通过仿真分析三轴试验方法

三轴试验 方法能够分析隧道、大坝、建筑物或其他结构的地基。在施工前、施工中和施工后进行三轴试验有助于确保结构的安全可靠。为了更好地了解土壤的力学原理并提高结构的稳定性,我们可以使用COMSOL Multiphysics® 软件模拟三轴试验设备的加载和卸载曲线,并测试土壤的模型参数。

什么是三轴试验?

三轴试验是一种通过在增加垂直压力的同时,使土壤样品承受恒定的侧向压力来确定土壤应力-应变特性的方法。试验是在三个相互垂直的方向上测量应力。

岩石、沙子或土壤样品的力学行为可能很难分析,具体取决于样品。即使土壤一开始看起来很稳定,但施工过程可能会使其发生偏移和不均匀沉降。例如,下图中的意大利比萨斜塔是一个备受欢迎的旅游胜地,它被建在较软的地面(粘土、沙子和贝壳)上,随着时间的推移,地面发生了偏移,导致塔身倾斜。

比萨斜塔的照片
比萨斜塔,意大利。图片由 Alkarex Malinäger 提供-自己的作品。在CC BY-SA 3.0下获得许可通过Wikimedia Commons公布。

三轴试验获得了建设项目所需的剪切强度参数测量值。三轴试验之所以如此通用的原因之一是它的多功能性。在此过程中,我们可以控制排水,测量孔隙水压、应力和应变,增加载荷,并观察挠度直至样品失效。

在典型的三轴试验中,将土壤样品放置在橡胶膜内,然后在保持恒定径向压力的同时进行轴向压缩。如果土壤具有内聚力,则可以直接从饱和的压实样品中制备样品。如果土壤缺乏内聚力,则可以使用模具保持测试所需的形状。

典型的三轴试验有三种类型:

  1. 固结–排水(CD):将样品固结并缓慢压缩剪切,使孔隙压力消散,并使样品适应周围的应力。
  2. 固结–不排水(CU):样品不允许排水,并假定为完全饱和。测量孔隙压力以近似固结-排水强度。
  3. 不固结-不排水(UU):样品以恒定的速率压缩,并且载荷快速施加,因此样品没有固结的机会。

三轴试验的广泛应用

三轴试验具有广泛的应用领域。例如石油和天然气工业中使用了三轴试验来确定页岩岩心的特性,并预测天然气开采过程中土壤的响应方式。另外,三轴剪切试验也用于建造大坝和堤坝。对于诸如城市地下扩展以及商业和住宅建筑之类的应用,在开挖之前也进行三轴试验。

三轴试验的优势之一是适应性强的机械设计,其中包括许多修改选项。例如,如果要测试高强度岩石,则可以将圆柱形套筒材料由橡胶更改为薄金属板。我们还可以更改三轴试验设备的设计,以应对大负载或不同的压缩方法。

An annotated photo of a triaxial test system.
三轴岩石测试系统。图片来源:程景怡,万志军,张艺东,李文峰,彭德胜,张鹏。通过CC BY 4.0下获得许可在Wikimedia Commons公布

三轴试验如何应用于其他难以预测的环境条件,例如地震偏移?例如,在地震期间,土壤的力学性能可能会发生很大变化。它经历的更改类型取决于几个变量,例如:

  • 地震的持续时间和强度
  • 地震地点
  • 地下水位结构深度

另外,地震会引发土壤液化。这种类型的流沙会在地震结束后很长一段时间内继续造成破坏。三轴试验通常用于帮助预测自然灾害造成的结构破坏。

1964 年日本新潟地震后的倾斜建筑物照片。
1964 年,日本新潟发生地震后的液化。图片来自Wikimedia Commons

三轴地震与冲击模拟器(TESS)是应对地震准备工作的三轴试验方法的一个高级示例。该设备由美国陆军工程师研发中心操作。TESS能够同时独立地控制三个轴,从而为想要测试设施和设备漏洞的工程师提供了更真实的地震条件。

模拟加载和卸载曲线

使用岩土力学模块结构力学模块 和 COMSOL Multiphysics 的附加模块),我们可以模拟三轴试验设备,以检查其加载和卸载曲线。

在此示例中,设备由一个从顶部挤压土壤样品的圆柱体组成。柔性膜片控制周围的压力,从而允许径向力发生变化。

在下面的示意图中,我们将看到如何定义测试设备的不同边界。由于土壤在设备顶部承受载荷,因此使用指定位移 边界条件可缓慢增加垂直位移。

A simple diagram of a triaxial testing apparatus with dimensions, boundary conditions, and boundary load denoted.
三轴设备的尺寸、边界条件和边界载荷。

该模型是测试土壤模型参数的起点。土壤特性取自标准粘土材料。本示例使用 COMSOL® 软件中具有德鲁克-普拉格准则 的土壤塑性功能。

评估模型结果

在对样本样品施加垂直位移和侧压后,我们可以研究静态响应和各种侧压下的极限载荷的结果。

加载土壤样品后,我们可以查看有效塑性应变。大部分样品会发生塑性变形(以红色显示),只有一小部分位于弹性区域(以蓝色显示)。

土壤样品中有效塑性应变的 COMSOL Multiphysics 模型。

由此,我们可以通过绘制由规定的顶部位移引起的土壤样品上的附加载荷应力来测试不同的侧压。下图是多孔基体上三种不同侧压的额外载荷应力:

多孔基体上三个约束压力下额外载荷应力的一维图。

根据土壤样品的载荷和排水条件,可以执行三种三轴试验方法中的一种或多种。

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bossliu
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