平面应变仪

测定土试样在平面应变受力条件下强度和变形特性的仪器

测定土试样在平面应变受力条件下强度和变形特性的仪器。在长方体试样的两个方向施加主应力，第三个方向（一般为试样长度两端）用固定的刚性板限制该方向变形，刚性板中间可镶压力盒，以测量该方向压力变化。为了模拟原位应力状态，试样先K0固结，再按常规三轴压缩试验步骤进行试验，试验中需测定中主应力。用该仪器可以进行两个压缩应力路径和两个伸长应力路径的试验。

起源与发展

许多土力学问题都是属于平面应变状态的，土坝、隧洞、挡土墙均属此例。但是各种土工试验仪器的受力状态与此是很不相同的。所以从模拟实际工程问题的应力状态来看，有必要研制一种平面应变剪切仪，通常简称为平面应变仪。

六十年代初期，英国剑桥大学以及帝国学院相继研制了不同类型的平面应变仪。由于当时电子仪器水平的限制，其量测手段大多数尚比较简单。直到六十年代末期，美国和日本相继引进了英国平面应变仪的基本形式，并且装置了各种传感器进行电测。1971年，美国麻省理工学院制成了比较完善的平面应变仪。七十年代中期，日本谷滕会社又在麻省理工学院平面应变仪的基础上加以改进，制成了多功能三轴仪，成为正式商品供应市场。

我国开展有关土的本构关系研究以及相应的仪器研制工作是比较早的，早在六十年代中期，中国科学院武汉岩体土力学研究所就吸取了当时英国剑桥大学的成果，研制了一台真三轴仪，这台真三轴仪原则上可以实现平面应变状态下的剪切，这台仪器正在不断调试改进。七十年代末，清华大学和西北水利科学研究所分别进口了日本谷滕会社的多功能三轴仪，正在调试和进行部分试验研究工作。1981年北京水利科学研究院对常规三轴仪的压力室进行改装，在三轴压力室内加立两块钢板，实现了平面应变状态的剪切，称之为简易平面应变仪，但是该种仪器尚不能进行中主应力σ2的量测。

除此之外，浙江大学、武汉水利电力学院等，也均在开展这方面的研究工作。

主要结构

平面应变仪大致有如下几个组成部分：

在这些部分中, 平面应变压力室是关键部件,如《平面应变仪压力总装示意图》所示。试样尺寸为长10 厘米、宽5 厘米、高10 厘米, 这个尺寸与东京港湾研究所的平面应变仪试样尺寸相同。

平面应变仪压力室与常规三轴仪压力室不同，它必须达到如下要求：

1.试样装配完成后，其四个垂直侧壁（包括加荷帽、透水石底座）都应该保持平面，所以试样外周边包围的橡皮膜不能采用“捆扎”形式，而要采用一种“压合”的形式。

2.为减少中主应力σ2作用面上的摩擦影响（或称端部约束影响），除试样采用长方形块体外，在σ2作用面上应涂硅油（中油）并且夹以乳胶片作过渡层。

3.垂直方向大主应力σ1 （有时它又转化为σ3）采用刚性端板加荷方式。水平方向小主应力σ1 （有些试验中它会转化为σ1）采用局部加筋的方形柔性加压袋加压。试验过程中应保证试样边角正交，并且σ1、σ2、σ3之间不允许产生相互干扰影响，这就有赖于各构件间的合理设计，仪器出力标准为水平方向最大压力5公斤/平方厘米，垂直方向最大压力为20公斤/平方厘米。

4.中主应力σ2采用小型土压力盒量测（第一种为外径30毫米，受力面直径23毫米、厚6毫米，第二种为外形直径6毫米、厚0.7毫米、在额定压力下，压力盒受力面最大挠度小于受力面直径的十万分之一），由于中主应力σ1作用面上有涂硅油的过渡层以及试样侧面有橡皮膜，因而可以将局部拱效应的影响大大减少。

此外，可将固定σ1作用面的拉杆设计成小型拉力传感器的形式，从而可以对σ1进行外部量测，并与土压力盒量测数值相互印证。

除此之外，在试验过程中可以进行试样孔隙压力和体积变化的量测。主应力稳压和反压力体变的控制是利用压缩空气来达到稳压的目的，采用直径35厘米、高度70厘米、耐压20公斤/平方厘米的压力库，这样可以在试样产生20%的体积变化（相应于总体积为500立方厘米的试样产生10立方厘米的排水量）、以及气体压力不作另外的补充时，其压力仅变动0.15%。

为防止整个测量系统的某个部位产生微小的泄漏，除对每个零件要求保证密封外，另外增设了调压阀，作为稳压控制。除了用空压机加气外尚可用高压氮气瓶作气压源。在获得了三组稳定的气体压力之后（分别为σ1、σ3以及反压力体变），通过水气转换器，将稳定的气压转化为稳定的水压，供给试验之用。

应变控制式加荷采用电动机、变速箱和蜗轮蜗杆系统给试样施加等应变速率的剪切，其剪切速率可在每分钟0.0024毫米到每分钟6毫米之间变动，分25档变速，相应的轴向剪切应变速率为每分钟2.4x10-5到每分钟6.0X10-2，剪切到15%的应变时，所需时间为6250分钟到2.5分钟，基本上可以满足各种类型等应变剪切试验的需要。

应力控制式加荷采用滚动隔膜式活塞压力缸将稳压系统传来的稳定压力转化为试样的垂直压力, 其结构如图《滚动隔膜压力缸》所示。

仪器标定

1.试样各端面间应力互不干扰的标定：

在试验过程中要求三对主应力之间互不干扰。

标定方法是：用有机玻璃块作模拟试样，仪器全部安装完毕后，逐级施加大主应力σ1，这时中主应力σ1和小主应力σ3量测系统能够始终保持零位，说明该仪器大主应力不会对中主应力和小主应力产生干扰。反之，将大主应力和中主应力量测系统调至零位，在增加小主应力的过程中，大主应力和中主应力量测系统同样能够始终保持零位，说明小主应力不会对大主应力和中主应力产生干扰。中主应力是不动端面上由于σ1和σ3的作用而受到的压力，它是不会对σ1和σ3产生干扰的。

2.用小型土压力盒量测中主应力的标定：

将小型土压力盒妥贴地嵌入不动端板，将不动端板连同土压力盒放入标罐中分级加压进行标定，得到标定曲线，经三次标定，全部测点均落在同一直线上，说明该种土压力盒的线性和重复性均较好。

然后，用有机玻璃板作模拟试样，仪器全部安装完毕后，从试样孔隙压力量测孔中，向试样与橡皮膜之间施加压力（这时小主应力面上加压袋的压力保持稍高于孔隙压力系统中的压力），这时所施加的压力与土压力盒所反映出来的压力，仍能很好的落在土压力盒的标定曲线上。除此之外，还需要进行应变控制式的剪切速率标定、主应力稳压系统的标定等，其标定方法与常规静三轴相同。

仪器作用

主要功能

1.进行平面应变状态下的土样抗剪强度试验，研究不同应力状态对抗剪强度指标的影响。

2.开展平面应变条件下土体应力应变关系的研究，并对计算土体应力应变特性经常采用的数学模型（例如邓肯模型）在平面应变状态下的适用性作出评价。

3.在平面应变仪上同时实现对二对主应力组合的控制，开展应力路径对抗剪强度影响的研究。

4.利用所得的应力-应变-强度-时间关系（即SST关系），在八面体应力空间对土在平面应变状态下的本构关系进行研究。

可开展的试验项目

1.σ1=σ3情况下固结的不排水剪切试验

2.K0固结条件下的主动不排水剪切试验

3.固结条件下的被动不排水剪切试验

4. σ1=σ3情况下的固结排水剪切试验

5. K0固结条件下的主动排水剪切试验