土的三維應(yīng)力測(cè)試技術(shù)

一維應(yīng)力狀態(tài)和平面應(yīng)力狀態(tài)在自然界中很難遇到，而三維應(yīng)力在土木工程中是普遍存在的。但三維應(yīng)力的測(cè)試一直存大困難，因此人們常常將三維應(yīng)力狀態(tài)理想化為一維應(yīng)力狀態(tài)，并用單向土壓力盒測(cè)試。在地基承載力、邊坡穩(wěn)定性和土體變形研究等巖土工程問(wèn)題中，人們往往將三維應(yīng)力簡(jiǎn)化為二維應(yīng)力或其他特殊應(yīng)力。這種簡(jiǎn)化主要基于現(xiàn)有測(cè)試手段的局限性，必將降低人們的認(rèn)識(shí)水平和解決問(wèn)題的能力。

物理量的存在是客觀的，但物理量的表示是主觀的。客觀存在的應(yīng)力其表示方法也是主觀的，常規(guī)的三維應(yīng)力表示方法是3個(gè)正應(yīng)力+3個(gè)剪應(yīng)力。對(duì)于各向同性材料來(lái)說(shuō)，既可以用3個(gè)主應(yīng)力表示，也可以用八面體應(yīng)力表示，還可以用P、Q、應(yīng)力羅德角的形式表示。

基于對(duì)3個(gè)正應(yīng)力+3個(gè)剪應(yīng)力的三維應(yīng)力可以用6個(gè)正應(yīng)力表示的認(rèn)識(shí)。我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)測(cè)試6個(gè)不同方向上的正應(yīng)力就可以得到這3個(gè)正應(yīng)力和3個(gè)剪應(yīng)力。并根據(jù)此三維土壓力測(cè)試原理，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種型號(hào)的三維土壓力盒，分別適用于模型實(shí)驗(yàn)和原位測(cè)試等不同應(yīng)用場(chǎng)景。

例如：

1、三維土壓力測(cè)試技術(shù)在循環(huán)加卸載中的應(yīng)用。將三維土壓力盒應(yīng)用到一個(gè)模型實(shí)驗(yàn)中。通過(guò)6個(gè)相同梯度、8個(gè)相同循環(huán)的加卸載試驗(yàn)，得到了土中連續(xù)的三維應(yīng)力?？梢钥闯?，雖然每次的荷載條件一樣，但土中的三維應(yīng)力測(cè)試值并不一樣。說(shuō)明土中應(yīng)力不但與外部荷載有關(guān)，還與土的性質(zhì)有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，可以非常方便的得到相應(yīng)的主應(yīng)力和主方向。此外，還可進(jìn)一步整理出側(cè)向應(yīng)力與豎向應(yīng)力的關(guān)系，以及不同方向上的側(cè)壓力系數(shù)。

2、三維土壓力測(cè)試技術(shù)還可應(yīng)用于研究基坑開(kāi)挖相關(guān)問(wèn)題。比如：用以測(cè)試毗鄰地鐵隧道的基坑開(kāi)挖對(duì)隧道和地下設(shè)施的影響。在基坑和隧道之間設(shè)置了兩列六個(gè)測(cè)孔，每孔分別在7.5m和15m處布置三維土壓力盒，以監(jiān)測(cè)基坑開(kāi)挖的影響。同時(shí)，在基坑內(nèi)部和隧道內(nèi)部設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過(guò)2個(gè)月左右的監(jiān)測(cè)，得到了所有測(cè)點(diǎn)三維應(yīng)力狀態(tài)變化過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上得到了大主應(yīng)力、中主應(yīng)力和小主應(yīng)力變化規(guī)律及其路徑。

3、三維土壓力測(cè)試技術(shù)還可應(yīng)用于測(cè)試沖擊荷載引起的三維應(yīng)力變化。比如：可用于測(cè)試夯擊作用下土中的應(yīng)力反應(yīng)，以評(píng)估夯擊效果。

4、三維土壓力測(cè)試技術(shù)還可應(yīng)用于測(cè)試碾壓過(guò)程中土中應(yīng)力反應(yīng)。根據(jù)應(yīng)力反應(yīng)，可評(píng)價(jià)路基碾壓效果，也可用于研究路基的長(zhǎng)期應(yīng)力演化規(guī)律以及路基的健康狀況和穩(wěn)定性。

5、三維土壓力測(cè)試技術(shù)還可應(yīng)用于測(cè)試山嶺隧道掘進(jìn)對(duì)周圍巖土體的影響和掘進(jìn)之后的應(yīng)力松弛和演變過(guò)程。2022年將三維土壓力盒應(yīng)用于鄭萬(wàn)高鐵興山老林崗隧道，包括超前埋設(shè)和掘后埋設(shè)兩種方案共4個(gè)斷面、12個(gè)孔位、24個(gè)測(cè)點(diǎn)。在測(cè)試過(guò)程中由于各個(gè)三維土壓力盒的局部坐標(biāo)系與整體坐標(biāo)系均不相同，因此需要事先確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和應(yīng)力轉(zhuǎn)換關(guān)系。經(jīng)過(guò)半個(gè)月的監(jiān)測(cè)，得到了掘進(jìn)過(guò)程中周圍巖土體的應(yīng)力演化以及掘進(jìn)之后的應(yīng)力松弛過(guò)程。

6、三維土壓力測(cè)試技術(shù)還可應(yīng)用于地下爆炸引起的土體應(yīng)力測(cè)試。

7、三維土壓力測(cè)試技術(shù)還可應(yīng)用樁基施工對(duì)環(huán)境影響研究，比如：旋噴樁施工對(duì)周圍土體的影響。

8、三維土壓力測(cè)試技術(shù)還可用于低溫環(huán)境和凍脹效應(yīng)測(cè)試。但要注意，應(yīng)用于低溫環(huán)境時(shí)要進(jìn)行溫度校正。原因在于土壓力盒測(cè)試數(shù)據(jù)受溫度變化影響較大，這一點(diǎn)與一維土壓力盒是一樣的，比如：電阻式、振弦式、壓電式土壓力盒應(yīng)用于低溫環(huán)境時(shí)，必須進(jìn)行溫度校正。