李 靜， 簡華偉， 劉英偉

(中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024)

0 引 言

土木建筑工程中最常用的材料就是混凝土，探究其力學(xué)性能、破壞形態(tài)和本構(gòu)關(guān)系等對實(shí)際工程具有重要的指導(dǎo)意義。三軸試驗是對混凝土力學(xué)性能進(jìn)行研究的重要手段，在目前的研究成果中，常規(guī)三軸試驗比真三軸試驗要多，這是因為常規(guī)三軸試驗中混凝土的二向主應(yīng)力相等，而真三軸試驗的三向主應(yīng)力都不相等，試驗在加載控制、設(shè)備選擇、操作等方面難度較大。而當(dāng)前的工程實(shí)際是：處于復(fù)雜受力狀態(tài)下的建筑物較多，例如核反應(yīng)堆高壓容器等一些特殊的結(jié)構(gòu)物，以及高層等大體型構(gòu)件物。常規(guī)三軸試驗并不能真正反應(yīng)結(jié)構(gòu)物的真實(shí)受力狀態(tài)，因此只有對復(fù)雜加載路徑下混凝土進(jìn)行真三軸試驗的研究才能滿足工程的需要。

筆者主要從材料、加載設(shè)備、尺寸、加載路徑和破壞形態(tài)5個方面詳細(xì)闡述了國內(nèi)外真三軸試驗的現(xiàn)狀，以便讀者全面了解真三軸試驗對科研和工程應(yīng)用的重要意義。

1 國內(nèi)外混凝土真三軸試驗概況

較為系統(tǒng)和全面的混凝土多軸試驗始于二十世紀(jì)六十年代[1-2]，盡管受到試驗條件和加載設(shè)備的限制，仍然獲得了許多寶貴的試驗數(shù)據(jù)。

國外，混凝土雙軸強(qiáng)度的研究來自于H. KUPFER等[3-4],他于1968年進(jìn)行了應(yīng)力比恒定的混凝土雙軸試驗，首次加入了減摩工藝，當(dāng)雙軸壓應(yīng)力之比取0.5時，混凝土的雙軸強(qiáng)度是單軸強(qiáng)度的1.16倍，達(dá)到了最大值。此外他還認(rèn)為混凝土的雙軸拉強(qiáng)度與應(yīng)力比無關(guān)，但與單軸抗拉強(qiáng)度值相等。從此，混凝土的雙軸響應(yīng)研究逐步發(fā)展了起來；K. H. GERSTLE[5]與不同國家的多個研究院所進(jìn)行了混凝土多軸試驗，在同一個實(shí)驗室中，把采用相同材料和相同配比制成的混凝土試塊，分配給不同的研究機(jī)構(gòu)，他們各自進(jìn)行加載試驗時，采用的都是相同齡期的試件，這對當(dāng)時的混凝土研究具有很大的影響力，此外他還和H. KUPFER共同提出了混凝土雙軸強(qiáng)度包絡(luò)線的表達(dá)式。從1984年起，J. G. M.VAN MIER[6-8]就不斷地進(jìn)行復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的三軸加載試驗研究，得到的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€中有軟化段，該現(xiàn)象引起了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。M. R. SALAMI等[9]進(jìn)行了混凝土的多軸試驗，重點(diǎn)研究了變形特征，這在一定程度上擴(kuò)大了三軸試驗的研究范圍，使得多軸試驗受到越來越多的重視。A.HUSSEIN等[10]于2000年得到了三軸和雙軸加載下混凝土的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€和相應(yīng)的破壞形態(tài)，采用的混凝土材料包含有普通混凝土、多種設(shè)計強(qiáng)度的高強(qiáng)混凝土和輕骨料高強(qiáng)混凝土等，試驗結(jié)果表明：當(dāng)應(yīng)力比為1.0時，隨著單軸壓強(qiáng)度的增大，高強(qiáng)高性能混凝土的相對雙軸壓強(qiáng)度逐漸減??；當(dāng)應(yīng)力比為0.5時，隨著單軸壓強(qiáng)度的增大，雙軸壓強(qiáng)度變大。除此之外，雙軸應(yīng)力狀態(tài)下，高強(qiáng)高性能混凝土的破壞形態(tài)和普通混凝土類似。在荷載的不斷作用下，試塊最終在雙軸拉壓或者雙軸拉試驗中出現(xiàn)了一條主拉裂紋，發(fā)生了受拉破壞；而在雙軸壓試驗中試塊發(fā)生了剪切破壞，并在外力的作用下最終發(fā)生了片狀破壞。S. K. LEE等[11]于2004年進(jìn)行了混凝土雙軸加載試驗，主要模擬了核反應(yīng)堆高壓容器的受力狀態(tài)；T. GABETL等[12]于2007年進(jìn)行了高圍壓下的三軸加載試驗，采用了GIGA三軸試驗設(shè)備，在有側(cè)限的加載路徑下，零側(cè)向變形導(dǎo)致了軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線沒有進(jìn)入到下降段，最終也不存在三軸強(qiáng)度值。2009年，T.HAMPEL等[13]通過高性能混凝土多軸試驗，認(rèn)為高強(qiáng)混凝土和混凝土的雙軸強(qiáng)度規(guī)律類似：當(dāng)應(yīng)力比相等時，相對雙軸強(qiáng)度σ1/fc隨著單軸強(qiáng)度的增長而逐漸減小。

國外真三軸試驗的發(fā)展，激發(fā)了國內(nèi)科研工作對真三軸研究的熱情。1982年，清華大學(xué)系統(tǒng)地研究了高強(qiáng)混凝土和普通混凝土的強(qiáng)度和變形特性[1,14-18]；大連理工大學(xué)進(jìn)行了普通混凝土在定側(cè)壓、比例加載、非比例加載、平面應(yīng)變和平面應(yīng)力條件下強(qiáng)度、變形和損傷特性的試驗研究[19-28]。除此之外，他們還對濕篩混凝土、高溫后的混凝土、大壩混凝土、凍融損傷后的混凝土[29-31]、碾壓混凝土[32]、高強(qiáng)高性能混凝土[33]、大骨料混凝土[34]進(jìn)行了大量的真三軸試驗，研究了它們的多軸力學(xué)性能；上海同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行了混凝土雙軸加載試驗，主要研究了混凝土的二維本構(gòu)關(guān)系[35-36]；北京交通大學(xué)王哲等[37-42]對混凝土進(jìn)行了應(yīng)力路徑、應(yīng)變路徑以及混合路徑加載下的多軸試驗，安明喆等[43]對真三軸加載下活性粉末混凝土的力學(xué)特性和應(yīng)力應(yīng)變曲線等進(jìn)行了分析研究；廣西大學(xué)陳宗平等[44-47]的常規(guī)三軸試驗多采用再生混凝土；北方工業(yè)大學(xué)的何振軍等[48]進(jìn)行真三軸試驗的試件取材為再生骨料混凝土；華北水利水電大學(xué)和鄭州大學(xué)系統(tǒng)地研究了真三軸應(yīng)力下塑性混凝土的力學(xué)性能、應(yīng)力應(yīng)變曲線和破壞形態(tài)等[49-51]；此外對混凝土進(jìn)行真三軸試驗研究的單位還有三峽大學(xué)、河海大學(xué)和煙臺大學(xué)等[52-54]。

由以上分析可知，混凝土的多軸試驗取材在朝著更多元化、更新材料的方向發(fā)展。

2 真三軸試驗設(shè)備

為了弄清復(fù)雜受力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)物的力學(xué)特性，就需要做模擬試驗，而真三軸儀就是兩者之間的橋梁。

國外對真三軸設(shè)備的研究要早于國內(nèi)，最早的真三軸儀是瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院的學(xué)者W. KJELLMAN[55]于1936年所設(shè)計的，該三軸儀通過相互垂直的三對壓力桿對立方體試塊加壓，壓力桿和試塊之間的剛性加載板包裹了試塊的所有表面。但是它的制作價格不菲、不能實(shí)現(xiàn)自動化，應(yīng)力輸出范圍也很小。且在剪切過程中，只要一個方向發(fā)生了膨脹，另外兩個方向的加荷板就很難跟隨；隨后美國Colorado大學(xué)和日本東京大學(xué)共同開發(fā)和研制了三軸試驗儀，該設(shè)備均通過柔性囊內(nèi)的流體壓力來對試樣進(jìn)行加荷，但在過載中依然產(chǎn)生了很大邊角效應(yīng)的主要原因是：壓力室的邊角處需要預(yù)留較大的空隙以便加荷；法國格勒諾布爾大學(xué)研制的GIGA三軸設(shè)備，可施加的最大軸壓和圍壓分別可達(dá)到2.3和0.85 GPa[12]；荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)也開發(fā)并研制了液壓伺服三軸試驗儀，三個軸向加載系統(tǒng)之間互不干擾，相互獨(dú)立[7]；目前來自美國的MTS型電液伺服試驗機(jī)被廣泛應(yīng)用于真三軸試驗中，并被國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)所引進(jìn)[10-11,13]。

受研究思路、科技發(fā)展水平和科研費(fèi)用的制約，1980年之前，我國一直缺少對多軸加載設(shè)備的設(shè)計和研發(fā)。直到1984年，清華大學(xué)的研究者們經(jīng)過反復(fù)的設(shè)計、加工和調(diào)試，終于成功研制了國內(nèi)第一臺真三軸儀。雖然該設(shè)備還不能實(shí)現(xiàn)測量和控制的完全自動化，但它成功填補(bǔ)了國內(nèi)真三軸儀研發(fā)的空白。之后，該設(shè)備在配置了“三路比例加載電液控制系統(tǒng)”之后實(shí)現(xiàn)了全面自動化，通過各個軸向獨(dú)立設(shè)置的承力架、液壓缸和供油管分別向3個方向加力，隨后一直不斷地被加工和改進(jìn)[56]。清華大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗室的NSTRON8506四立柱液壓伺服試驗機(jī)采用了分離式雙向加載系統(tǒng)，已被廣泛應(yīng)用于多軸加載試驗中，可通過水平方向的封閉加力框架和豎直方向的四立柱試驗機(jī)獨(dú)立的向各自方向施加荷載[35-43]。

基于YEW-5000型四柱壓力機(jī)，河海大學(xué)的汪基偉等[52]也研制了一套三軸加載裝置，可進(jìn)行平面應(yīng)變試驗。豎向的加載可以直接在壓力機(jī)上完成。相互垂直的兩個水平方向由承載框和絲杠組成。在受壓方向，過渡板、千斤頂和加載頭安裝在一端大承載框上，而另一端承載框上裝有過渡板、荷載傳感器和加載板；受拉方向，裝有球鉸的受拉壓頭將一種小承載框和試塊連接在一起，而千斤頂裝在另一種小承載框和拉力承載框之間。試件的反向拉力就是通過千斤頂加壓時拉力桿的作用完成的。

同濟(jì)大學(xué)研發(fā)的真三軸儀可剛?cè)峄旌鲜┘尤蛑鲬?yīng)力[57-59]。最小、中間和最大主應(yīng)力分別由壓力室內(nèi)氣壓、腔內(nèi)液壓和豎向剛性板來施加。由于該加載方式可使3個主應(yīng)力均勻加在試件的各個表面，大大減低了邊角效應(yīng)的不利影響。

吉林大學(xué)針對土體研發(fā)了可自動采集應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的剛性水平加荷真三軸儀。該儀器可通過液壓施加最小和中間主應(yīng)力，由機(jī)械施加最大主應(yīng)力。無需任何轉(zhuǎn)化就能與電路相匹配的自制光柵傳感器可在同一時刻對所有測量點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集，不存在絲毫?xí)r間差的影響[60]。

利用河海大學(xué)聯(lián)合南京電力自動化研究所研制的真三軸儀進(jìn)行多軸加載試驗時，最小、中間和最大主應(yīng)力分別由壓力室內(nèi)充水施加、壓力室通過一對剛性傳壓板施加和量力鋼環(huán)施加[61]。

將液壓伺服控制系統(tǒng)引進(jìn)到原有手動加載的真三軸設(shè)備中，并采用全新的作動器而制成的能進(jìn)行動態(tài)加載的真三軸儀，出自大連理工大學(xué)的李木國等[62]，該儀器三軸最大靜態(tài)出力均達(dá)到了2 500 kN。

西安理工大學(xué)研制的復(fù)合型加載真三軸設(shè)備[63]，集側(cè)向柔性和軸向剛性于一身，豎向通過剛性板來施加最大主應(yīng)力，最小和中間主應(yīng)力由水平方向的兩對柔性囊相互施加。

水利部的巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗室和長江科學(xué)院，在水利部和國家自然科學(xué)基金的資助下，成功研制了LWZ-1000型混凝土和巖石中尺寸試樣的真三軸試驗加載系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包含了5個子系統(tǒng)：自動采集、伺服控制、位移控制、軸向加載和側(cè)向加載。全自動伺服控制，可以向側(cè)向和豎向施加較高的壓力，并采集整個破壞過程的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。軸向和側(cè)向的出力構(gòu)件都為千斤頂，傳力構(gòu)件為壓板和傳力體[64]。

LY-D型拉壓真三軸設(shè)備是工程院院士顧金才所研制的，鄭州大學(xué)多采用其進(jìn)行復(fù)雜真三軸應(yīng)力狀態(tài)下的塑性混凝土的試驗研究[49-51]。它的壓力室可通過氣壓控制、調(diào)整和設(shè)定3個軸向的荷載目標(biāo)值。室內(nèi)主要由上方和左右前后共5個活動柱頭、以及下方的固定柱頭所組成。

此外三峽大學(xué)也研制并生產(chǎn)了大型的多功能動靜力三軸儀[53]，該系統(tǒng)采用了10MN微機(jī)控制電液伺服系統(tǒng)，3個方向的荷載由3個獨(dú)立的油缸來施加，側(cè)面水平向最大出力：雙向5 000 kN。豎向最大出力：靜力10 000 kN，動力5 000 kN。

上述介紹的各類真三軸試驗儀，根據(jù)壓力室的加荷特性，可分為以下3類：橡皮囊施加的柔性真三軸儀、剛性板施加的剛性真三軸儀、以及柔性和剛性混合加載的復(fù)合型真三軸儀[65]。上述的加荷方式與邊角效應(yīng)有著密切的關(guān)系。當(dāng)3個方向均采用柔性囊與試塊充分接觸，通過氣壓或者液壓加載時，主應(yīng)力作用于加載面上，各面上的應(yīng)力分布均勻，無明顯的邊界干擾，邊角效應(yīng)較??；當(dāng)3個方向加壓時，均采用剛性加載板進(jìn)行，如果試塊尺寸大于加載板的尺寸，就會導(dǎo)致與加載板充分接觸的試塊表面和內(nèi)部的應(yīng)力與無接觸的邊角的應(yīng)力不同，從而產(chǎn)生較大的邊角效應(yīng)。此外，上述的LWZ-1000型真三軸儀，由長江科學(xué)院研發(fā)，雖然采用的加載板是剛性的，但是4個側(cè)向面的側(cè)壓板是錯位放置的，這樣可以保證在加載過程中試塊的各個表面和加載板之間是充分接觸的，使其均勻受力，減小邊角效應(yīng)的影響。并且他們還在側(cè)壓板和試樣面之間貼上厚度為1 mm的夾潤滑劑的薄膜，盡量減小試樣與壓板之間的摩擦。

邊角效應(yīng)還受減摩措施的影響，而現(xiàn)有的減摩方法都不能達(dá)到理想的無摩擦狀態(tài)。此外，減摩層的剛度一般都小于加載壓頭的剛度，測量的變形通常會包含減摩層的變形，導(dǎo)致無法獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。眾所周知，減摩效果越好，摩擦力就越小，進(jìn)而邊角效應(yīng)也就越小。所以對減摩措施進(jìn)行研究分析就顯得非常必要了。

3 減摩措施

多軸實(shí)驗中不采取減摩措施和進(jìn)行減摩處理所得混凝土強(qiáng)度值差異很大，前者可能是后者的2倍及以上。因此為了得到可靠的強(qiáng)度值，多軸試驗前需要進(jìn)行減摩處理。

國外常見的減摩材料有刷型加載板、鋼活塞加載板和柔性加載板等[10,13]。刷型加載板是由慕尼黑大學(xué)發(fā)明的，應(yīng)用比較廣泛。但是試件受彎變形后，由于刷型加載板的縱向不能發(fā)生變動，也就導(dǎo)致試塊受力不均，有約束力的存在；通過對刷型加載板進(jìn)行改良，西德材料研究所研發(fā)了鋼活塞加載板。這些減摩方式，雖然在一定程度上降低了試塊和加載頭之間的摩擦力，但卻不能完全消除邊角效應(yīng)的影響，并且制作費(fèi)用極大、制造工序十分復(fù)雜。

國內(nèi)三軸試驗中多采用增設(shè)減摩墊層來減少與試塊之間的摩擦。為了兩者之間無約束力，加載最理想的狀態(tài)是：在外力作用下試塊和墊層的橫向變形相同，這種情況很難實(shí)現(xiàn)。經(jīng)研究，相關(guān)專家還是提出了一種理想減摩墊層的標(biāo)準(zhǔn): 加設(shè)減摩墊層的混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度，應(yīng)該與無摩擦約束的棱柱體的抗壓強(qiáng)度相等或幾乎相等[56]。以此標(biāo)準(zhǔn)來判斷不同減摩墊層的減摩效果。

當(dāng)前的三軸試驗中涂有潤滑油的塑料膜[52]或者聚四氟乙烯[35]的減摩墊層最為常見。清華大學(xué)進(jìn)行的雙軸試驗通常采用摻入少量的二硫化鉬油膏的二片厚度為2 mm的聚四氟乙烯板進(jìn)行減摩。而層間涂有二硫化鉬油膏的三層鋁箔墊層，常用于三軸試驗中，其中每層鋁箔的厚度為0.2 mm。他們研究了許多不同構(gòu)造和材料的減摩墊層，結(jié)論是上述兩種減摩效果是最好的[56]。

2.2 萃取實(shí)驗條件優(yōu)化 目標(biāo)元素從水相溶液轉(zhuǎn)移到有機(jī)相的過程通過上述幾種萃取方式完成，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)元素的濃縮富集，提高了儀器測定該類元素的分析靈敏度。作為重要的實(shí)驗步驟，詳細(xì)考察了影響RS-CPE、UA-CPE、ILME、SDME、SA-DLLME、UA-DLLME萃取效率的各實(shí)驗條件以獲取最佳的分析性能，包括萃取劑的種類與用量、絡(luò)合劑濃度、表面活性劑的應(yīng)用、UA-DLLME中采用的超聲萃取時間、RS-CPE中濁點(diǎn)誘導(dǎo)劑的用量以及各個體系的pH等條件。

中主應(yīng)力活塞桿和加載板連接在一起的真三軸儀器，是由河海大學(xué)的殷宗澤教授[61]研發(fā)的。為了降低加載板和試塊間的摩擦力所導(dǎo)致的試塊變形，試件的側(cè)面和加載板之間墊一塊略大于試件高度的有機(jī)玻璃板，再加涂凡士林潤滑劑于玻璃板和包裹試塊的橡皮膜之間。

此外河海大學(xué)的汪基偉教授[52]對比了兩種不同減摩墊層下混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，試驗結(jié)果表明：當(dāng)采用雙層玻璃紙中間加油的減摩措施時，立方體抗壓強(qiáng)度略大于聚四氟乙烯中間加油的減摩措施下的強(qiáng)度，兩個強(qiáng)度都略小于軸心抗拉強(qiáng)度，但是兩者之間的相對誤差很小，僅為1.5%，因此主要考慮是受到了立方體試塊寬高比的影響。所以這兩種減摩措施都很好，達(dá)到了預(yù)期的效果。由于加載頭和試塊間粘結(jié)膠的彈性模量較小，對試塊的約束力也小，所以受拉面很少進(jìn)行減摩處理。

大連理工大學(xué)進(jìn)行多軸試驗采用的減摩措施有刷型鋼板、彈簧鋼片、雙層玻璃紙中間加油和三層聚四氟乙烯紙中間加油等[31-34]，考慮到制作工藝、科研經(jīng)費(fèi)等影響因素，試件與壓頭之間放置裹有黃甘油的三層塑料布的減摩方式應(yīng)用最多。

北京交通大學(xué)對比分析了兩種減摩方式[66]，分別為直接涂黃甘油和二片聚四氟乙烯加少量黃甘油。結(jié)果表明:單純涂黃油時，很難把控油層的厚度，導(dǎo)致加載過程中油容易溢出來，加載壓頭每次都需要清理；當(dāng)采用小尺寸試塊時，不易放入聚四氟乙烯，很容易遮擋試塊并影響試塊的對中。兩種方式都有各自的弊端。

減摩方式各種各樣，可單一采用加載鋼板或者減摩墊層，也可以將兩者結(jié)合起來共同達(dá)到減摩的效果。長江科學(xué)院研發(fā)的LWZ-1000型真三軸試驗系統(tǒng)，就是聯(lián)合了增設(shè)減摩墊層和合理放置加載板的減摩方法[64]。為了防止試件產(chǎn)生較大的變形，首先將水平向四個面的側(cè)壓板進(jìn)行錯位放置，其次在試樣面和側(cè)壓板間貼上厚度為1 mm的薄膜，薄膜上涂有黃油和機(jī)油的糊狀混合物，上述試塊側(cè)向的減摩處理方法同樣適用于端面。

4 試件的尺寸

混凝土的雙軸壓縮試驗通常采用的試件尺寸有100[13,17,20,24,27]、150[32,43,48]、250[31]和300 mm[53]邊長的立方體試塊，以及150 mm×150 mm×40 mm[10]、200 mm×200 mm×60 mm[11]、200 mm×200 mm×50 mm[25]和150 mm×150 mm×50 mm[35-36]的板式試塊。

上述150 mm×150 mm×50 mm和200 mm×200 mm×50 mm的板式試塊尺寸在雙軸拉壓試驗中也同樣適用。除此之外，雙軸拉壓試驗中還采用了200 mm×200 mm×100 mm[52]的板式尺寸，以及150 mm×150 mm×300 m和250 mm×250 mm×400 mm[29,31]的長方體試塊。大連理工大學(xué)的研究者們采用上述長方體試塊來模擬大體積混凝土結(jié)構(gòu)物的復(fù)雜受力狀態(tài)，由試驗結(jié)果可知：在相同的受力狀態(tài)下，小尺寸(150 mm×150 mm×300 mm)濕篩混凝土試件的強(qiáng)度和變形均大于大尺寸(250 mm×250 mm×400 mm)三級配試件；對比應(yīng)力應(yīng)變曲線的初始斜率，尺寸較大試塊的斜率一般都大于較小尺寸試塊的斜率，表現(xiàn)出顯著的尺寸效應(yīng)[29,31]。此外，100 mm邊長的立方體試件也用于雙軸拉壓試驗，而較大尺寸的立方體試件卻很少被采用，比如250 mm和300 mm邊長的立方體試塊。

平面應(yīng)變試驗中，采用100 mm×100 mm×50 mm和200 mm×200 mm×50 mm[25]的板式試塊，以及100 mm[26,39]和150 mm[26]邊長的立方體試塊。

復(fù)雜路徑加載或者比例加載的真三軸試驗中的試塊尺寸，有150[31,48-50,53]、100[7,9,13,17,28,30,33,37-38]和70.7 mm[18]的立方體試塊，也有200 mm×200 mm×50 mm和150 mm×150 mm×50 mm[29,31]的長方體試塊，以及?70 mm×140 mm[12]、?100 mm×200 mm[51]的圓柱體試塊，采用的尺寸范圍和塊體類型較為廣泛。

由上面的數(shù)據(jù)可以看出，任意受力條件下的真三軸試驗都可以采用100 mm邊長的立方體試件。

5 三軸試驗中的加載路徑

通過多軸加載試驗才能深入研究混凝土的力學(xué)行為。多軸加載路徑可分為應(yīng)力路徑、應(yīng)變路徑和應(yīng)力-應(yīng)變混合路徑3種。應(yīng)力和應(yīng)變路徑的作用量分別是3個軸向的應(yīng)力和3個軸向的應(yīng)變，而應(yīng)力應(yīng)變混合路徑的作用量則是應(yīng)力和應(yīng)變的組合。

在目前的加載方式中，應(yīng)力路徑加載最為常見，例如固定側(cè)壓力加載、偏應(yīng)力加載、比例加載和應(yīng)力球量加載等。D.SFER等[67]和H. V. XUAN等[68]在不斷變化軸向應(yīng)力直到試塊發(fā)生破壞的過程中，側(cè)向壓力始終保持固定不變。王哲等[38]的混凝土三軸加載試驗，在單調(diào)增加應(yīng)力偏量的同時維持應(yīng)力球量恒定，加載過程中為了能夠控制下降段應(yīng)力球量固定不變，常在主軸方向持續(xù)施加應(yīng)變，讓另兩個軸向應(yīng)力和主軸應(yīng)力保持固定關(guān)系。M. D. KOTSOVOS[69]的三軸加載方式為：在應(yīng)力空間的偏平面上向著拉子午線或者壓子午線方向進(jìn)行加載；混凝土雙軸比例加載試驗和三軸比例加載試驗都統(tǒng)一歸為多軸比例加載試驗，也是應(yīng)力路徑加載中最早和最為常見的加載試驗[3,6-8,10-11,13]。下面的兩種加載方式也可以歸入混合加載路徑中，例如：J. G. M. VAN MIER[6]的混凝土真三軸試驗的加載方式為以恒定的位移速率向主軸加力的同時，保持三個軸向應(yīng)力呈比例；I. IMRAN等[70]對50 mm×115 mm的圓柱體混凝土試件進(jìn)行的多軸試驗中，圍壓達(dá)到設(shè)計值后維持恒定，軸向應(yīng)力按恒定的位移速率進(jìn)行試加。

受到試驗條件和研究思路的制約，三軸試驗中純粹按應(yīng)變路徑加載的試驗很少。王哲[37]的應(yīng)變偏量加載試驗中，始終保持應(yīng)變羅德角和體積應(yīng)變固定不變，只單調(diào)地增加應(yīng)變偏量，這種加載路徑可歸為應(yīng)變加載路徑；T.GABET等[12]介紹了一種假三軸試驗，軸向應(yīng)變單調(diào)遞增的同時，側(cè)向應(yīng)變始終固定不變。零側(cè)向變形使得軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線沒有下降段，所以也不存在三軸強(qiáng)度。

應(yīng)力-應(yīng)變混合路徑加載在真三軸試驗中也是相對較少的，J. G. M. VAN MIER等[7-8]的真三軸試驗中，描述了一種按固定位移比進(jìn)行加載的路徑，并沒有給出試驗結(jié)果。加載方式為：在保持最小主應(yīng)力σ3與最大主應(yīng)變軸向的應(yīng)力σ1之比β恒定，并且中主應(yīng)變軸的變形u2與最大主應(yīng)變軸的變形u1之比α也恒定的條件下，只單調(diào)增加主應(yīng)變軸的變形。不同軸向應(yīng)力比下的平面應(yīng)變試驗[25,39,52]在混合加載路徑中所占比例較大，其中王哲進(jìn)行的似平面應(yīng)變試驗，除了兩個軸向應(yīng)力比恒定外，另外一個軸向的應(yīng)變不為0，維持一個恒定不變的值。同濟(jì)大學(xué)的任曉丹等[35-36]給出了高性能混凝土應(yīng)變比恒定的雙軸壓和拉壓試驗下的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€、破壞形態(tài)和強(qiáng)度包絡(luò)圖。雙軸壓應(yīng)變比分別取0.1、0.3和1.0，雙軸拉壓應(yīng)變比分別取-0.05、-0.1、-0.2和-0.3。北京交通大學(xué)余自若等[43]的雙軸壓縮試驗選取了多種應(yīng)變比，主要針對的是活性粉末混凝土。

6 真三軸試驗下混凝土的破壞形態(tài)

混凝土的破壞形式有多種，主要與加載路徑有關(guān)。受壓試驗，不論是雙軸拉拉試驗，還是三軸拉試驗，在試驗完成后，可以能清楚地看到一個沒有滑動摩擦痕跡的破壞面，該面垂直于拉應(yīng)力方向，試塊最終發(fā)生了拉斷破壞。而雙軸或者三軸拉壓和全壓縮試驗下的破壞形式就相對復(fù)雜了，主要有拉斷、片狀劈裂、柱狀破壞、斜剪破壞和擠壓流動破壞5種形式。在真三軸受壓加載試驗中，斜剪破壞最為常見。過鎮(zhèn)海[56]給出了混凝土試件發(fā)生斜剪破壞的條件：三軸受壓加載下，最小和最大主應(yīng)力比介于0.15～0.2之間。該條件對判斷多軸試驗下混凝土的破壞形態(tài)具有重要的參考價值。

混凝土材料本身的性能十分復(fù)雜，又受到試驗設(shè)備、加載方式、減摩措施等的影響，使得斜剪破壞發(fā)生的條件會有所不同。例如：為了模擬防滲墻的真實(shí)受力狀態(tài)，鄭州大學(xué)進(jìn)行的塑形混凝土真三軸試驗中[50]，保持第2軸和第3軸壓應(yīng)力恒定，單調(diào)加載第1軸向應(yīng)力直至試塊發(fā)生破壞。當(dāng)最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力分別為1.2和2.4 MPa時，試塊最終發(fā)生了八字形斜裂縫剪切破壞，此時最大主應(yīng)力為18.4 MPa，即σ1/σ3=0.065；混凝土三軸比例加載試驗中，應(yīng)力比為0.05∶0.1∶1和0.05∶0.33∶1時，試塊也發(fā)生了斜剪破壞，此時σ1/σ3=0.05；A.HUSSEIN等[10]對高強(qiáng)混凝土進(jìn)行的雙軸壓縮試驗中，當(dāng)雙軸壓應(yīng)力之比為σ2/σ3=0.2時(受壓為負(fù))，尺寸為150 mm×150 mm×40 mm的試件最終發(fā)生了斜剪破壞。

雙向剪切破壞是斜剪破壞中最不常見的破壞模式。大連理工大學(xué)宋玉普[33]的三軸比例加載試驗和同濟(jì)大學(xué)任曉丹等[35-36]的雙軸應(yīng)變比恒定試驗中出現(xiàn)了這種破壞模式，斜裂縫出現(xiàn)在兩對受壓面上。具體破壞形態(tài)如圖1、圖2。

圖1 宋玉普三軸試驗的破壞形態(tài)Fig. 1 Failure mode-Song Yupu

圖2 任曉丹三軸試驗的破壞形態(tài)Fig. 2 Failure mode-Ren Xiaodan

7 結(jié) 語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，真三軸試驗?zāi)M實(shí)際工況，采用的混凝土種類、試塊尺寸都越來越多，研究者們對得到的破壞形態(tài)和力學(xué)性能進(jìn)行研究，從而建立相應(yīng)的破壞準(zhǔn)則和本構(gòu)模型。但真三軸試驗仍存在一些問題：

1)剛性壓頭與試塊之間的減摩措施不理想。此外在受力加載過程中，隨著壓力的變化，減摩材料的變形也在變化。在同一軸向的兩個壓頭之間的相對位移中，減摩材料變形占據(jù)的比例較大，影響試塊變形的測量精度，這種情況可通過對試件外接位移計或外貼應(yīng)變片的方式進(jìn)行改善。

2)目前的真三軸試驗在加載過程中，都會存在不同程度的邊角效應(yīng)。選擇合適的加荷方法，使試塊各個面受力均勻。或者選擇與壓頭剛度相同的減摩材料，減少摩擦力，降低減摩墊層參與的變形。這些措施都可以起到減小邊角效應(yīng)的作用。要完全消除邊角效應(yīng)的影響，還需要我們繼續(xù)研究。

3)模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)物受力的真三軸試驗相對較少，使得人們對實(shí)際工程的真實(shí)受力狀態(tài)了解不徹底，結(jié)構(gòu)設(shè)計過于安全，可能會導(dǎo)致資源浪費(fèi)，耗時耗力。

雖然對多軸試驗的研究需要更多的科研工作者們再接再厲，但是已有的研究成果對真三軸試驗的發(fā)展有著重要的參考價值和指導(dǎo)意義。