一維應力狀態(tài)和平面應力狀態(tài)在自然界中很難遇到,而三維應力在土木工程中是普遍存在的。但三維應力的測試一直存大困難,因此人們常常將三維應力狀態(tài)理想化為一維應力狀態(tài),并用單向土壓力盒測試。在地基承載力、邊坡穩定性和土體變形研究等巖土工程問(wèn)題中,人們往往將三維應力簡(jiǎn)化為二維應力或其他特殊應力。這種簡(jiǎn)化主要基于現有測試手段的局限性,必將降低人們的認識水平和解決問(wèn)題的能力。
物理量的存在是客觀(guān)的,但物理量的表示是主觀(guān)的??陀^(guān)存在的應力其表示方法也是主觀(guān)的,常規的三維應力表示方法是3個(gè)正應力+3個(gè)剪應力。對于各向同性材料來(lái)說(shuō),既可以用3個(gè)主應力表示,也可以用八面體應力表示,還可以用P、Q、應力羅德角的形式表示。
基于對3個(gè)正應力+3個(gè)剪應力的三維應力可以用6個(gè)正應力表示的認識。我們發(fā)現通過(guò)測試6個(gè)不同方向上的正應力就可以得到這3個(gè)正應力和3個(gè)剪應力。并根據此三維土壓力測試原理,已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種型號的三維土壓力盒,分別適用于模型實(shí)驗和原位測試等不同應用場(chǎng)景。
例如:
1、三維土壓力測試技術(shù)在循環(huán)加卸載中的應用。將三維土壓力盒應用到一個(gè)模型實(shí)驗中。通過(guò)6個(gè)相同梯度、8個(gè)相同循環(huán)的加卸載試驗,得到了土中連續的三維應力??梢钥闯?,雖然每次的荷載條件一樣,但土中的三維應力測試值并不一樣。說(shuō)明土中應力不但與外部荷載有關(guān),還與土的性質(zhì)有關(guān)。在此基礎上,可以非常方便的得到相應的主應力和主方向。此外,還可進(jìn)一步整理出側向應力與豎向應力的關(guān)系,以及不同方向上的側壓力系數。
2、三維土壓力測試技術(shù)還可應用于研究基坑開(kāi)挖相關(guān)問(wèn)題。比如:用以測試毗鄰地鐵隧道的基坑開(kāi)挖對隧道和地下設施的影響。在基坑和隧道之間設置了兩列六個(gè)測孔,每孔分別在7.5m和15m處布置三維土壓力盒,以監測基坑開(kāi)挖的影響。同時(shí),在基坑內部和隧道內部設置位移監測點(diǎn)。通過(guò)2個(gè)月左右的監測,得到了所有測點(diǎn)三維應力狀態(tài)變化過(guò)程,并在此基礎上得到了大主應力、中主應力和小主應力變化規律及其路徑。
3、三維土壓力測試技術(shù)還可應用于測試沖擊荷載引起的三維應力變化。比如:可用于測試夯擊作用下土中的應力反應,以評估夯擊效果。
4、三維土壓力測試技術(shù)還可應用于測試碾壓過(guò)程中土中應力反應。根據應力反應,可評價(jià)路基碾壓效果,也可用于研究路基的長(cháng)期應力演化規律以及路基的健康狀況和穩定性。
5、三維土壓力測試技術(shù)還可應用于測試山嶺隧道掘進(jìn)對周?chē)鷰r土體的影響和掘進(jìn)之后的應力松弛和演變過(guò)程。2022年將三維土壓力盒應用于鄭萬(wàn)高鐵興山老林崗隧道,包括超前埋設和掘后埋設兩種方案共4個(gè)斷面、12個(gè)孔位、24個(gè)測點(diǎn)。在測試過(guò)程中由于各個(gè)三維土壓力盒的局部坐標系與整體坐標系均不相同,因此需要事先確定坐標轉換和應力轉換關(guān)系。經(jīng)過(guò)半個(gè)月的監測,得到了掘進(jìn)過(guò)程中周?chē)鷰r土體的應力演化以及掘進(jìn)之后的應力松弛過(guò)程。
6、三維土壓力測試技術(shù)還可應用于地下爆炸引起的土體應力測試。
7、三維土壓力測試技術(shù)還可應用樁基施工對環(huán)境影響研究,比如:旋噴樁施工對周?chē)馏w的影響。
8、三維土壓力測試技術(shù)還可用于低溫環(huán)境和凍脹效應測試。但要注意,應用于低溫環(huán)境時(shí)要進(jìn)行溫度校正。原因在于土壓力盒測試數據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、壓電式土壓力盒應用于低溫環(huán)境時(shí),必須進(jìn)行溫度校正。