平面應(yīng)變儀儀器標(biāo)定

1.試樣各端面間應(yīng)力互不干擾的標(biāo)定：

在試驗(yàn)過(guò)程中要求三對(duì)主應(yīng)力之間互不干擾。

標(biāo)定方法是：用有機(jī)玻璃塊作模擬試樣，儀器全部安裝完畢后，逐級(jí)施加大主應(yīng)力σ₁，這時(shí)中主應(yīng)力σ₁和小主應(yīng)力σ₃量測(cè)系統(tǒng)能夠始終保持零位，說(shuō)明該儀器大主應(yīng)力不會(huì)對(duì)中主應(yīng)力和小主應(yīng)力產(chǎn)生干擾。反之，將大主應(yīng)力和中主應(yīng)力量測(cè)系統(tǒng)調(diào)至零位，在增加小主應(yīng)力的過(guò)程中，大主應(yīng)力和中主應(yīng)力量測(cè)系統(tǒng)同樣能夠始終保持零位，說(shuō)明小主應(yīng)力不會(huì)對(duì)大主應(yīng)力和中主應(yīng)力產(chǎn)生干擾。中主應(yīng)力是不動(dòng)端面上由于σ₁和σ₃的作用而受到的壓力，它是不會(huì)對(duì)σ₁和σ₃產(chǎn)生干擾的。

2.用小型土壓力盒量測(cè)中主應(yīng)力的標(biāo)定：

將小型土壓力盒妥貼地嵌入不動(dòng)端板，將不動(dòng)端板連同土壓力盒放入標(biāo)罐中分級(jí)加壓進(jìn)行標(biāo)定，得到標(biāo)定曲線(xiàn)，經(jīng)三次標(biāo)定，全部測(cè)點(diǎn)均落在同一直線(xiàn)上，說(shuō)明該種土壓力盒的線(xiàn)性和重復(fù)性均較好。

然后，用有機(jī)玻璃板作模擬試樣，儀器全部安裝完畢后，從試樣孔隙壓力量測(cè)孔中，向試樣與橡皮膜之間施加壓力（這時(shí)小主應(yīng)力面上加壓袋的壓力保持稍高于孔隙壓力系統(tǒng)中的壓力），這時(shí)所施加的壓力與土壓力盒所反映出來(lái)的壓力，仍能很好的落在土壓力盒的標(biāo)定曲線(xiàn)上。除此之外，還需要進(jìn)行應(yīng)變控制式的剪切速率標(biāo)定、主應(yīng)力穩(wěn)壓系統(tǒng)的標(biāo)定等，其標(biāo)定方法與常規(guī)靜三軸相同。

平面應(yīng)變儀大致有如下幾個(gè)組成部分：

1. 平面應(yīng)變壓力室

2. 主應(yīng)力穩(wěn)壓和反壓力體變控制系統(tǒng)

3. 變速箱及蝸輪蝸桿系統(tǒng), 用于應(yīng)變控制式的主應(yīng)力加荷

4. 滾動(dòng)隔膜式壓力缸, 用作應(yīng)力控制式的主應(yīng)力加荷

在這些部分中, 平面應(yīng)變壓力室是關(guān)鍵部件,如《平面應(yīng)變儀壓力總裝示意圖》所示。試樣尺寸為長(zhǎng)10 厘米、寬5 厘米、高10 厘米, 這個(gè)尺寸與東京港灣研究所的平面應(yīng)變儀試樣尺寸相同。

平面應(yīng)變儀壓力室與常規(guī)三軸儀壓力室不同，它必須達(dá)到如下要求：

1.試樣裝配完成后，其四個(gè)垂直側(cè)壁（包括加荷帽、透水石底座）都應(yīng)該保持平面，所以試樣外周邊包圍的橡皮膜不能采用“捆扎”形式，而要采用一種“壓合”的形式。

2.為減少中主應(yīng)力σ₂作用面上的摩擦影響（或稱(chēng)端部約束影響），除試樣采用長(zhǎng)方形塊體外，在σ₂作用面上應(yīng)涂硅油（中油）并且?jiàn)A以乳膠片作過(guò)渡層。

3.垂直方向大主應(yīng)力σ₁ （有時(shí)它又轉(zhuǎn)化為σ₃）采用剛性端板加荷方式。水平方向小主應(yīng)力σ₁ （有些試驗(yàn)中它會(huì)轉(zhuǎn)化為σ₁）采用局部加筋的方形柔性加壓袋加壓。試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)保證試樣邊角正交，并且σ₁、σ₂、σ₃之間不允許產(chǎn)生相互干擾影響，這就有賴(lài)于各構(gòu)件間的合理設(shè)計(jì)，儀器出力標(biāo)準(zhǔn)為水平方向最大壓力5公斤/平方厘米，垂直方向最大壓力為20公斤/平方厘米。

4.中主應(yīng)力σ₂采用小型土壓力盒量測(cè)（第一種為外徑30毫米，受力面直徑23毫米、厚6毫米，第二種為外形直徑6毫米、厚0.7毫米、在額定壓力下，壓力盒受力面最大撓度小于受力面直徑的十萬(wàn)分之一），由于中主應(yīng)力σ₁作用面上有涂硅油的過(guò)渡層以及試樣側(cè)面有橡皮膜，因而可以將局部拱效應(yīng)的影響大大減少。

此外，可將固定σ₁作用面的拉桿設(shè)計(jì)成小型拉力傳感器的形式，從而可以對(duì)σ₁進(jìn)行外部量測(cè)，并與土壓力盒量測(cè)數(shù)值相互印證。

除此之外，在試驗(yàn)過(guò)程中可以進(jìn)行試樣孔隙壓力和體積變化的量測(cè)。主應(yīng)力穩(wěn)壓和反壓力體變的控制是利用壓縮空氣來(lái)達(dá)到穩(wěn)壓的目的，采用直徑35厘米、高度70厘米、耐壓20公斤/平方厘米的壓力庫(kù)，這樣可以在試樣產(chǎn)生20%的體積變化（相應(yīng)于總體積為500立方厘米的試樣產(chǎn)生10立方厘米的排水量）、以及氣體壓力不作另外的補(bǔ)充時(shí)，其壓力僅變動(dòng)0.15%。

為防止整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的某個(gè)部位產(chǎn)生微小的泄漏，除對(duì)每個(gè)零件要求保證密封外，另外增設(shè)了調(diào)壓閥，作為穩(wěn)壓控制。除了用空壓機(jī)加氣外尚可用高壓氮?dú)馄孔鳉鈮涸础Ｔ讷@得了三組穩(wěn)定的氣體壓力之后（分別為σ₁、σ₃以及反壓力體變），通過(guò)水氣轉(zhuǎn)換器，將穩(wěn)定的氣壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的水壓，供給試驗(yàn)之用。

應(yīng)變控制式加荷采用電動(dòng)機(jī)、變速箱和蝸輪蝸桿系統(tǒng)給試樣施加等應(yīng)變速率的剪切，其剪切速率可在每分鐘0.0024毫米到每分鐘6毫米之間變動(dòng)，分25檔變速，相應(yīng)的軸向剪切應(yīng)變速率為每分鐘2.4x10^-5到每分鐘6.0X10^-2，剪切到15%的應(yīng)變時(shí)，所需時(shí)間為6250分鐘到2.5分鐘，基本上可以滿(mǎn)足各種類(lèi)型等應(yīng)變剪切試驗(yàn)的需要。

應(yīng)力控制式加荷采用滾動(dòng)隔膜式活塞壓力缸將穩(wěn)壓系統(tǒng)傳來(lái)的穩(wěn)定壓力轉(zhuǎn)化為試樣的垂直壓力, 其結(jié)構(gòu)如圖《滾動(dòng)隔膜壓力缸》所示。

許多土力學(xué)問(wèn)題都是屬于平面應(yīng)變狀態(tài)的，土壩、隧洞、擋土墻均屬此例。但是各種土工試驗(yàn)儀器的受力狀態(tài)與此是很不相同的。所以從模擬實(shí)際工程問(wèn)題的應(yīng)力狀態(tài)來(lái)看，有必要研制一種平面應(yīng)變剪切儀，通常簡(jiǎn)稱(chēng)為平面應(yīng)變儀。

六十年代初期，英國(guó)劍橋大學(xué)以及帝國(guó)學(xué)院相繼研制了不同類(lèi)型的平面應(yīng)變儀。由于當(dāng)時(shí)電子儀器水平的限制，其量測(cè)手段大多數(shù)尚比較簡(jiǎn)單。直到六十年代末期，美國(guó)和日本相繼引進(jìn)了英國(guó)平面應(yīng)變儀的基本形式，并且裝置了各種傳感器進(jìn)行電測(cè)。1971年，美國(guó)麻省理工學(xué)院制成了比較完善的平面應(yīng)變儀。七十年代中期，日本谷滕會(huì)社又在麻省理工學(xué)院平面應(yīng)變儀的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，制成了多功能三軸儀，成為正式商品供應(yīng)市場(chǎng)。

我國(guó)開(kāi)展有關(guān)土的本構(gòu)關(guān)系研究以及相應(yīng)的儀器研制工作是比較早的，早在六十年代中期，中國(guó)科學(xué)院武漢巖體土力學(xué)研究所就吸取了當(dāng)時(shí)英國(guó)劍橋大學(xué)的成果，研制了一臺(tái)真三軸儀，這臺(tái)真三軸儀原則上可以實(shí)現(xiàn)平面應(yīng)變狀態(tài)下的剪切，這臺(tái)儀器正在不斷調(diào)試改進(jìn)。七十年代末，清華大學(xué)和西北水利科學(xué)研究所分別進(jìn)口了日本谷滕會(huì)社的多功能三軸儀，正在調(diào)試和進(jìn)行部分試驗(yàn)研究工作。1981年北京水利科學(xué)研究院對(duì)常規(guī)三軸儀的壓力室進(jìn)行改裝，在三軸壓力室內(nèi)加立兩塊鋼板，實(shí)現(xiàn)了平面應(yīng)變狀態(tài)的剪切，稱(chēng)之為簡(jiǎn)易平面應(yīng)變儀，但是該種儀器尚不能進(jìn)行中主應(yīng)力σ₂的量測(cè)。

除此之外，浙江大學(xué)、武漢水利電力學(xué)院等，也均在開(kāi)展這方面的研究工作。

平面應(yīng)變儀主要功能

1.進(jìn)行平面應(yīng)變狀態(tài)下的土樣抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，研究不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響。

2.開(kāi)展平面應(yīng)變條件下土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的研究，并對(duì)計(jì)算土體應(yīng)力應(yīng)變特性經(jīng)常采用的數(shù)學(xué)模型（例如鄧肯模型）在平面應(yīng)變狀態(tài)下的適用性作出評(píng)價(jià)。

3.在平面應(yīng)變儀上同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)二對(duì)主應(yīng)力組合的控制，開(kāi)展應(yīng)力路徑對(duì)抗剪強(qiáng)度影響的研究。

4.利用所得的應(yīng)力-應(yīng)變-強(qiáng)度-時(shí)間關(guān)系（即SST關(guān)系），在八面體應(yīng)力空間對(duì)土在平面應(yīng)變狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行研究。

平面應(yīng)變儀可開(kāi)展的試驗(yàn)項(xiàng)目

1.σ₁=σ₃情況下固結(jié)的不排水剪切試驗(yàn)

2.K₀固結(jié)條件下的主動(dòng)不排水剪切試驗(yàn)

3.固結(jié)條件下的被動(dòng)不排水剪切試驗(yàn)

4. σ₁=σ₃情況下的固結(jié)排水剪切試驗(yàn)

5. K₀固結(jié)條件下的主動(dòng)排水剪切試驗(yàn)

6. K₀固結(jié)條件下的被動(dòng)排水剪切試驗(yàn)

7.應(yīng)力路徑對(duì)抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)