浅议粗粒料大型三轴试验的一些问题

张 堃，姜景山，周 胜，司海鹏

（南京工程学院建筑工程学院，南京 211167）

浅议粗粒料大型三轴试验的一些问题

张 堃，姜景山，周 胜，司海鹏

（南京工程学院建筑工程学院，南京 211167）

粗粒料是由粒径较大的颗粒彼此充填而成的堆积体，一般采用大型三轴试验研究其力学特性。由于颗粒粒径相对较大造成粗粒料大型三轴试验中存在一些问题，如橡皮膜的嵌入问题和缩尺效应问题；此外三轴试验还存在一些共性问题，如端部约束效应、只能模拟轴对称应力状态等。在介绍大型三轴试验原理的基础上，分析了粗粒料大型三轴试验中存在的一些问题，并针对存在的问题提出了一些建议。

粗粒料；大型三轴试验；力学特性；应力状态；颗粒粒径

1 引 言

粗粒料一般是由粒径相对较大的颗粒相互充填而成的颗粒堆积物，具有较高的强度和较小的变形，力学性能较好。由于颗粒粒径较大，颗粒间的孔隙也较大，因此，粗粒料还具有较好的渗透性能。此外，粗粒料一般可就地取材，因而成本较低，具有较好的经济性。由于具有上述主要优点，粗粒料被广泛应用于公路和铁路的路基工程、河流和航道的护岸工程、河流堤坝工程及土石坝工程等。

粗粒料粒径较大常采用大型三轴试验，即物理力学模型来研究其力学特性，并在此基础上建立粗粒料应力应变关系的数学模型，已经取得了较多的研究成果。针对粗粒料大型三轴试验进行了总结，对三轴试验存在的问题进行了分析，以便为更真实准确掌握粗粒料的力学性状提供依据。

2 大型三轴试验原理

粗粒料的粒径较大，为较真实呈现粗粒料的一定应力状态下的力学响应，一般要求试样尺寸与颗粒最大粒径之比不宜小于5。常用的大型三轴试验试样为高60 cm、直径30 cm的圆柱体，虽能模拟粗粒料的最大粒径为60 mm。相比于中小尺寸的三轴仪，大型三轴仪的尺寸增大，对加载系统、反压系统、稳压系统等要求也大为提高，目前常用的30 cm（直径）×60 cm（高度）的试样尺寸在技术、经济和实用上都相对适宜的选择。

目前粗粒料大型三轴试验较多开展的是常规三轴压缩剪切试验，由于粗粒料透水性较好，多为排水剪切试验。常规大型三轴排水剪切试验的原理相对简单，即首先将准备好的饱和试样各向等压固结至试验要求的围压σ3，等固结完成后，保持压力室的围压σ3不变，逐步施加偏应力Δσ1（=σ1-σ3）直至试样剪切破坏，如图1所示。应力施加方式有应力控制式和应变控制式，实际常规大型三轴试样采用应变控制式较多，即施加偏应力时控制试样轴向应变以一个合理的速率进行剪切。

图1　常规大型三轴试验原理

此外，应用大型三轴仪还可以进行其他应力路径的试验，如等比例加载、流变试验、湿化试验、K0固结大型三轴试验等。大型三轴仪一般由加载系统、反压系统和测量系统组成。由于常规大型三轴试验通过圆柱形压力室内的液体（水）来施加周围压力σ3，因此，小主应力σ3和中主应力σ2都等于围压σ3，三轴试样的应力状态模拟的是轴对称的应力状态。

3 端部约束的影响

粗粒料大三轴试样击实完成后，会将橡皮膜通过玻璃胶和乳胶管等材料固定在三轴仪刚性的底座和上端加载帽上，以达到密封试样使试样与三轴仪压力室隔离开来。由于刚性端部加载面和端部橡皮膜密封作用的影响，导致粗粒料试样在端部附近的变形受到较大的约束作用，特别是较大的应力水平状态下，试样端部和中部产生较大的不均匀变形，致使粗粒料试样呈现明显的鼓形形态。

试样端部土体受到刚性加载端约束的现象，早已被人们所注意，泰勒用不同高径比的试样来研究端部约束的影响。通过试验发现当高径比大于或等于2时，端部约束对试样强度的影响就可忽略不计。其他学者也有类似的发现，如Bishop和Norris等通过三轴试验表明，当试样高径比为2～3时，试样与试样加压端之间的摩擦力对强度的影响较小，但对于变形而言端部约束的影响是不能忽略的，在粗粒料大型三轴试验中试样呈鼓形破坏就是很好的证明。

要尽量消除端部约束的影响，许多学者都进行了各种尝试。一种比较简单的方法就是在大型三轴仪容许的情况下尽可能增大试样的高度（高径比），减小端部约束效应对总体试验成果的影响，主要是体现在变形特性方面。另外一种，就是从减小试样和加载端之间的摩擦力入手，采用一些减摩措施，如端部涂抹一些润滑物质，或者试样和刚性加载面之间放置能够自由滑动的片状材料。还有可以从改变加载端的设计入手，使与试样直接接触的接触面设计为可以随着试样端部颗粒位移而移动，即设计为可径向变形的加载端，目前长江科学院岩土力学与工程正在进行相关设备的研制和试验工作。

4 橡皮膜嵌入的影响

粗粒料大型三轴试验中，由于试样的侧面凹凸不平，当对试样施加侧向应力后，橡皮膜会嵌入到试样侧面的空隙中去，并挤出空隙中的这部分水，产生附加的排水量，影响到体积变化的测量精度。橡皮膜嵌入的这种影响对试样固结阶段的影响较大，在剪切阶段时由于一般的常规三轴试验围压不再发生变化，因而影响相对较小。但是在大型三轴不排水剪切试验中，橡皮膜的嵌入既会影响到固结阶段试样的体积变化，也会影响到剪切过程中孔隙水压力的测量，主要是因为剪切时有效围压发生变化。

由于粗粒料本身颗粒级配的限制，一方面完全消除橡皮膜的嵌入作用不现实，另外一方面备样时应可以尽可能减小橡皮膜嵌入的不利影响，装样时一定要要保证大小颗粒相对均匀填充，并尽量防止粒径较大的颗粒填充到最外侧，这点只要装样有一定经验的技术工人认真细心地备样基本能将这种影响降低到最小。

5 缩尺效应的影响

由于粗粒料粒径大，目前还无法对所有粗粒料实物试样进行力学性质试验，常采用按一定方法缩尺后的室内试验结果来推求实际材料的力学性质。粗粒料的缩制使得试验成果和实际材料工程特性之间存在一定的差异，称为缩尺效应。一般采用直径为30 cm粗粒料试样的大型三轴试验所得到的强度参数作为实际粗粒料的强度指标。而目前随着施工机械的发展和施工水平的提高，粗粒料的最大允许颗粒已由原来的300～400 mm提高到目前的800～1 000 mm。对于最大粒径大至1 m的粗粒料目前还难以通过足尺试验进行研究，因而经过缩尺后的常规大型三轴试验得到的成果与实际粗粒料的力学响应之间有什么差异、有多大差异还不得而知，也没有人实际研究过。

此外，在长期的粗粒料试验中还发现，对原级配按相同级配模拟方法缩尺得到不同最大粒径的试验级配，在相同的击实功作用下，最大粒径越大其最大干密度也就越大。由此可以推断，现场大粒径的堆石料在与试验室相同的击实功作用下，其最大干密度应该比室内试验得到最大干密度要大。因此缩尺本身也会导致试验密度和现场密度的差异，这种密度的差异也会对粗粒料的力学性质产生较大影响。

为更好地了解缩尺效应的影响，应先在目前粗粒料现有试验条件基础上尽可能开展不同尺寸试样的三轴试验，由于通过较小最大颗粒粒径粗粒料的力学参数去确定较大最大粒径粗粒料的力学参数是不保险的，存在较大的不确定性，因此应结合数值模拟开展对比研究，参考数值模拟的结果对缩尺效应的影响进行研究是可能较为可行的途径。

6 应力状态的影响

应用大型三轴试验可以认识和了解粗粒料在一定应力状态下的力学响应，为实际工程的应力变形分析提供依据，由于大型三轴试验原理简单、操作方便，在工程中被广泛应用。但大型三轴试验也存在不足，如由于大型三轴仪器本身的限制，只能模拟轴对称应力状态，即中主应力σ2和小主应力σ3相等的应力状态。而实际粗粒料往往处于三向不等的应力状态，即处于σ1＞σ2＞σ3三维普遍应力状态。实际研究已经表明，中主应力σ2对粗粒料的强度和变形特性有较为显著的影响，模拟轴对称应力状态的大型三轴试验低估了粗粒料的强度，导致不能充分利用粗粒料本身的力学潜能为工程更好的服务。而能够模拟粗粒料在三维普遍应力状态下的真三轴试验，由于试样原理较为复杂，导致试验仪器构造相对于大型三轴仪变的复杂很多，而且三个方向的加载的相互影响和干扰问题一直没有能够较好地解决，因此一直没能够在工程中推广和应用。因此，轴对称应力状态不仅使大型三轴试验的优势突出，另一方面也是模拟真实力学响应的一大不足，这将是今后粗粒料试验努力改进和研究的一个重要课题。

7 结 语

大型三轴试验是粗粒料力学特性研究的一种重要物理力学模拟手段，为粗粒料应力变形分析提供了重要的参考和依据。针对大型三轴试验，介绍了其试验原理，分析了粗粒料大型三轴试验中存在的一些主要问题，如端部约束、橡皮膜的嵌入、缩尺效应、和应力状态的影响等，并针对存在的问题提出了一些建议，以便为更好地认识和了解粗粒料的力学特性提供参考。

［1］ 张启岳，司洪洋.粗颗粒土大型三轴压缩试验的强度与应力应变特性［J］.水利学报，1982，（9）：22-31.

［2］ 刘祖德，陆士强，包承纲，等.土的抗剪强度特性［J］.岩土工程学报，1986，8（1）：6-46.

［3］ 郭庆国.关于粗粒土抗剪强度特性的试验研究［J］.水利学报，1987，（5）：59-65.

［4］ 程展林，丁红顺，吴良平.粗粒土试验研究［J］.岩土工程学报，2007，29（8）：1151-1158.

TU443

C

1008-3383（2016）09-0004-02

2016-02-24

张堃（1995-），男，江苏盐城人，本科生，主要从事交通土建方面的研究。

南京工程学院大学生科技创新基金项目资助（TB20160925；N20150915）