土的三維應(yīng)力測試技術(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題中，人們往往將三維應(yīng)力簡化為二維應(yīng)力或其他特殊應(yīng)力。這種簡化主要基于現(xiàn)有測試手段的局限性，必將降低人們的認識水平和解決問題的能力。

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個正應(yīng)力+3個剪應(yīng)力。對于各向同性材料來說，既可以用3個主應(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3個正應(yīng)力+3個剪應(yīng)力的三維應(yīng)力可以用6個正應(yīng)力表示的認識。我們發(fā)現(xiàn)通過測試6個不同方向上的正應(yīng)力就可以得到這3個正應(yīng)力和3個剪應(yīng)力。并根據(jù)此三維土壓力測試原理，已經(jīng)開發(fā)出多種型號的三維土壓力盒，分別適用于模型實驗和原位測試等不同應(yīng)用場景。

例如：

1、三維土壓力測試技術(shù)在循環(huán)加卸載中的應(yīng)用。將三維土壓力盒應(yīng)用到一個模型實驗中。通過6個相同梯度、8個相同循環(huán)的加卸載試驗，得到了土中連續(xù)的三維應(yīng)力。可以看出，雖然每次的荷載條件一樣，但土中的三維應(yīng)力測試值并不一樣。說明土中應(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、三維土壓力測試技術(shù)還可應(yīng)用于研究基坑開挖相關(guān)問題。比如：用以測試毗鄰地鐵隧道的基坑開挖對隧道和地下設(shè)施的影響。在基坑和隧道之間設(shè)置了兩列六個測孔，每孔分別在7.5m和15m處布置三維土壓力盒，以監(jiān)測基坑開挖的影響。同時，在基坑內(nèi)部和隧道內(nèi)部設(shè)置位移監(jiān)測點。通過2個月左右的監(jiān)測，得到了所有測點三維應(yīng)力狀態(tài)變化過程，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、三維土壓力測試技術(shù)還可應(yīng)用于測試沖擊荷載引起的三維應(yīng)力變化。比如：可用于測試夯擊作用下土中的應(yīng)力反應(yīng)，以評估夯擊效果。

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

5、三維土壓力測試技術(shù)還可應(yīng)用于測試山嶺隧道掘進對周圍巖土體的影響和掘進之后的應(yīng)力松弛和演變過程。2022年將三維土壓力盒應(yīng)用于鄭萬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個斷面、12個孔位、24個測點。在測試過程中由于各個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(zhuǎn)換和應(yīng)力轉(zhuǎn)換關(guān)系。經(jīng)過半個月的監(jiān)測，得到了掘進過程中周圍巖土體的應(yīng)力演化以及掘進之后的應(yīng)力松弛過程。

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

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

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(yīng)測試。但要注意，應(yīng)用于低溫環(huán)境時要進行溫度校正。原因在于土壓力盒測試數(shù)據(jù)受溫度變化影響較大，這一點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，必須進行溫度校正。