張 希 巍
(歐美大地，廣東 廣州 510030)
摘 要：非飽和土力學(xué)研究受儀器制造水平的影響,目前國(guó)內(nèi)外研究的成果遠(yuǎn)不如飽和土研究成果豐富。本文介紹了目前國(guó)內(nèi)外非飽和土試驗(yàn)系統(tǒng)的研制和應(yīng)用現(xiàn)狀，著重介紹GDS的非飽和土試驗(yàn)系統(tǒng)，包括非飽和土應(yīng)力路徑三軸系統(tǒng)和非飽和土直剪系統(tǒng)。該系統(tǒng)是目前商業(yè)化程度的非飽和土試驗(yàn)系統(tǒng)，在吸力控制、體變測(cè)量、自動(dòng)化程度等方面都是在其它儀器廠商的之上。在有400多個(gè)客戶，在我國(guó)有40多個(gè)不同系統(tǒng)的客戶，其中非飽和土系統(tǒng)有接近25個(gè)。
關(guān)鍵詞：GDS系統(tǒng)；非飽和土系統(tǒng)；吸力；體變
Advanced unsaturated soil test system introduction
ZHANG Xi-wei,
(EPC, Guangzhou 510030, China)
Abstract: The developed test apparatus for unsaturated soil was influenced by fabrication technology, the test result is not rich as the theory aspect at home and abroad. The research and application were introducted at current in this paper, especially the GDS the advanced unsaturated soil system, include unsaturated soil triaxial stress path system and direct shear system. It is the highest level of commercialized in the world, whilst the suction control, measuring for volume change, automatization are also representational and one-up other manufactures. There are more than forty clients use all kinds of GDS system, nearly twenty five unsaturated soil test system in China.
Key words: GDS system; unsaturated soil; suction; volume change
0 引 言
究竟什么是非飽和土試驗(yàn)？有人認(rèn)為只要試樣是非飽和的，在三軸儀上進(jìn)行的試驗(yàn)就是非飽和土試驗(yàn)；也有人認(rèn)為非飽和的試樣在剪切的時(shí)候控制水氣不排出試樣，就是非飽和土試驗(yàn)。實(shí)際上在早期的時(shí)候，的確有一些非飽和土試驗(yàn)是這樣做的，但現(xiàn)在這樣回答似乎不正確。在60年代以前，非飽和土剪切試驗(yàn)的方法與飽和土類似。采用的是粗孔陶瓷透水板和相對(duì)較高的應(yīng)變速率[1]。非飽和土試驗(yàn)是要在固結(jié)和剪切的過(guò)程中保持土樣的飽和度為常值，這樣試驗(yàn)測(cè)得的參數(shù)為既定飽和度下的結(jié)果。早期的試驗(yàn)實(shí)際上是含水量不變，但飽和度時(shí)刻在變。非飽和土試驗(yàn)過(guò)程中飽和度應(yīng)該保持不變而含水量是變化的，那么是否可以直接控制含水量而讓飽和度保持不變呢？這樣的方法從控制的角度是很難精確的控制的，另外受非飽和土滲透性的影響，排水體積的變化是不敏感的。幸好，研究發(fā)現(xiàn)非飽和土吸力和飽和度有對(duì)應(yīng)關(guān)系，即土水特征曲線。非飽和土的試驗(yàn)方法和儀器在60年代初期得到了改進(jìn)。為了將試樣內(nèi)的孔隙氣壓和孔隙水壓量測(cè)和控制分別進(jìn)行，在試樣底部放置高進(jìn)氣值陶土板?？梢酝ㄟ^(guò)控制土中吸力來(lái)控制飽和度來(lái)完成非飽和土試驗(yàn)。近年來(lái)國(guó)外有眾多廠家相繼開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的非飽和土試驗(yàn)系統(tǒng)，本文詳細(xì)介紹了國(guó)際上的非飽和土系統(tǒng)，并結(jié)合GDS系統(tǒng)予以詳細(xì)論述。
1 國(guó)內(nèi)外非飽和土試驗(yàn)系統(tǒng)介紹
1.1 國(guó)內(nèi)非飽和土試驗(yàn)系統(tǒng)概況
國(guó)內(nèi)在很早就已經(jīng)關(guān)注非飽和土理論了，試驗(yàn)技術(shù)受制造等因素的影響一直滯后于理論研究。正如飽和土三軸儀的制造一樣仍然是采用借鑒國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和制造。不過(guò)可喜的是近年來(lái)一些學(xué)者在非飽和土理論和試驗(yàn)研究方法取得了大量的成果，國(guó)內(nèi)已經(jīng)能夠獨(dú)立生產(chǎn)非飽和土三軸儀器了。早期俞培基、陳愈炯首先使用了高進(jìn)氣值陶土板改進(jìn)的三軸儀[2]，90年代后南京水科院改進(jìn)了雙壓力室試驗(yàn)[3]，隨后西安理工大學(xué)謝定義和王永勝在嘗試改進(jìn)常規(guī)三軸儀上獲得成功[4]。進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)內(nèi)非飽和土三軸試驗(yàn)系統(tǒng)的是后勤工程學(xué)院陳正漢、香港理工大學(xué)殷建華和浙江大學(xué)詹良通。陳正漢與溧陽(yáng)市永昌工程實(shí)驗(yàn)儀器廠合作開(kāi)發(fā)出商業(yè)化國(guó)產(chǎn)三軸系統(tǒng)，殷建華和詹良通的研究成果和思想已經(jīng)被國(guó)際土工試驗(yàn)系統(tǒng)制造廠商如GDS、VJtech和WF采用。可以說(shuō)為推動(dòng)非飽和土商業(yè)化測(cè)試系統(tǒng)做出了貢獻(xiàn)。
國(guó)外非飽和土試驗(yàn)系統(tǒng)概況
英國(guó)、美國(guó)和日本較早開(kāi)展這方面的研究。第一臺(tái)非飽和土三軸儀是Bishop和Donald與1961年研制成功的[5]，當(dāng)時(shí)用于科研使用，而非商業(yè)系統(tǒng)。這臺(tái)系統(tǒng)采用了高進(jìn)氣值的陶土板底座，實(shí)現(xiàn)了軸平移技術(shù)；氣壓采用水銀汞柱施加；采用了內(nèi)壓力室；體變采用光學(xué)放大的人工讀數(shù)方法?，F(xiàn)在的各種非飽和土系統(tǒng)仍能看到陶土板底座和運(yùn)用軸評(píng)議技術(shù)。近年來(lái)國(guó)外開(kāi)發(fā)出至少5個(gè)品牌的商業(yè)化非飽和土測(cè)試系統(tǒng)，他們的設(shè)計(jì)思想基本都延續(xù)了第一代系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，只不過(guò)在體變測(cè)量、內(nèi)壓力室結(jié)構(gòu)、孔隙氣壓和孔隙水壓控制方面各異。其中具有代表性的是英國(guó)GDS公司的非飽和土測(cè)試系統(tǒng)，他們可以提供非飽和土三軸系統(tǒng)和非飽和土直剪系統(tǒng)。系統(tǒng)詳細(xì)劃分可以分為2代6個(gè)系列產(chǎn)品，在中國(guó)目前有接近25個(gè)高校和科研單位客戶。
2 GDS非飽和土測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)
2.1 GDS的非飽和土三軸測(cè)試系統(tǒng)
GDS UNSATUREATED SOIL試驗(yàn)系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)的延伸。該系統(tǒng)提到的特征和方法都可以應(yīng)用在GDS三軸試驗(yàn)系統(tǒng)或其它廠家生產(chǎn)的三軸試驗(yàn)系統(tǒng)上。如果要從常規(guī)的GDS三軸試驗(yàn)系統(tǒng)升級(jí)到非飽和土試驗(yàn)系統(tǒng)，則需要增加一些硬件和軟件。有些硬件是選項(xiàng)。這些選項(xiàng)可以根據(jù)用戶的需要加入（例如中平面吸力探頭，大氣壓力傳感器和局部應(yīng)變測(cè)量傳感器）。GDS開(kāi)發(fā)出的第二代系統(tǒng)GDS-HKUST系統(tǒng)是在借鑒詹良通博士在香港科技大學(xué)的研究成果基礎(chǔ)上完成的，該系統(tǒng)采用精密的體變傳感器測(cè)量體變，上部開(kāi)口的內(nèi)壓力室結(jié)構(gòu)是體變測(cè)量更好。GDS非飽和土試驗(yàn)系統(tǒng)（也叫UNSAT）提供一系列非飽和土試驗(yàn)方法供最終用戶自由選擇。GDS 可以提供的四種方法：方法 A: 通過(guò)GDS孔隙氣壓/體積控制器直接測(cè)量；方法 B: HKUST 內(nèi)壓力室；方法 C: 雙層壓力室；方法 D: 直接在試樣上安裝應(yīng)變傳感器助計(jì)算機(jī)可以很方便地求解，而且編程比較方便。其中在中國(guó)采用第一代方法A的測(cè)試系統(tǒng)比較多，采用方法B的第二代非飽和土測(cè)試系統(tǒng)的客戶這兩年內(nèi)增加到了6個(gè)。下表詳細(xì)說(shuō)明了各個(gè)方法的有缺點(diǎn)。
表1測(cè)量試樣體變的各種方法：優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)或特定條件比較
Table 1 Mechanical parameters of backfill with different tailing-cement ratios
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測(cè)量試樣體變的方法
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優(yōu)點(diǎn)
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缺點(diǎn)或特定條件
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A. 通過(guò)GDS 孔隙水壓力-體積控制器測(cè)量孔隙水體積變化 DVwater ；通過(guò)GDS 孔隙氣壓-體積控制器測(cè)量孔隙氣壓體積變化DVair
(試樣總的體變DV = DVair + DVwater)
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反壓精度高、分辨率高(1 mm3)。
圍壓精度高、分辨率高(1 mm3)。
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必需測(cè)量壓力變化后的空氣體積變化——否則很難標(biāo)定管路和壓力源中氣體壓縮的體積。校正數(shù)據(jù)通過(guò)GDS絕對(duì)壓強(qiáng)傳感器測(cè)量大氣壓。誤差來(lái)源于氣體會(huì)溶解到水中。
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B. 通過(guò)內(nèi)壓力室(HKUST 雙壓力室)中的濕-濕差壓傳感器測(cè)量。注：HKUST 雙壓力室與雙層壓力室是不同的。
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體變測(cè)量滿量程范圍內(nèi)可以獲得較高的精度和分辨率。比較適合于大尺寸的試樣。
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需要仔細(xì)標(biāo)定。壓力室中采用除氣水。清除接頭和管路中的氣泡。
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C. 采用GDS 圍壓體變控制器測(cè)量圍壓水體積變化 DVcell (英國(guó)格拉斯哥大學(xué)).
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當(dāng)使用GDS控制器時(shí)可以獲得較高精度和分辨率(1 mm3)的氣壓數(shù)據(jù)。
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必需采用金屬壓力室，而不能采用丙烯酸壓力室，或者采用雙層壓力室。壓力室采用除氣水。清除接頭和管路中的氣泡。
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D. 采用GDS 霍爾效應(yīng)或LVDT局部應(yīng)變傳感器（軸向和徑向）
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傳感器只適合測(cè)量小應(yīng)變。為小的體變提供好的評(píng)估。
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不適合測(cè)量大體變。
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需要注意的是以上的非飽和土試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室溫度控制非常必要(A, B, 和 C)，同時(shí)為了為了減少體變測(cè)量的誤差，當(dāng)施加壓力時(shí)，檢查閥門和接頭是否滲漏 (A, B, 和C)。當(dāng)設(shè)置試驗(yàn)前和試驗(yàn)完成一個(gè)階段后需要進(jìn)行標(biāo)定（例如圍壓體變特性）。方法 A, C 和 D 可以在同一個(gè)試驗(yàn)中同時(shí)采用。方法B 是一個(gè)直接測(cè)量的方式，不能和其它任何一種方法同時(shí)采用。第二代GDS的非飽和土三軸試驗(yàn)系統(tǒng)有關(guān)體變測(cè)量部分詳細(xì)內(nèi)容可以參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。
2.2 GDS的非飽和土直剪測(cè)試系統(tǒng)
由于非飽和土三軸系統(tǒng)的試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，為了在盡可能短的時(shí)間內(nèi)獲得非飽和土力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)，GDS公司特意開(kāi)發(fā)了商用的GDS非飽和土直剪試驗(yàn)系統(tǒng)GDS-UBPS。GDS非飽和土直剪系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是反壓剪切盒，它用來(lái)用于通過(guò)控制土樣內(nèi)的孔隙水壓力及孔隙氣壓力而得到的不同飽和度土樣的剪切試驗(yàn)。GDS-UBPS基于標(biāo)準(zhǔn)的直剪試驗(yàn)裝置，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)直剪裝置進(jìn)行了修改以便于測(cè)量基質(zhì)吸力（基質(zhì)吸力＝孔隙氣壓力－孔隙水壓力）。整套系統(tǒng)可采用GDSLAB控制與數(shù)據(jù)采集軟件運(yùn)行。該裝置可以在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的直剪試驗(yàn)和非飽和土直剪試驗(yàn)。主要控制的參數(shù)有：剪切力和位移、應(yīng)力控制、總應(yīng)力控制、孔隙氣和水壓力、軸向力和位移。因此，UPBS為當(dāng)今世界中的許多巖土工程問(wèn)題，如半飽和情況下的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，提供了理想的試驗(yàn)系統(tǒng)。
圖3 GDS非飽和反壓剪切盒結(jié)構(gòu)圖
Fig. 3 Schematic of the GDS Unsaturated Back Pressured Shearbox
3 GDS系統(tǒng)的控制技術(shù)
3.1 吸力控制與測(cè)試技術(shù)
GDS高級(jí)非飽和土系統(tǒng)采用軸平移技術(shù)，吸力的控制是分別獨(dú)立控制孔隙氣壓和孔隙水壓力。第一代GDS非飽和土系統(tǒng)采用高級(jí)型GDS氣壓控制器，容積1000cc/壓力2MPa，該方法的缺點(diǎn)是氣壓控制器容積有限，受溫度影響比較明顯。GDS第二代非飽和土系統(tǒng)采用了無(wú)限體積的氣壓控制器技術(shù)。這樣需要外連接壓力源（空壓機(jī)或者高壓氣瓶）。壓力控制的精度比較高可以做到1kPa，而且做到閉環(huán)反饋控制，這也是全自動(dòng)系統(tǒng)必需的。目前采用第二代非飽和土試驗(yàn)系統(tǒng)的中國(guó)客戶有6個(gè)。GDS中平面孔壓探頭可以直接在試樣中間高度測(cè)量試樣孔隙水壓力。
GDS中平面吸力探頭是在傳感器的頂部安裝了一個(gè)高進(jìn)氣值的陶土板，從而可以在非飽和土試驗(yàn)中測(cè)量吸力。引起非飽和土應(yīng)力狀態(tài)改變的原因之一是基質(zhì)吸力。GDS吸力探頭直接測(cè)量孔隙水壓力從而測(cè)量基質(zhì)吸力。這種直接測(cè)量方法在非飽和土試驗(yàn)中是很有用的，因?yàn)榭梢愿斓販y(cè)量到孔隙水壓力值。當(dāng)傳感器頂部完全飽和后，吸力探頭反饋的時(shí)間通常小于3秒，即使孔壓變化很大也沒(méi)有關(guān)系。采用吸力探頭測(cè)量吸力的原理是土中孔隙水壓等于多孔一端后面的傳感器水艙中的孔隙水壓。在這兩種水壓到達(dá)平衡之前，水從水艙流到土中，反之亦然。在非飽和土中，負(fù)孔隙水壓導(dǎo)致水從水艙流到土中。相反的，在飽和土中，正孔隙水壓導(dǎo)致水從土中流到水艙中。GDS非飽和土測(cè)試系統(tǒng)可以做到吸力控制，在試驗(yàn)中根據(jù)需要選配中平面吸力傳感器。
3.2 體變測(cè)量技術(shù)和體變傳感器的標(biāo)定
GDS采用差壓傳感器測(cè)量體變技術(shù)應(yīng)用在它的第二代非飽和土系統(tǒng)上，第一代非飽和土測(cè)試系統(tǒng)采用表1的方法A。新的體變測(cè)量技術(shù)實(shí)際上是采用香港科技大學(xué)吳宏偉和詹良通等人的研究成果，香港科大購(gòu)買了GDS 三軸系統(tǒng)，他們?cè)诖嘶A(chǔ)上采用體變傳感器進(jìn)行體變測(cè)量，優(yōu)點(diǎn)是可以做到采集自動(dòng)化，高精度等。GDS公司在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善，開(kāi)發(fā)出商用的體變測(cè)量技術(shù)。該傳感器的差壓測(cè)量范圍是從-1kPa 到+1kPa (即-100mm 至+100mm 的水頭變化)。其精度等于測(cè)量范圍的0.1%(即可測(cè)讀到0.1mm 的水位變化)。這樣，該體變系統(tǒng)的精度可達(dá)31.4mm3(即等于過(guò)水截面積與差壓傳感器測(cè)量精度的乘積，314mm2×0.1mm)，對(duì)于一個(gè)直徑38mm 高度76mm 的土樣，此精度相當(dāng)于0.04%體積應(yīng)變，這個(gè)精度是相當(dāng)高的。當(dāng)然，該體變系統(tǒng)精度還受其他測(cè)量誤差的影響，但是這些誤差可通過(guò)標(biāo)定消除，標(biāo)定方法可參考文獻(xiàn)[6]。采用該方法客戶必須仔細(xì)標(biāo)定，而且必須在客戶的實(shí)驗(yàn)室安裝完所有管路以后，要求壓力室中采用高質(zhì)量的除氣水，確保清除所有接頭和管路中的氣泡。為了準(zhǔn)確測(cè)量體變，必須做到在實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行標(biāo)定（比如圍壓大小、試樣體積壓縮和膨脹）。我們客戶反饋的不同條件下的標(biāo)定系數(shù)如下圖，最大系數(shù)和最小系數(shù)有3.7％的誤差。正如我們土工的一些傳感器在室溫常壓下的標(biāo)定數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)的任何環(huán)節(jié)中應(yīng)用一樣，沒(méi)有考慮是否系數(shù)保持不變。這個(gè)標(biāo)定系數(shù)的變異是我們的一個(gè)新發(fā)現(xiàn)，這個(gè)對(duì)提高體變測(cè)試精度是有好處的。
3.3 內(nèi)置水下荷重傳感器
外置傳感器進(jìn)出壓力室的桿與壓力室采用零間隙的高精密配合，此處的摩擦力如果采用任何類型的外置測(cè)力傳感器都將被測(cè)到，而且被計(jì)到試樣的軸向力當(dāng)中。無(wú)疑給試驗(yàn)帶來(lái)誤差，即使采用標(biāo)定濾去此值，也不可取，因?yàn)樵撃Σ亮υ诓灰欢ㄊ且粋€(gè)常值。另外外置傳感器傳力桿作用在試樣帽上的接觸面，該面以下試樣不受圍壓作用，必須用軸向力補(bǔ)償才可以?？紤]以上因素影響，GDS公司采用內(nèi)置水下荷重傳感器成果解決了以上的問(wèn)題。其他系統(tǒng)多是應(yīng)用測(cè)力環(huán)或者外置弓型傳感器。這樣所有的試驗(yàn)都有一定軸力測(cè)量誤差。那么，GDS內(nèi)置水下荷重傳感器是如何工作的呢？GDS設(shè)計(jì)了抗信號(hào)干擾補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，傳感器內(nèi)部充滿油使其降低溫度的影響。接觸面軸力補(bǔ)償，沒(méi)有采用主動(dòng)加載方式，而是將傳感器的環(huán)形頭兩側(cè)面開(kāi)兩個(gè)貫通的孔道，在中間位置布置一個(gè)與接觸面同等面積的環(huán)形腔。這樣軸力補(bǔ)償?shù)靡詫?shí)現(xiàn)。如下圖所示。
圖5 GDS Loadcell 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其與外置傳感器對(duì)比
Fig. 5 The comparison between outlay transducer and GDS Loadcell and its inner structure
4 結(jié)論
本文介紹了目前世界上有代表性的GDS非飽和土試驗(yàn)系統(tǒng)，包括非飽和土三軸試驗(yàn)系統(tǒng)和非飽和土直剪系統(tǒng)，該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、測(cè)試精度高。主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)有：
(1) 第二代非飽和土測(cè)量系統(tǒng)解決了第一代非飽和土系統(tǒng)孔隙氣壓控制器容積受限的不足；
(2) 體變測(cè)量由于采用差壓傳感器和獨(dú)立的內(nèi)置結(jié)構(gòu)，是的精度可達(dá)試樣總體積的0.04%（試樣直徑38mm，高度76mm）；
(3) 內(nèi)置的水下傳感器和中平面吸力探頭的應(yīng)用，對(duì)非飽和土試驗(yàn)做出了貢獻(xiàn)。
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