于玉貞，張向韜，王 遠(yuǎn)，呂 禾，孫 遜

(清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084)

堆石料是一種使用極為廣泛的重要工程材料，大部分的巖石經(jīng)過爆破等處理以后即可形成堆石料，所以其在自然界中來源廣泛，儲量豐富。堆石料具有眾多優(yōu)良工程特性，如壓實密度大、抗剪強度高、透水性好、不易發(fā)生液化等[1]，因而在高填方、土石壩、公路鐵路基礎(chǔ)等工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。以堆石壩為例，堆石料常用于堆石壩的壩殼、反濾層和過渡層，主要起到保護(hù)和支撐防滲體的作用。在心墻堆石壩中，堆石料一般占壩體總量的 70%～80%，在面板堆石壩中堆石料占壩體總量的比例可在99%以上。土石壩是我國水利工程中最常用的壩型之一，隨著我國施工技術(shù)和能源需求的提高，我國已建、在建和擬建的很多高土石壩也越來越高，例如大渡河雙江口工程(壩高 314 m)、雅礱江兩河口心墻堆石壩(壩高 295 m)、瀾滄江糯扎渡心墻堆石壩(壩高 261.5 m)、如美心墻堆石壩(壩高 315 m)以及古水面板堆石壩(壩高245 m)，等等。

在土石壩建設(shè)和蓄水過程中，堆石料經(jīng)受了極其復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)的變化。目前有關(guān)堆石料的靜力學(xué)特性主要采用常規(guī)三軸試驗進(jìn)行研究[2—3]，但是常規(guī)三軸試驗只能模擬兩個主應(yīng)力相等的應(yīng)力狀態(tài)，無法考慮中主應(yīng)力的影響。而在實際工程中堆石料所受3個主應(yīng)力一般并不相等，處于三向受力狀態(tài)，與常規(guī)三軸條件相差很大，相應(yīng)的真實力學(xué)特性與常規(guī)三軸試驗得出的結(jié)果有明顯的區(qū)別。目前建立的堆石料本構(gòu)模型多基于常規(guī)三軸試驗資料，如推廣到三維情況，需要真三軸試驗資料進(jìn)行驗證。此外，堆石料在復(fù)雜的受力過程中表現(xiàn)出初始各向異性及誘發(fā)各向異性等特點，這些特性均難以用常規(guī)三軸試驗來準(zhǔn)確測定。研究堆石料在復(fù)雜應(yīng)力條件下，特別是真三軸條件下的力學(xué)特性具有重要的理論意義和實用價值[4]，而開發(fā)合適的真三軸儀是一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

與已有的砂土和黏土真三軸試驗相比，堆石料的真三軸試驗有以下幾個難點：1) 試樣尺寸大。即使經(jīng)過縮尺堆石料的顆粒尺寸仍遠(yuǎn)大于黏土或者砂土，為反映堆石料的力學(xué)特性，所以所需試樣尺寸也更大。2) 需能夠承受高壓力。為反映高土石壩的力學(xué)特性，堆石料真三軸儀需要能夠施加更大壓力。3) 加載時各方向的相互干擾更強。隨著試樣的尺寸增大，施加壓力的增強，各方向間相互干擾性會顯著增加。4) 試樣變大后如何保證試驗過程中施加力的對中。在很多情況下試樣變形很大，如果有兩向或三向用活塞加載時，如不處理，加載合力方向可能與試樣中心線不一致。5) 加壓板與試樣間摩擦效應(yīng)更強；6) 真三軸試樣的安裝和量測更加困難。以上原因?qū)е铝硕咽险嫒S儀與砂土和黏土真三軸儀具有較大差別，試驗方法也需要進(jìn)行單獨研究。隨著機械加工、伺服控制和試驗技術(shù)的提高，前5個難點比較容易解決，最難的是第6)點，即核心部位試驗裝置的研制和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的試驗方法是這類真三軸試驗的制約因素。

常見的靜力真三軸試驗類型有：等 σ3(小主應(yīng)力)等b(Bishop常數(shù))試驗、等p(平均應(yīng)力)等b試驗、等p等q(廣義剪應(yīng)力)試驗、平面應(yīng)變試驗、單向加荷試驗以及等應(yīng)力比試驗(其中包括等q等b試驗)等[5]。靜力真三軸試驗類型眾多，需要結(jié)合土石壩等工程的具體特點設(shè)計試驗方案，對堆石料試樣在不同初始狀態(tài)和應(yīng)力路徑下進(jìn)行系統(tǒng)的試驗，研究堆石料真三軸條件下的力學(xué)特性和機理。

各向異性及顆粒破碎是堆石料的重要力學(xué)特性，其對堆石料應(yīng)力應(yīng)變特性具有較大影響，有必要結(jié)合真三軸試驗成果從機理上進(jìn)行分析。目前土石壩計算中本構(gòu)模型種類繁多，對各種模型的適用性一般采用常規(guī)三軸試驗，對真三軸條件下各本構(gòu)模型的適應(yīng)性研究較少，需結(jié)合真三軸試驗結(jié)果對常用的堆石料本構(gòu)模型的適用性進(jìn)行探討。

本文首先介紹巖土真三軸儀的發(fā)展?fàn)顩r，然后綜述堆石料靜力特性試驗研究及機理研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上介紹清華大學(xué)大型巖土靜動真三軸試驗機的研制和試驗方法開發(fā)，最后給出真三軸復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下堆石料的力學(xué)特性試驗研究成果。

1 巖土真三軸儀發(fā)展?fàn)顩r

自瑞典學(xué)者 Kjellman于 1936年[6]研制出第 1臺真三軸儀以來，真三軸儀設(shè)計方案和試驗方法不斷得到各國學(xué)者的研究和改進(jìn)。經(jīng)過幾十年的研究，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)展了多種形式的真三軸儀[7—15]。在真三軸儀發(fā)展初期，真三軸試驗內(nèi)容相對簡單，主要集中于研究平面應(yīng)變條件下或者不同中主應(yīng)力條件下土的強度和應(yīng)力-應(yīng)變特性，所以對真三軸儀的精細(xì)化等要求不高。隨著數(shù)值模擬技術(shù)和硬件的不斷發(fā)展，學(xué)者們希望能夠更加全面、深入地了解和研究土的本構(gòu)關(guān)系，從而對在試驗中實現(xiàn)更加復(fù)雜的應(yīng)力路徑提出了迫切需求。對土的力學(xué)特性研究的強烈需求，以及機械制造工藝、計算機控制技術(shù)和精密量測技術(shù)等的進(jìn)步促進(jìn)了真三軸儀的不斷發(fā)展。研制真三軸儀時，需解決不同主應(yīng)力方向的邊界干擾、試樣變形過程中與加載裝置的摩擦以及試驗過程中要保證受力中心不變等一系列技術(shù)問題。真三軸儀有多種分類方法，按各方向的加載方式不同大致可以分為3類：1) 剛性加載真三軸儀[16—18]，3個主應(yīng)力由剛性板施加。其中有代表性的是劍橋真三軸儀[11,13,15]。2) 柔性加載真三軸儀[1,7—8,14,19—25]，3 個主應(yīng)力由柔性囊施加。3) 混合型加載真三軸儀[9—10,12,26—34]又有多種類型，比較常見的有剛性板、柔性囊混合加載型和剛性板、圍壓混合加載型兩種。其中剛性板、圍壓混合加載型真三軸儀應(yīng)用最為廣泛。

1.1 國外巖土真三軸儀發(fā)展?fàn)顩r

1.1.1 剛性加載真三軸儀

1936年，Kjellman[6]設(shè)計了第1臺真三軸儀，并完成了立方體土樣的真三軸試驗。該儀器通過 6塊剛性板在3個方向獨立施加主應(yīng)力，由于其操作復(fù)雜，所以在當(dāng)時并未得到廣泛的推廣和應(yīng)用，相關(guān)文獻(xiàn)資料較少。直到20世紀(jì)60年代，真三軸試驗才成為巖土工程以及其它材料領(lǐng)域研究的熱點。為人熟知的是劍橋大學(xué)Hambly等[15,35]于1969年制作了 1臺剛性邊界加載的真三軸儀，基本原理如圖1(a)所示。該裝置由6塊剛性板組成，每塊板均可隨著試驗土樣的變形而運動，如圖1(b)。土體應(yīng)變可根據(jù)剛性板的位移進(jìn)行計算，作用在土體上的應(yīng)力可以由安裝在剛性板內(nèi)側(cè)的荷載傳感器實測數(shù)據(jù)換算得到。

圖1 劍橋大學(xué)剛性加載真三軸儀Fig.1 True triaxial apparatus of the rigid-loading type at University of Cambridge

剛性加載真三軸儀的主要優(yōu)點是：1) 試樣各向應(yīng)變均勻，能夠精確測量，并可達(dá)到較大的應(yīng)變；2) 3個方向上的大、中、小主應(yīng)力可以自由轉(zhuǎn)換，各方向上主應(yīng)力相互獨立施加；3) 可以在3個方向上施加較大應(yīng)力。剛性加載真三軸儀的主要缺點是：1) 剛性邊界容易造成應(yīng)力分布不均勻；2) 由于3個方向主應(yīng)力的施加均采用剛性板，所以加載剛性板與試樣之間的摩擦效應(yīng)對土體變形的影響更加顯著。3) 剛性加載板之間容易產(chǎn)生互相影響。所以此加載類型的真三軸儀已經(jīng)較少采用。

1.1.2 柔性加載真三軸儀

Bell[7]于1965年提出了通過橡皮膜施加主應(yīng)力的構(gòu)思，并開發(fā)了1臺可以進(jìn)行平板狀試樣三軸試驗的儀器。加州理工學(xué)院Ko和Scott等[8]系統(tǒng)研究了 Bell三軸儀的特點，并對其進(jìn)行改進(jìn)，于 1967年開發(fā)了第 1臺由柔性邊界加載的真三軸儀。在Ko等的設(shè)備中，壓力室是一個立方盒，6個面均為鋁板，豎直方向的4個面相同。土樣由橡皮膜包裹，四周由止動架固定，止動架由鋁質(zhì)剛性板組成。柔性加載真三軸儀的優(yōu)點是各面上應(yīng)力分布均勻，易按預(yù)定的復(fù)雜應(yīng)力路徑進(jìn)行試驗。缺點是橡皮膜易相互擠壓，應(yīng)變分布不均勻，且不能施加高壓。

1.1.3 混合型加載真三軸儀

倫敦大學(xué)Green[9—10]于1969年開發(fā)了第1臺混合加載方式的真三軸儀。在Green的真三軸加載裝置中，類似于常規(guī)三軸儀，試樣安裝在壓力室內(nèi)，小主應(yīng)力由壓力室的圍壓提供，大中主應(yīng)力由豎向剛性板或者水平向剛性板和圍壓聯(lián)合施加。豎向與水平加壓板之間留有空隙以避免試驗中兩對加載板相互影響。采用這種設(shè)計的混合型加載真三軸儀的優(yōu)點是：1) 豎向剛性加載板和水平向加載板之間存在間隙，在一定應(yīng)變范圍內(nèi)加載時不會相互影響；2) 可以施加較大的大主應(yīng)力和中主應(yīng)力；3) 小主應(yīng)力由壓力室圍壓施加，易于控制。這種混合型加載真三軸儀缺點也很明顯：1) 由于兩對剛性加載板之間存在間隙所以在加載時試樣轉(zhuǎn)角處會產(chǎn)生擠出效應(yīng)，從而試樣會在該處產(chǎn)生不均勻應(yīng)變；2)豎向或者水平向的應(yīng)變將會受到間隙寬度的影響，所以不易于在豎向和水平向施加較大位移；3) 由于小主應(yīng)力方向固定只能由壓力室圍壓施加，所以采用該真三軸儀進(jìn)行試驗時施加應(yīng)力路徑受到限制，不能在整個應(yīng)力空間域上自由變化。

加州大學(xué)伯克利分校Lade與Duncan等[12,36—37]于 1973年開發(fā)了沒有預(yù)留空隙的混合加載型真三軸儀，如圖2所示。在該真三軸儀中，水平加載板由輕質(zhì)木材和不銹鋼分層粘壓而成，所以在豎向易于壓縮的同時，水平向加載板也具有較大模量。這種混合加載設(shè)計的優(yōu)點在于：1) 豎向和水平向加壓板之間相互影響較??；2) 水平向復(fù)合粘壓加載板施加的應(yīng)變大體均勻，豎向剛性加載板施加的應(yīng)變是均勻的。此類真三軸儀的缺陷為：1) 由于水平向復(fù)合加載板由輕質(zhì)木材和不銹鋼分層粘壓而成，在豎向剛性板的作用下復(fù)合粘壓板會產(chǎn)生一定的水平變形，會對水平向試樣應(yīng)變的量測產(chǎn)生影響；2) 輕質(zhì)木材和不銹鋼的模量差異顯著，所以會導(dǎo)致試樣側(cè)表面產(chǎn)生不均勻接觸應(yīng)力而受到較大摩擦。

圖2 加州大學(xué)伯克利分校混合型加載真三軸儀Fig.2 True triaxial apparatus of the hybrid-loading type at University of California, Berkeley

1.2 國內(nèi)巖土真三軸儀發(fā)展?fàn)顩r

1.2.1 清華大學(xué)真三軸儀

清華大學(xué)李廣信等[38]研制的真三軸儀是國內(nèi)較早的真三軸儀。該真三軸儀由常規(guī)三軸儀改進(jìn)而來，大主應(yīng)力和小主應(yīng)力的施加與常規(guī)三軸儀一致。在常規(guī)三軸儀的壓力室內(nèi)增加了一套側(cè)向加壓裝置，通過調(diào)整側(cè)向壓力腔內(nèi)的壓力對試樣施加中主應(yīng)力，如圖3所示。試樣側(cè)向變形由側(cè)向壓力腔中水量變化推算得到。試樣長51 mm、寬42 mm、高90 mm。

1.2.2 河海大學(xué)真三軸儀

殷宗澤等[5,32]在20世紀(jì)90年代開發(fā)了混合加載型真三軸儀。該真三軸儀小主應(yīng)力由壓力室圍壓施加，大主應(yīng)力和中主應(yīng)力分別采用豎向和水平向剛性板施加，其中水平向剛性板的荷載通過傳壓桿由中主應(yīng)力壓力腔提供。該真三軸儀類似于 Green的設(shè)計，所以存在邊角效應(yīng)，且豎向應(yīng)變受到水平向剛性板高度的限制。此后，河海大學(xué)又設(shè)計了兩款真三儀ZSY-1型和TSW-40型，其中ZSY-1型采用類似于Lade和Duncan的設(shè)計，水平向采用復(fù)合加載板由小橡皮管和薄鋁板疊加組成。河海大學(xué)TSW-40型真三軸儀是殷宗澤和朱俊高等[39—40]在原有的ZSY-1型真三軸儀基礎(chǔ)上放大改進(jìn)并重新設(shè)計制造而成。該真三軸儀去掉了壓力室，改用外置充壓柔性橡皮囊加壓。σ1、σ2、σ3三個方向獨立，σ3方向采用水囊加壓，為柔性加壓。它也繼承了ZSY-1型的主要特點，中主應(yīng)力通過水平向的復(fù)合板施加，如圖4。

圖3 清華大學(xué)早期真三軸儀Fig.3 True triaxial apparatus at Tsinghua University

圖4 河海大學(xué)TSW-40型新型真三軸儀加載系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造Fig.4 Loading system internal structure of TSW-40 truetriaxial apparatus at Hohai University

1.2.3 香港理工大學(xué)真三軸儀

香港理工大學(xué)真三軸儀是殷建華等[31,33,41]在GCTS公司提供的真三軸儀上進(jìn)行改進(jìn)而成，如圖5所示。該真三軸儀采用壓力室圍壓提供小主應(yīng)力，其余兩個方向的主應(yīng)力采用剛性加載。該真三軸儀豎向和水平向兩對剛性加載板采用 V型滑塊和 V型槽進(jìn)行連接。豎向和水平向剛性加載板可以自由滑動，并保持相互垂直。該真三軸儀在滑動加載板與橡膠膜表面之間使用潤滑油以減小摩擦，并采用在試樣乳膠膜前后設(shè)孔的排水方式以減小對試樣的影響。

圖5 香港理工大學(xué)真三軸儀Fig.5 True triaxial apparatus at Hong Kong Polytechnic University

1.2.4 長江科學(xué)院真三軸試驗機

長江科學(xué)院自主研制了高壓、微摩阻、智能伺服控制的大型土工真三軸試驗系統(tǒng)[42]，如圖6所示。該試驗系統(tǒng)已在我國西南多個高土石壩工程堆石料力學(xué)特性測試中得到采用，取得了良好的工程應(yīng)用效果[43]。試樣尺寸長寬為 300 mm×300 mm，高為 600 mm，是目前能檢索到的最大真三軸試樣。加載方式為：大主應(yīng)力通過豎直方向上兩個活塞加壓，中主應(yīng)力通過水平方向上的4個活塞施加，小主應(yīng)力通過壓力室的水壓施加。其主要特點為采用了分散式的傳力板代替了以往的剛性板。該大型低摩阻加載真三軸試驗系統(tǒng)具有如下功能：1) 能夠穩(wěn)定的開展粗粒土的真三軸試驗；2) 可以提供的小主應(yīng)力最大值為 3.0 MPa，大主應(yīng)力最大值為15.0 MPa；3) 可按任意設(shè)定的加載過程，采用應(yīng)力或應(yīng)變控制方式進(jìn)行三向獨立加載，實現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力條件下的模擬試驗；4) 能獲得粗粒土試樣的應(yīng)力變形全過程曲線。

圖6 長江科學(xué)院大型低摩阻加載真三軸儀Fig.6 Large-scale low-friction true triaxial apparatus at Changjiang River Scientific Research Institute

1.2.5 西安理工大學(xué)真三軸儀

西安理工大學(xué)邵生俊等[23]研發(fā)了利用剛性板和柔性液壓囊進(jìn)行混合加載的真三軸儀，其試樣尺寸為70 mm×70 mm×70 mm。該真三軸儀壓力室形狀也為立方體，水平向加載面采用兩對柔性液壓囊加載，豎向加載面采用剛性試樣帽施加。邵生俊等[44]在已經(jīng)開發(fā)的豎向剛性、水平面內(nèi)正交兩向柔性真三軸加載機構(gòu)的基礎(chǔ)上，將試樣尺寸分別為70 mm×70 mm×70 mm和70 mm×70 mm×140 mm小型真三軸儀進(jìn)一步開發(fā)為上、下兩端伺服控制同步加載的300 mm×300 mm×600 mm大型真三軸儀。該真三軸儀包括壓力室主機架，豎向主應(yīng)力加載伺服控制液壓油源，水平面內(nèi)主應(yīng)力加載伺服控制液壓體變控制器，試樣孔隙水壓力伺服控制液壓控制器，以及伺服控制和信號采集控制系統(tǒng)。

1.2.6 其它真三軸儀

吉林工業(yè)大學(xué)許東俊等[45]和同濟(jì)大學(xué)袁聚云等[46]也在20世紀(jì)90年代早期分別研制了混合加載型真三軸儀。其中吉林工業(yè)大學(xué)許東俊等設(shè)計的真三軸儀設(shè)計基本類似于Green真三儀，采用壓力室圍壓施加小主應(yīng)力，豎向和側(cè)向加載板施加大主應(yīng)力或中主應(yīng)力。袁聚云等設(shè)計的真三軸儀中主應(yīng)力采用壓力腔施加，試樣為正方體，長寬高均為70 mm。

2 堆石料靜力特性試驗研究現(xiàn)狀

近 20年來隨著高土石壩、高速公路與鐵路、海港護(hù)岸拋石工程的不斷發(fā)展，國內(nèi)外對堆石料開展了大量的試驗研究工作，取得了豐碩的成果。

2.1 常規(guī)三軸堆石料靜力特性試驗研究現(xiàn)狀

近年來常規(guī)三軸堆石料靜力特性試驗研究主要集中于模型的適用性、復(fù)雜應(yīng)力條件下的應(yīng)力變形特性、顆粒破碎等。張丙印等[47]對關(guān)門山面板壩堆石料進(jìn)行了不同應(yīng)力路徑大型三軸試驗并研究了其本構(gòu)模型參數(shù)。盧廷浩等[48]為研究堆石料的應(yīng)力-應(yīng)變特性采用瀑布溝寬級配礫石土進(jìn)行了常規(guī)三軸試驗、應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗和等應(yīng)力比試驗，并探討了雙屈服面模型和 Duncan-Chang模型的適用性。柏樹田等[49]應(yīng)用十三陵和龍灘水電站面板堆石壩壩料，以等比例加載試驗以近似模擬大壩填筑過程的應(yīng)力路徑，以小主應(yīng)力加載和減載試驗近似模擬大壩在施工期和運行期的應(yīng)力路徑，發(fā)現(xiàn)壩體在不同時期變形模量存在較大差異。劉萌成等[50]采用宜興抽水蓄能電站堆石壩的兩種不同壩料進(jìn)行常規(guī)大三軸試驗，研究了堆石料強度特性，對堆石料變形機理進(jìn)行了分析，并重點研究了加載和卸載時堆石料的剪脹變化的影響機理。梁彬[51]采用壩殼堆石料進(jìn)行了不同干密度下的等應(yīng)力比試驗、等p試驗、等q試驗擬合了堆石料的體積屈服面和剪切屈服面，并利用試驗結(jié)果進(jìn)行了 Duncan-Chang模型對堆石料的適用性分析。賈延安[52]利用糯扎渡主堆石料進(jìn)行了常規(guī)三軸試驗、等向壓縮試驗和多種復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗研究了堆石體在不同應(yīng)力路徑條件下的應(yīng)力應(yīng)變特性。Suwal等[3]采用在常規(guī)三軸試驗中采用盤式傳感器量測P波(壓力波)和S波(剪切波)的方式研究了粗粒料試樣在剪切過程中的剪切模量。賈宇峰等[53]進(jìn)行了特定應(yīng)變的固結(jié)排水三軸剪切試驗，研究了相對破碎參量與剪應(yīng)變的關(guān)系，并用雙曲線函數(shù)進(jìn)行了描述。朱發(fā)勇等[54]利用大型高壓三軸儀對某心墻堆石壩主堆石料開展了不同應(yīng)力路徑下的排水剪切試驗，研究了筑壩堆石料在不同加載方向條件下的應(yīng)力變形特性和加載方向?qū)Ψ逯祻姸取⒆冃蔚挠绊憽?/p>

2.2 真三軸堆石料靜力特性試驗研究現(xiàn)狀

由于早期的真三軸試驗多針對黏土和砂等粒徑較小的材料，所以試驗中采用的試樣尺寸也相應(yīng)較小。由于堆石料顆粒尺寸遠(yuǎn)大于砂和黏土，所以所需試樣尺寸明顯更大。因為試樣和設(shè)備的限制，大的真三軸儀特別是能夠適用于堆石料的真三軸儀較少。因而，關(guān)于堆石料真三軸試驗研究工作尚不多見，可檢索到的成果多為一些研究者關(guān)于礫石土的真三軸試驗成果。真三軸堆石料靜力特性試驗研究內(nèi)容主要集中于中主應(yīng)力的影響、初始各向異性和應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性、π平面上的破壞軌跡等。AnhDan等[30]利用真三軸儀等向壓縮試驗研究了粗粒料的各向異性，并為了研究不同應(yīng)力路徑下粗粒料試樣各方向的彈性模量和泊松比分量，進(jìn)行了多種應(yīng)力路徑下的加載試驗。試驗結(jié)果表明，試樣密度對粗粒料的各向異性影響明顯，應(yīng)力路徑的變化對堆石料試樣各泊松比分量影響明顯，且多種應(yīng)力路徑下各泊松比之間差異明顯。Choi等[25]開發(fā)了真三軸試驗設(shè)備，并采用邊長241 mm的立方體試樣對礫石土進(jìn)行了多種排水和不排水條件下的復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗，如π平面上等p等θ(羅德角)剪切試驗等。Yin等[33]利用所研制的新型巖土真三軸儀加載裝置分別對土工泡沫材料和完全風(fēng)化花崗巖土各進(jìn)行了多組等p等b試驗，研究了p值和b值對最大偏應(yīng)力的影響。施維成等[55]使用河海大學(xué)研制的真三軸儀對粗粒土進(jìn)行了等p等q、等p等b、平面應(yīng)變和單向加荷試驗等真三軸試驗，研究了中主應(yīng)力的影響、應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性、π平面上的破壞軌跡等。余盛關(guān)[56]使用長江科學(xué)院真三軸儀對兩河口粗粒料進(jìn)行了等σ3等b試驗和平面應(yīng)變試驗研究了中主應(yīng)力對變形特性的影響，并驗證了非線性剪脹模型的適用性。

3 堆石料力學(xué)特性機理研究現(xiàn)狀

由上述內(nèi)容可以看出，目前關(guān)于堆石料的試驗研究仍以常規(guī)三軸試驗為主，因而關(guān)于其力學(xué)特性機理的研究也主要基于常規(guī)三軸試驗的成果。堆石料固有的力學(xué)特性多與其明顯的顆粒破碎、原始和誘發(fā)各向異性等密切相關(guān)，堆石料本構(gòu)模型發(fā)展的趨勢也是要更多考慮這些因素。

3.1 堆石料顆粒破碎特性研究現(xiàn)狀

堆石料具有高壓易破碎的特性，堆石料的強度和變形特性會受到顯著影響[57—61]。近年來，隨著我國土石壩的筑壩高度增加，由此產(chǎn)生的顆粒破碎現(xiàn)象更加凸顯，進(jìn)而對筑壩堆石料的內(nèi)摩擦角、孔隙比、滲透系數(shù)等產(chǎn)生明顯影響[53]。因此，堆石料的顆粒破碎特性受到國內(nèi)外許多學(xué)者的重視。堆石料粒徑大，顆粒咬合效應(yīng)更強[57,62—64]，因而表現(xiàn)出有別于砂土的復(fù)雜工程性質(zhì)。許多學(xué)者根據(jù)堆石料的顆粒破碎特性對現(xiàn)有模型進(jìn)行了改進(jìn)[65—66]。如劉恩龍等[65]通過引入狀態(tài)參數(shù)的方式在廣義塑性模型中考慮了堆石料顆粒破碎的影響。

國內(nèi)外諸多學(xué)者[2,67—71]基于試驗前后的粒徑級配曲線提出了多種顆粒破碎指標(biāo)，常見的度量指標(biāo)一般可以分為兩種，即采用試驗前后某一特征粒徑含量的變化量來衡量顆粒破碎程度的單一特征粒徑指標(biāo)[2,70]和采用試驗前后整個粒徑級配曲線的變化量來衡量顆粒破碎程度的多粒徑指標(biāo)[68—69]。在多粒徑指標(biāo)中相對破碎率 Br[68]結(jié)果穩(wěn)定并能夠反映試樣內(nèi)各個粒徑試驗前后的變化量[59]，所以得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。許多學(xué)者[53,59—60,72—73]采用該指標(biāo)分析了堆石料的顆粒破碎規(guī)律以及該指標(biāo)與堆石料剪脹性和抗剪強度的關(guān)系等。雖然堆石料顆粒破碎的試驗研究已經(jīng)取得很多成果，但目前對堆石料的顆粒破碎特性的試驗研究主要以常規(guī)三軸剪切試驗為主，對復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下的顆粒破碎特性研究較少。而試驗時堆石料顆粒破碎狀況不僅受到應(yīng)力水平、應(yīng)力大小影響，也與應(yīng)力路徑相關(guān)[74]。

目前堆石料顆粒破碎研究以試驗為主，孔德志[60]采用水泥橢球人工模擬堆石料進(jìn)行了系列常規(guī)三軸試驗，研究了顆粒破碎的特性和破碎變形的機理，分析了顆粒破碎對堆石料損傷和壓密硬化的雙重作用。Gupta[74]對印度蘭吉特薩加爾壩和布魯利亞壩的堆石料進(jìn)行了大量的固結(jié)排水三軸試驗，對比分析了多種級配、圍壓條件下的堆石料顆粒破碎特性。楊光[73]利用大型三軸儀對堆石料進(jìn)行了常規(guī)三軸、等 p、等應(yīng)力比試驗，研究了不同應(yīng)力路徑下堆石料的應(yīng)力-應(yīng)變特性，通過試驗結(jié)果分析認(rèn)為應(yīng)力路徑對顆粒破碎影響并不顯著，顆粒破碎主要與加載過程中輸入的塑性功有關(guān)。馮大闊等[75]研究了循環(huán)直剪條件下粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面顆粒破碎特性。賈宇峰等[53]進(jìn)行了特定應(yīng)變的固結(jié)排水三軸剪切試驗，研究了相對破碎參量與剪應(yīng)變的關(guān)系，并用雙曲線函數(shù)進(jìn)行了描述。李雪梅等[76]采用大型直剪試驗結(jié)合裂離比與加權(quán)裂離率從粒組和顆粒料整體2個層面對比研究了土料的顆粒破碎發(fā)展規(guī)律。王峰等[77]在顆粒概率破碎和顆粒分形分裂假定的基礎(chǔ)上，給出了一種適用于直接描述原型堆石體破碎的方法。徐永福[78]根據(jù)顆粒破碎的分形模型，揭示單顆粒破碎強度的尺寸效應(yīng)，得出考慮顆粒破碎影響的粗粒土的剪切強度理論。郭萬里等[79]建立了一個可以反映粗粒土在剪切過程中的顆粒破碎演化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。孫逸飛等[80]通過粗粒土顆粒破碎的分形理論，嘗試建立分?jǐn)?shù)階應(yīng)變率與土顆粒分布的分形維度之間的關(guān)系。王蘊嘉等[81]采用離散單元法分別模擬了側(cè)限條件下單線法和雙線法濕化變形試驗，比較了單、雙線法濕化變形的差異。Hardin[68]，劉漢龍等[59]，陳生水等[82]，丁樹云等[83]，朱茂林[84]也進(jìn)行了大量堆石料的顆粒破碎研究。

3.2 堆石料各向異性研究現(xiàn)狀

顯然，初始各向異性和應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性是堆石料應(yīng)力-應(yīng)變重要的特性之一，很多學(xué)者對此進(jìn)行了研究。李廣信[62]對土的應(yīng)力-應(yīng)變初始各向異性和應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性從機理上進(jìn)行了研究，并對粗粒土的結(jié)構(gòu)性進(jìn)行了分析。對土的各向異性試驗研究成果主要集中于黏土和砂土，采用試驗方法對堆石料進(jìn)行各向異性研究成果較少。施維成等[5]使用河海大學(xué)真三軸儀對粗粒土進(jìn)行不同主應(yīng)力方向上的單向加荷試驗，研究粗粒土的應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性。AnhDan等[30]使用東京大學(xué)真三軸儀進(jìn)行了不同試樣密度下的等向壓縮試驗和多種應(yīng)力路徑下的加載試驗，并通過施加微小動荷載的方式量測粗粒土試樣各方向的楊氏模量和泊松比，研究粗粒料的各向異性以及密度的影響。Suwal等[3]通過用盤片式傳感器施加彈性波的方法量測粗粒土試樣各方向的彈性模量和泊松比分量，對比分析粗粒土豎向和側(cè)向的差異性。

有學(xué)者采用離散元的方法對粗粒土的各向異性進(jìn)行了研究。張鐸[85]采用離散元方法對不同剪切模式和應(yīng)力路徑下的散粒體真三軸試驗進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了中主應(yīng)力對各向異性的影響以及復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的散粒體各向異性強度特性。也有學(xué)者在黏土或者砂土的本構(gòu)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，以使修正后模型能夠反映堆石料的各向異性。褚福永等[86]基于黏土的初始各向異性研究成果，提出了適用于各向異性粗粒土的彈塑性模型。張坤勇等[87]結(jié)合試驗資料考慮粗粒土的各向異性運用應(yīng)力變換方法以及引入新的應(yīng)力比參數(shù)等手段對雙屈服面彈塑性模型進(jìn)行了修正。齊陽等[88]基于顆粒流基本理論和物理試驗結(jié)果，模擬粗粒土在真三軸狀態(tài)下各主應(yīng)力方向上的單向加荷試驗，并從宏觀和細(xì)觀角度分析了復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下粗粒土的應(yīng)力誘發(fā)各向異性特征。

顯著的各向異性是堆石料的重要特性，其對堆石料變形特性具有顯著影響，但是目前有關(guān)堆石料各向異性的試驗資料和機理分析仍然較少，對其進(jìn)一步進(jìn)行試驗和理論研究仍具有重要意義。

3.3 堆石料靜力本構(gòu)模型適用性研究

常用的堆石料靜力本構(gòu)模型主要包括非線性彈性模型和彈塑性模型兩大類，此外還有損傷模型、內(nèi)時模型等[89-90]。非線性彈性模型主要分為兩類，即采用應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)康母罹€模型和采用應(yīng)力-應(yīng)變增量的切線模型。其中增量應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的切線模型應(yīng)用較為廣泛，常以分段線性化的方式應(yīng)用于廣義虎克定律。其模型參數(shù)一般采用切線模量Et和切線泊松比νt[91—92]或者切線體積模量 Kt和剪切模量 Gt[93—94]。采用切線模量 Et和切線泊松比νt的非線性模型中應(yīng)用最為廣泛的就是 Duncan-Chang模型，其也是最具代表性的非線性彈性模型。該模型對常規(guī)三軸試驗的(σ1-σ3)-ε1關(guān)系采用了雙曲線假設(shè)，并發(fā)展出 Duncan-Chang Eν模型和 Duncan-Chang EB模型兩種類型。Duncan-Chang模型建立在廣義虎克定律的基礎(chǔ)上，具有材料參數(shù)較少且物理意義明確等顯著優(yōu)點，所以被工程界廣泛接受，也是我國土石壩計算領(lǐng)域采用最廣泛的土體本構(gòu)模型。但是它也有不能反映中主應(yīng)力和應(yīng)力路徑影響等缺陷[95—96]。

采用切線體積模量 Kt和剪切模量Gt的非線性模型是將應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分為兩部分：球張量(p-εv)增量關(guān)系和偏張量(q-εs)增量關(guān)系[93—94]。如果將這兩種增量關(guān)系進(jìn)行耦合也可反映土的剪脹性等。其中國內(nèi)較為著名的K-G模型有清華K-G模型等[97]。但是此類模型常需要進(jìn)行非常規(guī)三軸試驗如等p試驗、等應(yīng)力比試驗等來求取模型參數(shù)，限制了該類模型的廣泛使用。

彈塑性模型是將土體變形分為兩個部分：彈性變形和塑性變形。彈性變形由彈性或者非線性彈性公式求得，其方法與非線性模型計算方法基本類似。塑性變形采用塑性增量理論求得，其中塑性理論的主體框架主要由屈服準(zhǔn)則(判斷是否發(fā)生塑性變形)、流動法則(確定應(yīng)變增量的方向)和硬化規(guī)律(計算塑性應(yīng)變的大小)構(gòu)成。由劍橋大學(xué) Roscoe等[98—99]提出的劍橋模型是最具有代表性的彈塑性模型。該模型采用相關(guān)聯(lián)流動法則(塑性勢函數(shù)和屈服函數(shù)相同)，模型參數(shù)物理意義清晰并且易于用試驗求取。該模型的理論基礎(chǔ)即臨界狀態(tài)理論也被眾多堆石料本構(gòu)模型所采用[65,83]。南京水科院模型(簡稱南水模型)是我國土石壩計算領(lǐng)域使用較為廣泛的彈塑性本構(gòu)模型[100]。其具有兩個屈服面(體積屈服面和剪切屈服面)方程和塑性系數(shù)。該模型能夠較好地反映堆石料的剪脹(縮)性、應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折后的應(yīng)力-應(yīng)變特性等。Fu等[101]假定單一屈服面以捕獲塑性應(yīng)變的開始，用兩個獨立的勢函數(shù)分別描述應(yīng)力誘導(dǎo)的塑性應(yīng)變和蠕變應(yīng)變；然后根據(jù)廣義塑性方法，直接指定所涉及的張量和標(biāo)量，從而建立了統(tǒng)一模擬堆石材料應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)和蠕變行為的廣義塑性本構(gòu)方程。郭萬里等[102]以劍橋模型的剪脹方程為基礎(chǔ)，引入曲線形態(tài)調(diào)節(jié)因式，提出了一個新的剪脹方程，并依此構(gòu)建了一個適用于粗粒土的廣義塑性模型。Sun等[103]嘗試?yán)梅謹(jǐn)?shù)階劍橋模型應(yīng)力剪脹方程建立狀態(tài)相關(guān)的分?jǐn)?shù)階塑性模型。Liu等[104]基于可破碎土的臨界狀態(tài)概念，建立了一個耦合破壞與摩擦耗散的擴展模型(CBFD)。姚仰平等[105]提出了一個可以能夠合理描述粒狀土的在任何壓力范圍內(nèi)特性的本構(gòu)模型。徐遠(yuǎn)杰等[106]基于擾動狀態(tài)概念，發(fā)展一種能反映堆石料復(fù)雜力學(xué)行為的彈塑性宏觀本構(gòu)模型。

由于應(yīng)用于堆石料的本構(gòu)模型都是基于特定應(yīng)力路徑的試驗建立起來的，所以對復(fù)雜應(yīng)力條件的適用性需要進(jìn)一步驗證[48,51,107]。我國高土石壩計算中最常用的模型為 Duncan-Chang Eν、Duncan-Chang EB和南水雙屈服面模型這3種，很多學(xué)者對其適用性進(jìn)行了研究。如盧廷浩等[48]利用寬級配土進(jìn)行了等應(yīng)力比試驗和應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗，并研究了 Duncan-Chang模型和南水模型的適用性。張宗亮等[107]利用堆石料的等向壓縮試驗、常規(guī)三軸試驗、等應(yīng)力比試驗和復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗研究了Duncan-Chang EB模型、清華KG模型和南水模型的適用性。3種常見堆石料本構(gòu)模型的的適用性的研究都集中于常規(guī)三軸試驗結(jié)果，對真三軸復(fù)雜應(yīng)力路徑下適用性的研究成果較少。

4 大型巖土靜動真三軸試驗機研制和試驗方法開發(fā)

本研究團(tuán)隊研制了大型巖土靜動真三軸試驗機(THU-SDTTA)，開發(fā)了核心部位的試驗裝置和方法[108]。聯(lián)合采用橢圓形試樣帽和異形乳膠膜的封樣方式可很好地解決壓力室施加高壓時試樣的密封、加壓、拆裝、量測和耐久性等一系列難題。并在壓力室內(nèi)部小主應(yīng)力方向上增加了一對水下耐高壓傳感器，可與體變傳感器聯(lián)合使用提高位移估算精度。

4.1 THU-SDTTA真三軸試驗機介紹

清華大學(xué)大型巖土靜動真三軸試驗機由液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、量測系統(tǒng)、輔助裝置組成(圖7)。其中液壓系統(tǒng)包括液壓缸、水冷裝置和交流伺服電機；控制系統(tǒng)包括伺服閥、電子伺服控制器和電腦；加載系統(tǒng)包括豎向加載框架、水平加載框架和壓力室；量測系統(tǒng)包括力、位移、孔壓、體變量測裝置；輔助設(shè)備包括制樣器和吊車裝置等。

圖7 THU-SDTTA大型巖土靜動真三軸試驗機組成Fig.7 Configuration of THU-SDTTA large-scale static-dynamic true triaxial apparatus

THU-SDTTA大型巖土靜動真三軸試驗機的主要規(guī)格與技術(shù)參數(shù)如表1所示。該真三軸試驗機豎直向和水平向的力由兩對剛性加載板單獨施加。這兩個方向均可作為大主應(yīng)力方向和中主應(yīng)力方向。小主應(yīng)力由壓力室中的水壓進(jìn)行施加。為減小加載板對試樣破壞面的影響，采用了高寬比 2∶1的試樣[28,109—110]。為測試不同級配的堆石料，該真三軸儀可使用兩種尺寸的試樣，大試樣尺寸為 200 mm(x方向)×200 mm(y方向)×400 mm(z方向)，小試樣尺寸為 100 mm(x方向)×100 mm(y方向)×200 mm(z方向)。除堆石料外，THU-SDTTA還可以用于其它材料的真三軸試驗，如黏土、沙、混凝土、軟巖等。如表2所示，除靜動真三軸試驗外，該設(shè)備還可以進(jìn)行多種規(guī)格的常規(guī)三軸試驗和大型側(cè)限壓縮試驗。

表1 THU-SDTTA大型巖土靜動真三軸試驗機的主要規(guī)格與技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical specifications of THU-SDTTA large-scale static-dynamic true triaxial apparatus

表2 清華大學(xué)大型巖土靜動真三軸試驗機試樣尺寸Table 2 Specimen size of THU-SDTTA

1) 液壓系統(tǒng)

THU-SDTTA真三軸試驗機力的施加采用側(cè)向、豎向、圍壓油壓系統(tǒng)進(jìn)行，各個方向力的施加對應(yīng)單獨的油源和交流電機。豎向力和側(cè)向力分別采用一對剛性加載板施加，靜載時可以施加的最大應(yīng)力為 50 MPa，動載時可以施加的最大應(yīng)力為25 MPa，最大動載頻率為 3 Hz，最大豎向位移為60 mm。小主應(yīng)力采用壓力室圍壓進(jìn)行加載，靜載時可施加的最大壓力為20 MPa，動載時可施加的最大壓力為5 MPa。由于油壓裝置長時間高壓作業(yè)時會產(chǎn)生較大熱量，為保證試驗的順利進(jìn)行對油壓裝置配備了水冷和風(fēng)冷裝置進(jìn)行雙重冷卻。由于本試驗機配備了多個油壓裝置和冷卻裝置所以采用單獨房間放置，并通過油管與加載系統(tǒng)相連接。

2) 加載系統(tǒng)

加載框架如圖8所示，豎向應(yīng)力的施加通過豎向加載框架進(jìn)行，上下都裝有作動器和加載活塞，加載時同時施加壓力，以保證試驗過程中試樣水平對稱面不變。側(cè)向應(yīng)力的施加通過水平向的自平衡加載框架進(jìn)行。水平加載框架下面有鋼制的滑輪，該滑輪可以在鋼軌上移動，可保證試驗過程中試樣保持對稱加載。圍壓通過壓力室的水壓進(jìn)行加載。

在壓力室中的兩對不同方向加載板之間的相對錯動通過凹槽和滑塊實現(xiàn)，加載板與加載桿的連接也通過凹槽和滑塊實現(xiàn)[31]。這種結(jié)構(gòu)形式既保證了兩對加載板的相對運動，又可以減小加載板之間的相互影響和摩擦。其中凹槽和滑塊經(jīng)過光滑處理并施加一定厚度的油脂，經(jīng)過多次測試加載框架可得到穩(wěn)定且較小的摩擦系數(shù)，在位移加載時要在力的總結(jié)果中扣除摩擦力才是試樣承受的力，力加載的情況要事先算出摩擦力并加入到控制力中。

THU-SDTTA作為混合加載真三軸儀，由于豎直向(z向)和側(cè)向(y向)的力由剛性加載板提供，所以這兩個方向上施加的應(yīng)力并不是理想均勻的。這個缺陷存在于所有通過剛性加載板(帽)施加力和位移的儀器[33]。

3) 量測系統(tǒng)

豎向上下加載活塞的頂端都裝有壓力傳感器和位移傳感器。水平加載框架一端裝有力傳感器和位移傳感器。此外還有獨立的體變量測設(shè)備。

4) 控制系統(tǒng)

為解決動載頻率較高且變形較大時荷載難以穩(wěn)態(tài)施加和施加多向動載時荷載難以協(xié)調(diào)等問題，各向壓力源都采用伺服閥與蓄能器相結(jié)合的控制方式，這種方式可在保持動載預(yù)定波形不變的前提下，使荷載在頻率較高且變形較大時能穩(wěn)態(tài)施加。使復(fù)雜應(yīng)力路徑的施加簡單易行，在控制電腦中已對多種常見荷載組合預(yù)先編程，可通過計算機自動控制。

圖8 THU-SDTTA大型巖土靜動真三軸試驗機Fig.8 THU-SDTTA large-scale static-dynamic true triaxial apparatus

5) 輔助裝置

堆石料具有明顯棱角，在高壓情況下極易刺穿乳膠膜。所以制樣時在制樣模具中放入一種具有較好彈力并能耐穿刺的長方體橡膠膜，這種橡膠膜一端開口，將試樣土料放入其中進(jìn)行制樣。制樣完成后將開口封上，并將長方體橡膠膜包裹的試樣取出，然后迅速放入一種特殊設(shè)計的密封裝置中。對于密實的堆石料試樣，由于試樣擊實后的顆粒咬合作用，試樣可以自立。而對于松散的堆石料，可以采用冰凍的方法保證試樣安裝過程中不受擾動[36]。

4.2 THU-SDTTA真三軸試驗機的核心部位試驗裝置開發(fā)

THU-SDTTA真三軸試驗機是采用滑動加載板設(shè)計的混合型加載真三軸試驗機，這種滑動加載板的設(shè)計避免了經(jīng)典混合型加載真三軸試驗機兩對剛性板容易相互影響、且無法施加較大應(yīng)變的缺陷。但是同時，其也無法使用經(jīng)典型采用的類似常規(guī)三軸儀的封樣和量測方式。如何對這種采用滑動加載板設(shè)計的混合型加載真三軸儀進(jìn)行有效封樣并準(zhǔn)確量測是THU-SDTTA真三軸試驗機開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)難點。這一部分看似簡單，實際上是真三軸試驗的核心部位，是試驗質(zhì)量高低的關(guān)鍵影響因素。現(xiàn)有密封設(shè)計中的一種是直接對裝樣后的乳膠膜進(jìn)行黏合，這種密封方式的缺點是密封效果差，多次使用后性能變?nèi)?，不便于試樣飽和、孔壓量測和反壓施加管路的安裝；由于堆石料試樣表面凹凸不平也無法安裝小主應(yīng)變方向位移傳感器。根據(jù)以上缺陷，設(shè)計了適用于滑動加載板混合型加載真三軸儀的異形乳膠膜和橢圓試樣帽的特殊封樣裝置，并在此基礎(chǔ)上增加了小主應(yīng)力方向位移傳感器。

1) 適用于滑動加載板混合型真三軸儀的封樣裝置。

圖9 試樣密封裝置Fig.9 Specimen sealing device

這種特殊的封樣裝置是為了便于試樣密封，同時又能測量試樣的排水量或者孔壓而設(shè)計的，包括一種異形乳膠膜和一對橢圓試樣帽，如圖9所示。試驗時將試樣裝進(jìn)異形乳膠模中，在試樣兩側(cè)放置一對橢圓形試樣帽。將試樣帽與異形乳膠膜用膠條綁牢，同時再利用圍壓力的作用可以起到很好的密封效果。

采用這種異形乳膠膜和橢圓形試樣帽具有以下優(yōu)點：① 異型乳膠膜是一個整體，兩端開口處套住橢圓形試樣帽，貼合平順，用膠條綁緊后即密封很好。試驗時加上圍壓力作用，試樣帽與乳膠膜貼合處可以產(chǎn)生良好的密封效果，并且不會對其它兩個方向產(chǎn)生影響。② 由于沒有任何的損傷或黏合，所以該裝置拆卸方便，并有較長的使用壽命。③ 該密封裝置使得體變量測、孔壓量測和反壓施加非常簡便可靠。④ 該裝置便于小主應(yīng)變方向水下位移傳感器的布置。⑤ 可使小主應(yīng)力作用面上變形比較均勻。

2) 適用于滑動加載板混合型真三軸儀的量測設(shè)計。

試樣的圍壓由壓力室中的水壓施加，很多混合型真三軸儀需要通過體變?nèi)Q算小主應(yīng)力方向的應(yīng)變，這種方法誤差較大，并且體變量測的方法在高頻率動荷載的作用下具有響應(yīng)滯后的缺點。由于以上的異形乳膠膜和橢圓形試樣帽的封樣裝置的設(shè)計，為小主應(yīng)力方向位移傳感器的安裝創(chuàng)造了條件。因此THU-SDTTA在圓柱形壓力室中部小主應(yīng)力方向上增加了一對水下耐高壓位移傳感器，如圖10所示，這樣與體變量測聯(lián)合使用，可以提高位移估算精度。其中橢圓形試樣帽由輕質(zhì)鋁合金制成，表面平整光滑，位移量測桿可直接與橢圓形試樣帽相接觸。小主應(yīng)力方向位移傳感器的安裝方法為使用銑床在圓形壓力室的表面銑出一個平面，然后開一個螺紋通孔，通過特殊定制的螺紋桿位移傳感器進(jìn)行密封。

5 真三軸復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下堆石料的力學(xué)特性試驗研究

為研究心墻堆石壩中堆石料在實際真三軸應(yīng)力狀態(tài)和復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下的力學(xué)特性，采用清華大學(xué)大型巖土靜動真三軸試驗機對堆石料進(jìn)行了一系列真三軸試驗。

5.1 真三軸應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗內(nèi)容

為研究高心墻土石壩內(nèi)堆石料的三維應(yīng)力狀態(tài)的變化過程，進(jìn)行了兩種典型的代表筑壩過程的真三軸應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗。

圖10 THU-SDTTA試驗機小主應(yīng)力方向位移傳感器位置Fig.10 Displacement sensor arrangement of THU-SDTTA in the minor principal stress direction

采用的兩種真三軸復(fù)雜應(yīng)力路徑和常規(guī)三軸加載應(yīng)力路徑，如下所述。

1) 真三軸加載-減載應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗。

按 σ3∶σ2∶σ1=1.0∶1.5∶2.0 的路徑分別加載至 σ3=100 kPa、300 kPa、600 kPa、1000 kPa、1600 kPa、2200 kPa，然后按 Δσ3∶Δσ2∶Δσ1=2.0∶1.5∶1.0的路徑減載直到試樣破壞，如圖11(a)所示，圖中所標(biāo)示的數(shù)字依次為應(yīng)力轉(zhuǎn)折時的圍壓。前一個等比路徑模擬心墻土石壩施工時堆石料中應(yīng)力狀態(tài)的變化過程，后一個等比路徑模擬心墻土石壩蓄水時上游堆石體中應(yīng)力狀態(tài)的變化過程。在加載階段平均應(yīng)力p值和廣義剪應(yīng)力q值不斷增加，在減載階段平均應(yīng)力p值減小，廣義剪應(yīng)力q值增加，如圖11(b)所示。

2) 真三軸加載-加載應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗。

前一加載階段與上面相同，后一階段按 Δσ3∶Δσ2∶Δσ1=1.0∶1.0∶1.0 的路徑再加載到 σ3=3200 kPa。后一個等比路徑模擬心墻土石壩蓄水時下游堆石體或者面板壩蓄水期部分壩體中應(yīng)力狀態(tài)的變化過程，如圖11(c)。在第1個加載階段與上面相同，在再加載階段廣義剪應(yīng)力q值保持不變、平均應(yīng)力p值不斷增加，如圖11(d)所示。該真三軸應(yīng)力路徑試驗增加了中主應(yīng)力的影響。

3) 常規(guī)三軸加載-加載應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗。

作為真三軸加載-加載應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗的對比，還進(jìn)行了常規(guī)三軸加載-加載應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗。先進(jìn)行 σ1∶σ3=2∶1的等比加載，分別至σ3=200 kPa、600 kPa、1200 kPa、2000 kPa和3000 kPa時轉(zhuǎn)折。應(yīng)力轉(zhuǎn)折后σ3和σ1均增加，且其增加量比值為1，直至σ3=3200 kPa。

兩種真三軸應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗和常規(guī)三軸應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗方案如表3。

表3 真三軸應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗方案Table 3 Scheme of true triaxial stress path transition test

5.2 真三軸應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗結(jié)果

1) 真三軸加載-減載應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗。

圖12為堆石料真三軸加載-減載應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗結(jié)果，根據(jù)應(yīng)力路徑的變化針對每一個應(yīng)力轉(zhuǎn)折點，分別給出了不同圍壓下的 σ1-ε1、σ2-ε2、σ3-ε3、p-εv和 q-εs關(guān)系曲線。由圖 12(a)、圖 12(b)和圖 12(c)可以看出，在加載階段σ1-ε1的關(guān)系較為簡單，隨著σ1的增加ε1不斷增加，整體上關(guān)系曲線初始斜率較小，而后近似為線性關(guān)系。σ2-ε2曲線與 σ1-ε1曲線類似，加載階段和減載階段均表現(xiàn)為壓縮，應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折后減載初期的壓縮量較小。由于堆石料具有較強的各向異性，并且這種各向異性與應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)，所以當(dāng)應(yīng)力轉(zhuǎn)折點 σ3≤1600 kPa時，應(yīng)變 ε1甚至小于 ε2。當(dāng)應(yīng)力轉(zhuǎn)折點 σ3=2200 kPa時，ε1隨著應(yīng)力路徑的變化均逐漸超過ε2。對于σ3-ε3關(guān)系，加載階段表現(xiàn)為壓縮，隨著應(yīng)力路徑的變化，壓縮量變化幅度不斷減小。這種現(xiàn)象表明堆石料具有明顯的應(yīng)力誘發(fā)各向異性。在應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折后的減載階段表現(xiàn)為膨脹，初期的膨脹量較小。

圖11 真三軸應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗應(yīng)力路徑Fig.11 Stress path of true triaxial stress path transition test

圖12 真三軸加載-減載試驗結(jié)果Fig.12 True triaxial loading-unloading test results

圖12(d)和圖12(e)分別給出了不同應(yīng)力轉(zhuǎn)折點下的 p-εv和 q-εs關(guān)系曲線?？梢钥闯觯瑢τ?p-εv關(guān)系，各圍壓下在加載階段基本重合，而在減載階段，轉(zhuǎn)折點相應(yīng)圍壓越低所表現(xiàn)出的收縮越明顯，圍壓達(dá)到2200 kPa時，減載階段幾乎沒有體積收縮量。對于q-εs關(guān)系，均是剪應(yīng)變隨剪應(yīng)力的增加而增加，在減載階段剪應(yīng)變的增幅加大，這與側(cè)向壓力約束逐漸減小有關(guān)。常規(guī)三軸應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗結(jié)果表明，球應(yīng)力p和廣義剪應(yīng)力q對體積應(yīng)變εv和廣義剪應(yīng)變 εs之間存在著明顯的交叉影響[111]，這一效應(yīng)在真三軸試驗中也存在。在減載階段廣義剪應(yīng)力q增加引起體積應(yīng)變εv的增加值與球應(yīng)力p減小引起的體積應(yīng)變εv減小值部分相互抵消。而球應(yīng)力p減小引起的廣義剪應(yīng)變εs的增加與剪應(yīng)力q增加引起的值相互疊加。

2) 真三軸加載-加載應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗。

圖 13為堆石料真三軸加載-加載應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗結(jié)果，圖13(a)、圖13(b)和圖13(c)分別給出了不同應(yīng)力轉(zhuǎn)折點時 σ1-ε1、σ2-ε2、σ3-ε3對比曲線圖。在第1次加載階段所表現(xiàn)出的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與應(yīng)力路徑系列1基本相同。在第2次加載階段，當(dāng)各方向的應(yīng)力增量相同時所引起的應(yīng)變增量卻有差別，這是由初次非等向加載誘導(dǎo)各向異性所導(dǎo)致，應(yīng)力轉(zhuǎn)折點σ3越高越明顯，小主應(yīng)力方向的應(yīng)變增量越小。

圖13(d)和圖13(e)為堆石料真三軸加載-加載應(yīng)力路徑下不同應(yīng)力轉(zhuǎn)折點時 p-εv、q-εs關(guān)系曲線。在第 1次加載階段所表現(xiàn)出的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與加載-減載應(yīng)力路徑基本相同。對于p-εv關(guān)系，各應(yīng)力轉(zhuǎn)折點下的曲線區(qū)別較明顯，原因主要也是誘發(fā)各向異性和應(yīng)力狀態(tài)的影響。對于 q-εs關(guān)系，在第 1次加載階段各曲線基本重合，而在第2次加載階段，由于對于堆石料上述的平均應(yīng)力p和廣義剪應(yīng)力q存在著明顯的交叉影響，所以在再加載階段雖然廣義剪應(yīng)力q保持不變，但是由于平均應(yīng)力p的增加廣義剪應(yīng)變εs仍然持續(xù)增加。

圖13 真三軸加載-加載試驗結(jié)果Fig.13 True triaxial loading-loading test results

3) 常規(guī)三軸加載-加載應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗

圖14為真三軸與常規(guī)三軸加載-加載應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗結(jié)果對比。由前文可知，真三軸試驗應(yīng)力路徑與常規(guī)三軸加載-減載應(yīng)力路徑在加載階段和再加載階段Δσ3與Δσ1比值均相同，真三軸試驗增加了中主應(yīng)力的影響。在第1加載階段，如圖14(a)、圖14(b)所示，雖然存在中主應(yīng)力的影響，σ1和ε1關(guān)系曲線兩種情況下差距較小，但是σ3和ε3關(guān)系曲線差別明顯。相同小主應(yīng)力σ3，真三軸試驗對應(yīng)的小主應(yīng)變ε3遠(yuǎn)小于常規(guī)三軸試驗。對于p-εv關(guān)系曲線和q-εs關(guān)系曲線也存在類似現(xiàn)象。在再加載階段，兩種情況下的σ1-ε1關(guān)系曲線中應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性現(xiàn)象和應(yīng)力狀態(tài)依賴性同樣顯著，但是σ3-ε3曲線和p-εv曲線中該現(xiàn)象常規(guī)三軸要明顯弱于真三軸試驗，即不同曲線之間區(qū)分度較低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因一方面是由于受到中主應(yīng)力的影響，另一方面可能是由于常規(guī)三軸采用體變修正量測的方法，該方法精度要低于真三軸直接量測結(jié)果，可見真三軸試驗具有明顯優(yōu)勢。

圖14 常規(guī)三軸與真三軸加載-加載應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)折試驗結(jié)果對比Fig.14 Comparison of results between conventional triaxial test and true triaxial loading-loading stress path transition test

6 結(jié)論

本文綜述了國內(nèi)外巖土真三軸儀的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)要點和目前不同加載類型真三軸儀的發(fā)展情況及優(yōu)缺點。還簡要評述了常規(guī)三軸和真三軸條件下堆石料靜力特性試驗研究和堆石料力學(xué)特性機理相關(guān)的研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，重點介紹了本研究團(tuán)隊開發(fā)的大型巖土靜動真三軸試驗機及在堆石料真三軸復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗研究方面取得的初步成果。本文主要結(jié)論如下：

(1) 按各方向的加載方式不同，土的真三軸儀可以分為3類：剛性加載真三軸儀、柔性加載真三軸儀和混合型加載真三軸儀。與已有的砂土和黏土相比，堆石料真三軸試驗具有試樣尺寸大、承壓高、各方向相互干擾強、試樣變形后荷載對中難、加壓板與試樣間摩擦效應(yīng)強、試樣安裝和量測復(fù)雜等諸多困難。因而目前適用于堆石料的真三軸儀和試驗成果均較少。

(2) 堆石料固有的力學(xué)特性多與其明顯的顆粒破碎、原始和誘發(fā)各向異性等密切相關(guān)，目前關(guān)于其力學(xué)特性機理的研究主要基于常規(guī)三軸試驗的成果?？紤]堆石料真三軸及復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下的力學(xué)行為，研究其機理并開發(fā)相應(yīng)的本構(gòu)模型是本課題發(fā)展的趨勢。

(3) 開發(fā)了清華大學(xué)大型巖土靜動真三軸試驗機(THU-SDTTA)，聯(lián)合采用橢圓形試樣帽和異形乳膠膜的封樣方式可很好地解決壓力室施加高壓時真三軸試樣的密封、加壓、拆裝、量測和耐久性等一系列難題。并在壓力室內(nèi)部小主應(yīng)力方向上增加了一對水下耐高壓傳感器，可與體變傳感器聯(lián)合使用提高位移估算精度。

(4) 對堆石料進(jìn)行了一系列真三軸復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗，結(jié)果表明真三軸試驗中堆石料表現(xiàn)出更明顯的應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性和應(yīng)力狀態(tài)依賴性，特別是對 σ3-ε3關(guān)系、p-εv關(guān)系和 q-εs關(guān)系的影響更顯著。球應(yīng)力p和廣義剪應(yīng)力q對體積應(yīng)變εv和廣義剪應(yīng)變εs之間存在著明顯的交叉影響。

注：該文在第28屆結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議(2019 南昌)應(yīng)邀作特邀報告