平面應變儀

許多土力學問題都是屬於平面應變狀態的，土壩、隧洞、擋土牆均屬此例。但是各種土工試驗儀器的受力狀態與此是很不相同的。所以從模擬實際工程問題的應力狀態來看，有必要研製一種平面應變剪切儀，通常簡稱為平面應變儀。

六十年代初期，英國劍橋大學以及帝國學院相繼研製了不同類型的平面應變儀。由於當時電子儀器水平的限制，其量測手段大多數尚比較簡單。直到六十年代末期，美國和日本相繼引進了英國平面應變儀的基本形式，並且裝置了各種傳感器進行電測。1971年，美國麻省理工學院製成了比較完善的平面應變儀。七十年代中期，日本谷滕會社又在麻省理工學院平面應變儀的基礎上加以改進，製成了多功能三軸儀，成為正式商品供應市場。

我國開展有關土的本構關係研究以及相應的儀器研製工作是比較早的，早在六十年代中期，中國科學院武漢巖體土力學研究所就吸取了當時英國劍橋大學的成果，研製了一台真三軸儀，這台真三軸儀原則上可以實現平面應變狀態下的剪切，這台儀器正在不斷調試改進。七十年代末，清華大學和西北水利科學研究所分別進口了日本谷滕會社的多功能三軸儀，正在調試和進行部分試驗研究工作。1981年北京水利科學研究院對常規三軸儀的壓力室進行改裝，在三軸壓力室內加立兩塊鋼板，實現了平面應變狀態的剪切，稱之為簡易平面應變儀，但是該種儀器尚不能進行中主應力σ₂的量測。

除此之外，浙江大學、武漢水利電力學院等，也均在開展這方面的研究工作。 ^[2] 

平面應變儀大致有如下幾個組成部分：

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

平面應變儀壓力室與常規三軸儀壓力室不同，它必須達到如下要求：

1.試樣裝配完成後，其四個垂直側壁（包括加荷帽、透水石底座）都應該保持平面，所以試樣外周邊包圍的橡皮膜不能採用“捆紮”形式，而要採用一種“壓合”的形式。

2.為減少中主應力σ₂作用面上的摩擦影響（或稱端部約束影響），除試樣採用長方形塊體外，在σ₂作用面上應塗硅油（中油）並且夾以乳膠片作過渡層。

3.垂直方向大主應力σ₁ （有時它又轉化為σ₃）採用剛性端板加荷方式。水平方向小主應力σ₁ （有些試驗中它會轉化為σ₁）採用局部加筋的方形柔性加壓袋加壓。試驗過程中應保證試樣邊角正交，並且σ₁、σ₂、σ₃之間不允許產生相互干擾影響，這就有賴於各構件間的合理設計，儀器出力標準為水平方向最大壓力5公斤/平方釐米，垂直方向最大壓力為20公斤/平方釐米。

4.中主應力σ₂採用小型土壓力盒量測（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於受力面直徑的十萬分之一），由於中主應力σ₁作用面上有塗硅油的過渡層以及試樣側面有橡皮膜，因而可以將局部拱效應的影響大大減少。

此外，可將固定σ₁作用面的拉桿設計成小型拉力傳感器的形式，從而可以對σ₁進行外部量測，並與土壓力盒量測數值相互印證。

除此之外，在試驗過程中可以進行試樣孔隙壓力和體積變化的量測。主應力穩壓和反壓力體變的控制是利用壓縮空氣來達到穩壓的目的，採用直徑35釐米、高度70釐米、耐壓20公斤/平方釐米的壓力庫，這樣可以在試樣產生20%的體積變化（相應於總體積為500立方厘米的試樣產生10立方厘米的排水量）、以及氣體壓力不作另外的補充時，其壓力僅變動0.15%。

為防止整個測量系統的某個部位產生微小的泄漏，除對每個零件要求保證密封外，另外增設了調壓閥，作為穩壓控制。除了用空壓機加氣外尚可用高壓氮氣瓶作氣壓源。在獲得了三組穩定的氣體壓力之後（分別為σ₁、σ₃以及反壓力體變），通過水氣轉換器，將穩定的氣壓轉化為穩定的水壓，供給試驗之用。

應變控制式加荷採用電動機、變速箱和蝸輪蝸桿系統給試樣施加等應變速率的剪切，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，分25檔變速，相應的軸向剪切應變速率為每分鐘2.4x10^-5到每分鐘6.0X10^-2，剪切到15%的應變時，所需時間為6250分鐘到2.5分鐘，基本上可以滿足各種類型等應變剪切試驗的需要。

應力控制式加荷採用滾動隔膜式活塞壓力缸將穩壓系統傳來的穩定壓力轉化為試樣的垂直壓力, 其結構如圖《滾動隔膜壓力缸》所示。 ^[2] 

1.試樣各端面間應力互不干擾的標定：

在試驗過程中要求三對主應力之間互不干擾。

標定方法是：用有機玻璃塊作模擬試樣，儀器全部安裝完畢後，逐級施加大主應力σ₁，這時中主應力σ₁和小主應力σ₃量測系統能夠始終保持零位，説明該儀器大主應力不會對中主應力和小主應力產生干擾。反之，將大主應力和中主應力量測系統調至零位，在增加小主應力的過程中，大主應力和中主應力量測系統同樣能夠始終保持零位，説明小主應力不會對大主應力和中主應力產生干擾。中主應力是不動端面上由於σ₁和σ₃的作用而受到的壓力，它是不會對σ₁和σ₃產生干擾的。

2.用小型土壓力盒量測中主應力的標定：

將小型土壓力盒妥貼地嵌入不動端板，將不動端板連同土壓力盒放入標罐中分級加壓進行標定，得到標定曲線，經三次標定，全部測點均落在同一直線上，説明該種土壓力盒的線性和重複性均較好。

然後，用有機玻璃板作模擬試樣，儀器全部安裝完畢後，從試樣孔隙壓力量測孔中，向試樣與橡皮膜之間施加壓力（這時小主應力面上加壓袋的壓力保持稍高於孔隙壓力系統中的壓力），這時所施加的壓力與土壓力盒所反映出來的壓力，仍能很好的落在土壓力盒的標定曲線上。除此之外，還需要進行應變控制式的剪切速率標定、主應力穩壓系統的標定等，其標定方法與常規靜三軸相同。 ^[2] 

1.進行平面應變狀態下的土樣抗剪強度試驗，研究不同應力狀態對抗剪強度指標的影響。

2.開展平面應變條件下土體應力應變關係的研究，並對計算土體應力應變特性經常採用的數學模型（例如鄧肯模型）在平面應變狀態下的適用性作出評價。

3.在平面應變儀上同時實現對二對主應力組合的控制，開展應力路徑對抗剪強度影響的研究。

4.利用所得的應力-應變-強度-時間關係（即SST關係），在八面體應力空間對土在平面應變狀態下的本構關係進行研究。

1.σ₁=σ₃情況下固結的不排水剪切試驗

2.K₀固結條件下的主動不排水剪切試驗

3.固結條件下的被動不排水剪切試驗

4. σ₁=σ₃情況下的固結排水剪切試驗

5. K₀固結條件下的主動排水剪切試驗

6. K₀固結條件下的被動排水剪切試驗

7.應力路徑對抗剪強度影響的試驗 ^[2]