的沉降分析具有较高的实用价值，值得试验研究。
4、本报仅对成层土的三种应力状态下的智能应力路径三轴试验，表明从强度包线和强度的参数结果认为：K0固结的三轴伸长试验的强度为等向固结三轴试验强度的一半，这是值得大家研究的问题。
5、三种应力路径试验条件下的成层粘性土的变形参数，非线性弹性参数k，n值以及初始切线模量Ei都有明显差异。
6、笔者认为我们应该在从事理论研究的同时，必须切实的研究与实践的关系，有条件的多做一些工程实践的分析。