土工三轴试验中端部接触和端部约束影响的研究

土工三轴试验中端部接触和端部约束影响的研究

姜晨澍

广东省地质实验测试中心，广东省广州市， 510080

摘要：土工三轴试验是土工试验体系中的重要组成部分，在土体本构模型科学、有效构建中发挥着至关重要的作用。但在实际操作过程中，土工三轴试验结果易受材料因素、试验环境因素、边界约束因素等影响降低准确性。因此，为提高土工三轴试验结果有效性、准确性、真实性，促进土工三轴试验优化发挥，针对土工三轴试验中端部接触和端部约束问题进行了探究，并基于经验总结提出端部接触和端部约束影响规避与减轻措施。

关键词：土工三轴试验；端部接触；端部约束

引言：土体力学特性探究中三轴试验具有较高应用价值。三轴试验主要是将土样置于密闭压力室中，借助相关仪器设备对土样施压，模拟实际土层受力情况，从而对土的力学性能（如抗剪强度、变形指标弹性等）进行有效分析。三轴试验过程中，理想状态下土样受力变形过程中其内部应力是均匀的，但是实际操作过程中，受端部接触、端部约束等影响，土工三轴试验中土样受力变形内部应力并不均匀，故土样呈“鼓状”、“颈状”，降低土力学性能定量分析结果准确性。因此，有必要掌握土工三轴试验中端部接触和端部约束存在的影响，积极探寻影响规避、减轻、消除方法，以提高土工三轴试验结果真实性、准确性、有效性。

1土工三轴试验中端部接触问题的分析

土工三轴试验过程中，试件下端与压力室底座相连，试件上端与试样帽固定，压力加载过程中需要通过传力杆、试样帽加载体系传递到试件顶端^[1]。而加载体系各构件之间不可避免存在间隙，从而导致土工三轴试验时，受加载体系构件间隙影响出现试件变形、加载体系变形等问题。我们将这一现象称之为端部接触影响。多数研究发现，端部接触所产生的轴向应力测定误差较大，特别是在土工三轴试验加载初期，因土体刚度较土工三轴试验仪加载体系刚度大，加载过程中加载体系承担了绝大部分轴向位移荷载，导致加载体系变形，同时随着土体刚度下降，但土体刚度低于加载体系刚度时，其所承担的轴向变形增多^[2]。

为进一步了解端部接触影响，以钢柱为试验样品进行单轴压缩试验分析，试验样品高度57.40mm，截面积946.34mm²，弹性模量210GPa，试验过程中配置与土工三轴试验相同的加载体系构件，加载后压力1.02kN。对小荷载状态下试件变形（ ）进行计算，则 ，式中F表示轴向压力，H表示试件高度，A表示试件截面积，E表示试件弹性模量，计算结果显示试件变形2.95×10^-4mm，不到加载量的1%，此时加载体系主要承担位移荷载。对加载体系变形（ ）情况进行分析，发现单轴压缩试验荷载与位移曲线可拟合成二次抛物线函数，即 （F）=1.47F²+1.27F，加载体系变形伴贯穿整个加载过程，及时消除加载体系构件间隙，也不能完全消除土工三轴试验中端部接触对轴向变形测量结果的影响。按照公式 ， ， （式中 表示加载体系轴向应变， 表示试件轴向应变，H₀表示试件初始高度）探索偏差应力与轴向应力杆细、加载体系轴向应变与局部抽象应变关系，发现加载体系变形是加载初期轴向应变主要影响因素，随着荷载增加，试件变形在轴向变形中的占比增加。

2土工三轴试验中端部约束问题的分析

土工三轴试验过程中，受摩擦阻力影响，试件与底座、试样帽之间存在一定剪应力，导致加载过程中试件端部区域产生径向、轴向变形。由于试件中部未受该剪应力影响，故在加压过程中呈“鼓状”或“颈状”，我们将这一现象称为端部约束。为进一步了解土工三轴试验中端部约束影响，以2种土料（颗粒级配情况见表1）为试验对象，按照土工三轴试验相关规定开展固结排水剪切试验。已知A料最大干密度为2.15g/cm³，最小干密度为1.61g/cm³，B料最大干密度为2.04g/cm³，最小干密度为1.55g/cm³。试验操作时，试件直径取100mm，试件高度取200mm，剪切速率控制为0.004mm/s，围压分别设置为200kPa~1200kPa。运用Duncan-Chang模型对土工三轴试验过程进行模拟，并绘制偏差应力一轴向应变关系曲线、体积应变-轴向应变关系曲线，用以探索土工三轴试验中端部约束的影响。轴向应力（ ）可用双曲线方程近似描述，即 = ，式中 表示为轴向应变， 表示大主应力， 小主应力， 表示初始切线弹性模量， 表示偏应力峰值。结果显示围压越大剪切变形越大，破坏应变越大，即常规土工三轴试验中围压为200kPa时，A料破坏应变约为7.3%，B料破坏应变约为11.9%，围压为1200kPa时，A料破坏应变约为13.1%，B料破坏应变约为14.9%。此外，围压不同 、 等值也不同，端部约束对土料应力应变特性、强度特性、体积特性均存在影响。

表 1 试验样品特性参数

3减轻端部接触和端部约束影响的措施分析

针对土工三轴试验中端部接触和端部约束形成因素与影响表现，建议从以下几方面进行规避或减轻：（1）改进土工三轴试验操作条件与加载体系，如运用润滑试样帽法，减轻端部接触、端部约束对应变特性、强度特性等影响；在加载体系中配备微摩擦荷载传力板，减小摩阻力，消除端部约束影响。（2）运用数字图像测量技术对土工三轴试验结果进行校正，获取较为准确的初始切线弹性模量，减少端部接触和端部约束影响。

结论：端部接触与端部约束是影响土工三轴试验信息准确性的关键因素。端部接触对土工三轴试验中轴向应变测定结果存在显著影响，导致该影响产生的因素较多，如土体刚度过大、加载体系构件变形等；端部约束对土工三轴试验中轴向应变、径向应变、中部体积应变等均存在一定影响，导致该影响产生的因素主要有材料性质、试验工作条件等。针对端部接触与端部约束影响，建议加强试验操作技术改进，合理应用数字图像测量技术，进行影响规避、减轻或消除。

参考文献：

[1]范鹏贤,王贾博,刘家贵,等.端部条件对红砂岩试件测试强度影响的试验研究[J].应用基础与工程科学学报,2021,29(02):426-437.

[2]王艳丽,程展林,潘家军,等.岩土工程三轴试验微摩擦荷载传力板的研制及初步应用[J].岩土工程学报,2020,42(12):2316-2321.