真三軸儀定義及舉例

真三軸儀是一種真實(shí)模擬主應(yīng)力狀態(tài)的土工測(cè)試儀器。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制了多種真三軸儀。按其壓力室加荷特性來(lái)分，有“剛性”、“柔性”、和“復(fù)合”3種形式。它們各有特點(diǎn)，適用范圍也不同。

在國(guó)外，剛性的真三軸儀主要有瑞典Kjellman研制的真三軸儀和英國(guó)劍橋大學(xué)Pears研制的劍橋真三軸儀，它們都適用于砂土；柔性的真三軸儀主要有Surrey大學(xué)Mengles研制的真三軸儀、墨西哥大學(xué)Marsal研制的真三軸儀和美國(guó)Lo等研制的真三軸儀；復(fù)合型的真三軸儀主要有倫敦大學(xué)Green研制的真三軸儀、日本谷藤株式會(huì)社和日本誠(chéng)研舍研制的真三軸儀。中國(guó)除了從國(guó)外引進(jìn)真三軸儀外，還有進(jìn)行改造或自己開(kāi)發(fā)的幾種真三軸儀，分別為清華大學(xué)真三軸儀、同濟(jì)大學(xué)真三軸儀和河海大學(xué)真三軸儀。

按照真三軸儀的加荷方式，歸納起來(lái)主要有3種：應(yīng)變控制的全部剛性的加荷方式，應(yīng)力控制的全部柔性的加荷方式，復(fù)合控制的剛性和柔性的加荷方式。

真三軸儀優(yōu)點(diǎn)

①應(yīng)變控制的全部剛性的加荷方式，試樣各向應(yīng)變均勻，能精確測(cè)量應(yīng)變，可達(dá)到較大的軸向應(yīng)變，可模擬復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變路徑，可在加荷板上安裝壓力盒及孔隙壓力計(jì)等；

②應(yīng)力控制的全部柔性的加荷方式，主應(yīng)力法向作用于加荷面，各面上應(yīng)力分布均勻，在無(wú)明顯邊界干擾情況下3個(gè)方向能達(dá)到最大應(yīng)變，易按預(yù)定的復(fù)雜應(yīng)力路徑進(jìn)行試驗(yàn)，能產(chǎn)生剪切撓曲并可測(cè)量變形；

③復(fù)合控制的剛性和柔性的加荷方式，以剛性邊界作為壓縮方向，應(yīng)力控制的柔性邊界作為擠伸方向可免除邊界干擾，孔隙壓力計(jì)及其它儀器易于安裝，若預(yù)定的試驗(yàn)面與儀器軸成某一固定方向，則可按應(yīng)力路徑或應(yīng)變路徑進(jìn)行試驗(yàn)，可模擬平面應(yīng)變。

真三軸儀缺點(diǎn)

①應(yīng)變控制的全部剛性的加荷方式，應(yīng)力不均勻且難以檢驗(yàn)，不適宜于剪切撓曲，當(dāng)軸向應(yīng)變大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生加荷板互相干擾，不能進(jìn)行預(yù)定的應(yīng)力路徑試驗(yàn)，儀器較大而不靈巧，操作較復(fù)雜；

②應(yīng)力控制的全部柔性的加荷方式，如不采取特殊預(yù)防措施，會(huì)產(chǎn)生邊界干擾，如不加專門(mén)潤(rùn)滑措施，則難以達(dá)到均勻應(yīng)變，只有通過(guò)逐步校正作用于平面的法向應(yīng)力，才可能達(dá)到平面應(yīng)變條件，孔隙壓力計(jì)不易安裝；

③復(fù)合控制的剛性和柔性的加荷方式，預(yù)定的復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗(yàn)難以進(jìn)行，剛性板上法向應(yīng)力的均勻性及柔性板上應(yīng)變的均勻性難以確定，在邊界附近產(chǎn)生不均勻應(yīng)力和應(yīng)變，儀器較大而不靈巧，操作較復(fù)雜。

真三軸儀研制目標(biāo)和思路

真三軸儀可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)軸向分別施加不同大小的主應(yīng)力，3軸向產(chǎn)生應(yīng)變，能夠模擬土體中一般的應(yīng)力條件。為了實(shí)現(xiàn)3個(gè)軸向施加主應(yīng)力，真三軸試樣一般為一個(gè)立方體。若真三軸儀的3個(gè)軸向均采用平板加載時(shí)，每個(gè)軸向施加正應(yīng)力的平板的剛性大，相對(duì)于土樣，三向加載板可視為剛性板。當(dāng)試樣發(fā)生較大變形后，與試樣接觸的剛性板必然產(chǎn)生相互接觸而制約它們的運(yùn)動(dòng)，這就影響了3個(gè)軸向的加載和變形。三向柔性加載時(shí)，便于控制應(yīng)力，但三向柔性液壓囊在接觸處存在相互干擾，且不利于獨(dú)立測(cè)試三向應(yīng)變。雙向平板、一向柔性加載時(shí)，雙向剛性平板之間也存在互相干擾，且它們只能施加大小主應(yīng)力。因此，改善真三軸試驗(yàn)加載機(jī)構(gòu)，消除現(xiàn)有真三軸儀加載剛性板之間的相互制約，剛性板對(duì)試樣變形的約束影響，以及柔性液壓囊之間的相互干擾使得試樣沿三個(gè)軸向自由變形，不僅可以克服現(xiàn)有真三軸儀存在的問(wèn)題，而且使模擬的應(yīng)力與變形條件更加符合實(shí)際。

完善的真三軸儀加載機(jī)構(gòu)能夠模擬一般應(yīng)力條件，3個(gè)軸向獨(dú)立量測(cè)變形，以便研究復(fù)雜應(yīng)力條件下巖土材料的力學(xué)性狀。為此，對(duì)該真三軸儀的研制提出如下技術(shù)要求：

①能夠分別控制應(yīng)力與應(yīng)變，在軸向加載過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)控制加荷速率和變形速率，剪切過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)中主應(yīng)力聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)等洛德參數(shù)應(yīng)力路徑；

②三向獨(dú)立加荷，可以分別獨(dú)立自動(dòng)控制施加軸向、側(cè)向荷載，既避免兩者之間的相互影響，又可以相互協(xié)調(diào)，使立方體試樣上沿軸向和側(cè)向分別承受不同大小的正應(yīng)力，能夠模擬主應(yīng)力軸偏轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)應(yīng)力路徑等土體的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，并能進(jìn)行多種應(yīng)力路徑的真三軸試驗(yàn)；

③能夠控制排水條件，可以分別進(jìn)行固結(jié)排水和固結(jié)不排水條件試驗(yàn)，同時(shí)可以量測(cè)孔隙水壓力；

④自動(dòng)量測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)所有應(yīng)力信號(hào)輸入與反饋控制的自動(dòng)化，以及測(cè)試、量測(cè)信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集處理。

同時(shí)，真三軸儀還具備以下6個(gè)特點(diǎn)：

①水平面內(nèi)兩個(gè)主應(yīng)力方向上應(yīng)力和變形均呈對(duì)稱分布；

②土樣側(cè)面不受切向約束作用；

③能夠適應(yīng)加載過(guò)程立方體土樣變形引起側(cè)棱變位的變化；

④能夠適應(yīng)土樣側(cè)棱擠出變形的發(fā)展；

⑤避免三向主應(yīng)力加載過(guò)程的互相干擾；

⑥加載過(guò)程土樣保持對(duì)稱，在水平面上始終中心受荷。

真三軸儀新型真三軸儀的研制

對(duì)比以往真三軸儀的優(yōu)缺點(diǎn)，新研制的真三軸儀是一種軸向剛性、側(cè)向柔性的復(fù)合型加載真三軸儀，主要由主機(jī)、伺服步進(jìn)電機(jī)液壓加載系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)3部分構(gòu)成。

主機(jī)的壓力室呈立方體，試樣位于剛性底座和頂蓋中央，立方體試樣的側(cè)面對(duì)應(yīng)的有兩組梯形側(cè)壓腔，放置柔性液壓囊，且與液壓/體變控制器連接。在豎向的主軸方向用剛性板施加大主應(yīng)力σ₁；在水平面內(nèi)的側(cè)向分別有兩對(duì)柔性囊相向施加中主應(yīng)力σ₂和小主應(yīng)力σ₃。為了主動(dòng)適應(yīng)加載過(guò)程中試樣變形引起棱角的變化和避免中、小主應(yīng)力之間的相互干擾，壓力室的各側(cè)壓腔之間設(shè)置能夠徑向彈性伸縮、水平面內(nèi)彈性轉(zhuǎn)動(dòng)的隔離板，能夠有效分離相鄰液壓囊。步進(jìn)伺服電機(jī)液壓加載系統(tǒng)能夠控制三向獨(dú)立加載，其具有伺服步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿推進(jìn)液壓缸活塞產(chǎn)生液壓源，分別與壓力室底座下軸向活塞和側(cè)向液壓柔性囊連接，通過(guò)液壓傳感器和位移傳感器，既能夠?qū)崿F(xiàn)三向獨(dú)立加載，也能夠控制三向加載時(shí)柔性囊的體變。同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集。這是本次儀器開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)。新型真三軸儀系統(tǒng)及工作原理見(jiàn)圖1所示。

真三軸儀主要結(jié)構(gòu)

壓力室

壓力室由底座、頂蓋板、外筒組成。它們都由不銹鋼金屬材料制成。壓力室外筒的形狀呈立方體，其中四棱為圓弧形。具體形狀見(jiàn)圖2，3。壓力室橫截面直邊長(zhǎng)200mm，壁厚8mm，高度為150mm，外棱邊的倒角弧度為15°。側(cè)壓腔的隔板與壓力室側(cè)壁連為一體，每個(gè)隔板由轉(zhuǎn)動(dòng)軸承、徑向伸縮板組成，徑向伸縮彈簧銜嵌在轉(zhuǎn)動(dòng)軸承內(nèi)，水平面扭轉(zhuǎn)限制彈簧安裝于壓力室外側(cè)壁。

試樣尺寸為70mm×70mm×70mm，內(nèi)置于正方形斷面的特制的橡膠膜內(nèi)，兩端通過(guò)橡皮膜外包薄壁環(huán)，且繞過(guò)薄壁環(huán)內(nèi)嵌，再嵌入帶有密封圈的正方形底或頂座，密封試樣上下兩端。試樣的底座和頂蓋均內(nèi)嵌透水板，便于控制排水條件。橡皮膜密封的試樣安置在四個(gè)側(cè)壓力腔和一個(gè)剛性底座及一個(gè)剛性帽之間。壓力室的工作原理是試樣的側(cè)向中主應(yīng)力σ₂和小主應(yīng)力σ₃分別由兩套伺服步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓/體變控制器連接的液壓柔性囊施加。試樣的大主應(yīng)力由壓力室底座下的軸向加荷油缸頂升壓力室，通過(guò)試樣帽由反力主軸施加。當(dāng)軸向加載時(shí)，試樣產(chǎn)生軸向壓縮變形，側(cè)向可能產(chǎn)生擠出變形，隨著側(cè)脹的發(fā)生，側(cè)壓力腔隔板可產(chǎn)生彈性收縮，適應(yīng)試樣側(cè)棱的位移。

如試樣也產(chǎn)生側(cè)向壓縮變形，則側(cè)壓腔的隔板可產(chǎn)生彈性伸出。當(dāng)中主應(yīng)力比小主應(yīng)力較大作用試樣時(shí)，試樣在水平面上沿小主應(yīng)力作用方向產(chǎn)生伸展變形，沿中主應(yīng)力方向產(chǎn)生壓縮變形，引起試樣側(cè)棱產(chǎn)生轉(zhuǎn)角變位，同樣，隔板也可產(chǎn)生水平面轉(zhuǎn)動(dòng)，從而能夠適應(yīng)試樣側(cè)棱的變位。試樣的排水條件可由與底座、頂蓋透水板連通的排水管閥門(mén)控制。壓力室實(shí)物及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，5。

加荷系統(tǒng)

固結(jié)壓力均由伺服步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓/體變控制器直接供給。兩個(gè)側(cè)向固結(jié)應(yīng)力分別由兩套與側(cè)壓腔內(nèi)柔性囊連接的液壓/體變控制器獨(dú)立控制，大主應(yīng)方向由與壓力室底座下的油缸連接的一套液壓/體變控制器獨(dú)立控制。如圖6所示，共有3套伺服步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓/體變控制器。在試樣固結(jié)時(shí)能實(shí)現(xiàn)3個(gè)固結(jié)應(yīng)力的單獨(dú)施加，壓縮剪切時(shí)3個(gè)主應(yīng)力也互不干擾和影響。兩套側(cè)向主應(yīng)力的液壓/體變控制器均在液壓缸和移動(dòng)活塞上裝有液壓傳感器和位移傳感器，分別用于控制側(cè)向主應(yīng)力的大小及液壓囊的體變；軸向荷載和試樣變形分別由反力主軸上的荷載傳感器和壓力室頂蓋上的位移傳感器測(cè)量（圖7），并反饋于軸向加載的液壓/體變控制器。對(duì)試樣施加軸向荷載，可以分為應(yīng)變控制式和應(yīng)力控制式兩種。應(yīng)變控制是指試樣按規(guī)定的變形速率產(chǎn)生軸向變形，測(cè)定產(chǎn)生某一軸向變形所需要的軸向力。應(yīng)力控制式是指分級(jí)加載，測(cè)量每級(jí)荷載作用下試樣的變形量。它們可以分別由軸向荷載傳感器和位移傳感器量測(cè)，并通過(guò)自動(dòng)控系統(tǒng)反饋于伺服步進(jìn)電機(jī)液壓/體變控制器控制應(yīng)力和位移。

量測(cè)系統(tǒng)

量測(cè)系統(tǒng)包括應(yīng)力量測(cè)、變形量測(cè)和孔隙水壓力量測(cè)。大主應(yīng)力方向?yàn)閯傂园寮訅?，因此?yīng)力和變形傳感器可直接安裝在壓力室蓋板上。側(cè)向應(yīng)力和變形可通過(guò)伺服步進(jìn)電機(jī)加載系統(tǒng)上安裝的壓力傳感器和位移傳感器量測(cè)?？紫端畨毫υ谂潘ǖ捞幇惭b孔壓傳感器量測(cè)。

排水系統(tǒng)

土樣在固結(jié)和試驗(yàn)時(shí)采用的是上下雙面排水，在與土樣直接接觸的頂板和底座上設(shè)置有透水板，通過(guò)透水板可以進(jìn)行排水。在做固結(jié)排水試驗(yàn)時(shí)，可以通過(guò)量水管量測(cè)試樣在試驗(yàn)時(shí)的排水量；進(jìn)行固結(jié)不排水試驗(yàn)時(shí)，可將排水管連接到孔壓傳感器上，以測(cè)得試樣的孔隙水壓力。

自動(dòng)控制系統(tǒng)

真三軸儀的控制系統(tǒng)由應(yīng)力應(yīng)變傳感器、電阻應(yīng)變儀、控制調(diào)節(jié)電路及微機(jī)控制系統(tǒng)幾部分組成，見(jiàn)圖8。土體試樣的應(yīng)力應(yīng)變，由對(duì)應(yīng)的傳感器做相應(yīng)的輸出，輸出作為反饋的信號(hào)與給定的信號(hào)閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié)，應(yīng)力控制與應(yīng)變控制由切換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大后輸入A/D卡中，由微機(jī)完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的高速采集，以數(shù)據(jù)文件方式存放于微機(jī)中。

附屬設(shè)備

相關(guān)的附屬設(shè)備包括原狀樣削樣器、重塑樣壓樣器、試樣飽和器、橡皮膜、液壓橡膠囊等。 2100433B

真三軸試驗(yàn)是使巖石試件處于三個(gè)主應(yīng)力不相等（即σ1>σ2>σ3）的應(yīng)力組合狀態(tài)下的三軸壓縮試驗(yàn)。

學(xué)科：工程地質(zhì)學(xué)

詞目：真三軸試驗(yàn)

英文：true triaxial shear test

釋文：真三軸試驗(yàn)是使巖石試件處于三個(gè)主應(yīng)力不相等（即σ1>σ2>σ3）的應(yīng)力組合狀態(tài)下的三軸壓縮試驗(yàn)。真三軸試驗(yàn)可以研究中間主應(yīng)力（σ2）對(duì)巖石變形及強(qiáng)度特性的影響。 2100433B

累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱專利目的

《累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱》提供了一種累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱，利用具有良好韌性的液壓鋼囊所產(chǎn)生的變形累積對(duì)巖石試件進(jìn)行“內(nèi)部加壓”，能夠進(jìn)行不同巖性尺寸試件的試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，試驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，操作便捷。

累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱技術(shù)方案

《累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱》采用以下技術(shù)方案：

累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱，包含有底座、箱體、箱蓋、液壓鋼囊和手動(dòng)壓頭，所述箱體固定設(shè)置于底座，所述箱蓋固定在箱體頂部并可拆卸，所述箱體內(nèi)部中心位置用于放置試件，所述試件四面及頂部設(shè)置有多個(gè)液壓鋼囊，所述設(shè)置于試件四面和頂部的液壓鋼囊外圍分別設(shè)置有墊塊，所述液壓鋼囊通過(guò)進(jìn)油管、出油管與外部油壓控制裝置的油管連接，所述手動(dòng)壓頭設(shè)置為兩個(gè)，分別通過(guò)箱體的相鄰兩側(cè)面旋入箱體內(nèi)，通過(guò)墊塊間接對(duì)液壓鋼囊進(jìn)行擠壓。

所述箱體呈方體對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其底部四角分別設(shè)置有立柱，所述箱蓋上設(shè)置有與立柱相對(duì)應(yīng)的四個(gè)孔，并通過(guò)螺母將箱蓋固定于箱體頂部。

所述液壓鋼囊的囊體由兩塊尺寸相同鋼板四周邊緣焊接而成，所述液壓鋼囊的進(jìn)油管和出油管對(duì)稱設(shè)置，通過(guò)箱體底部的孔與外部油壓加壓裝置連接，并且每?jī)蓚€(gè)相鄰液壓鋼囊的進(jìn)油管和出油管交錯(cuò)布置。

所述墊塊采用塊狀墊塊或板狀墊塊。

還包括有肋板，所述肋板分別與箱體和底座固定連接，用于對(duì)箱體的支護(hù)。

累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱改善效果

《累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱》改變傳統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備中通過(guò)壓力機(jī)等外力給巖石試件施加壓力的方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用設(shè)置于箱體內(nèi)試件周圍的液壓鋼囊產(chǎn)生的變形累積對(duì)試件進(jìn)行“內(nèi)部加壓”，只需與油壓加壓裝置配合使用，可承擔(dān)巖石的單軸、雙軸、三軸加載試驗(yàn)，也可承擔(dān)巖爆試驗(yàn)，也可通過(guò)控制其中單個(gè)液壓鋼囊的油壓對(duì)試件變形量進(jìn)行控制，進(jìn)行巖石卸載試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，液壓鋼囊可根據(jù)試件變形量情況加工成適合的尺寸，成本低廉，操作方便但符合試驗(yàn)操作規(guī)范，試驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，適宜研究機(jī)構(gòu)推廣應(yīng)用。

圖1為《累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱》整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為《累積變形加載真三軸試驗(yàn)箱》縱切面示意圖。