真三轴实验

高等岩石力学——真三轴试验

问题：真三轴试验如何做到2σ≠3σ，方法的误差来源。

真三轴仪大多是对方柱试件进行试验。瑞典皇家地质学院的Kjellman设计的通过六块刚性板在三个方向上独立施加主应力的仪器，由于仪器本身复杂性及各方向的相互干扰，造成大的误差。后来对真三轴试验仪进行了改进，安装一对侧向压力板，以施加2σ，其特点是试样有一对面暴露在压力室中，能减少这个方向上与其他两个方向边界间的干扰，同时能比较容易形成和观察到如剪切面等破坏形式，但误差的来源还是不能独立的施加大、中、小主应力。并且这种仪器很难进行如应力路径在π平面的6个角域中自由变化的真三轴试验。后来又研制出了许多真三轴仪如下图两个：

当前最常见的是真三轴刚性伺服试验机可以进行真三轴试验。主要用途：可以完成砼及岩石类材料的单轴、双轴和真三轴的拉压组合试验，实现全过程的测试。也可完成剪切、梁的弯曲、断裂试验等。此试验机竖向机架设1σ方向伺服油缸，横向框架设2σ方

向伺服油缸和真三轴压力室，推入竖向框架内可进行材料的常规三轴或真三轴压力试验。其中1σ、2σ为刚性加载，3σ由普通油液液压加载。三轴室设施加空隙水压力及各主应力方向位移量测量装置。三轴试验中，横向框架处于浮动工况。

这种真三轴刚性伺服试验机，虽然能进行真三轴试验，但是只能进行方柱试件的真三轴试验，实现了真三轴试验中的2σ≠3σ，圆柱试件可进行普通三轴试验。其加载路径通过如下方式进行，先加静水压（1σ=2σ=3σ），然后3σ保持不变，增加1σ和2σ到2σ的设计值，保持2σ不变，增加1σ直至试件破坏。此装置进行真三轴试验，纵向荷载1σ和横向荷载2σ都是通过与试件等截面的金属块加压，这样不存在端面的侧向约束问题，而仅存在端面摩擦力。减少加载金属块与试件端面间的摩擦力，中间可以加聚四氯乙烯板，在试件和加压板之间设置减摩垫层，刷行加载板，柔性加载板，金属箔液压垫。但在试件端面加了聚四氯乙烯板，端面摩擦力还是存在，且摩擦力与垂向应力成正比，对于一定的端面摩擦力，沿端面垂向试件越长，摩擦力对试件变形破坏起的阻碍作用越小。在研究1σ与2σ的关系时，选择试件长轴方向为2σ的方向是有益的。当然，这样1σ产生的摩擦力对试件变形破坏的阻碍相应增大了一些，1σ的变化幅度较小（相对于2σ），所以从总的效果来说，选择试件长轴方向施加2σ是有益的。示意图如下：

端部摩擦力是产生误差的主要原因所以对端部进行如下图的处理

目前真三轴试验仪产生的误差主要是由以下几个缺点造成的：应力难以均匀，当轴向应变大时，会产生加载板干扰，仪器不灵巧，操作复杂，会产生边界干扰。当试样发生变形后，必然产生试样与刚性板之间的相对运动，在刚性板与试样接触面上将产生剪应力，不能保证接触面上只有正应力，从而影响了真三轴试验测试结果的准确性。

因此要实现2σ≠3σ，国内外通常做法都是将试件做成方形试件，通过各种手段消除摩擦效应等的影响带来了不错的试验结果。并没有对圆柱形试件进行试验的真三轴仪器。个人认为要对圆柱形试件试验，可将其放入一个方形的模具中，变成对方形试件的加压进行试验。