土的三維應力測試技術

一維應力狀態和平面應力狀態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理想化為一維應力狀態，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題中，人們往往將三維應力簡化為二維應力或其他特殊應力。這種簡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。客觀存在的應力其表示方法也是主觀的，常規的三維應力表示方法是3個正應力+3個剪應力。對于各向同性材料來說，既可以用3個主應力表示，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個正應力+3個剪應力的三維應力可以用6個正應力表示的認識。我們發現通過測試6個不同方向上的正應力就可以得到這3個正應力和3個剪應力。并根據此三維土壓力測試原理，已經開發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用場景。

例如：

1、三維土壓力測試技術在循環加卸載中的應用。將三維土壓力盒應用到一個模型實驗中。通過6個相同梯度、8個相同循環的加卸載試驗，得到了土中連續的三維應力。可以看出，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。說明土中應力不但與外部荷載有關，還與土的性質有關。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，還可進一步整理出側向應力與豎向應力的關系，以及不同方向上的側壓力系數。

2、三維土壓力測試技術還可應用于研究基坑開挖相關問題。比如：用以測試毗鄰地鐵隧道的基坑開挖對隧道和地下設施的影響。在基坑和隧道之間設置了兩列六個測孔，每孔分別在7.5m和15m處布置三維土壓力盒，以監測基坑開挖的影響。同時，在基坑內部和隧道內部設置位移監測點。通過2個月左右的監測，得到了所有測點三維應力狀態變化過程，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還可應用于測試碾壓過程中土中應力反應。根據應力反應，可評價路基碾壓效果，也可用于研究路基的長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還可應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力松弛和演變過程。2022年將三維土壓力盒應用于鄭萬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換和應力轉換關系。經過半個月的監測，得到了掘進過程中周圍巖土體的應力演化以及掘進之后的應力松弛過程。

6、三維土壓力測試技術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還可應用樁基施工對環境影響研究，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還可用于低溫環境和凍脹效應測試。但要注意，應用于低溫環境時要進行溫度校正。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境時，必須進行溫度校正。