HKUST體變測(cè)量方法在動(dòng)三軸中的應(yīng)用
崔 治，胡新江，肖 巍
(歐美大地儀器設(shè)備中國(guó)有限公司，中國(guó)香港)
摘 要：動(dòng)三軸試驗(yàn)是一種獲得土體的動(dòng)剪切強(qiáng)度、模量和阻力比的重要方法，三軸試驗(yàn)中試樣的體變難于直接精確測(cè)量。本文總結(jié)了當(dāng)前動(dòng)三軸試驗(yàn)中主要的體變測(cè)量方法，并分析了這些方法在動(dòng)三軸測(cè)試中的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合GDS動(dòng)三軸試驗(yàn)儀的特點(diǎn)，提出了基于HKUST雙壓力室體變測(cè)量裝置的動(dòng)三軸體變測(cè)量方法，通過改進(jìn)試樣底座，采用內(nèi)壓力室測(cè)量試樣在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過程中的體積變化。最后采用三軸試樣進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明HKUST方法在動(dòng)三軸體變測(cè)量中是可行的。該方法目前還不能夠進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，同時(shí)振動(dòng)對(duì)體變測(cè)量精度的影響也有待進(jìn)一步研究。
關(guān)鍵詞：動(dòng)三軸試驗(yàn)；體變測(cè)量；HKUST測(cè)量方法
中圖分類號(hào)：TU41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：
作者簡(jiǎn)介： 崔治，男，歐美大地室內(nèi)巖土實(shí)驗(yàn)室事業(yè)部經(jīng)理，主要從事室內(nèi)巖土試驗(yàn)設(shè)備開發(fā)及試驗(yàn)培訓(xùn)方面的工作。E-mail：cuizhi@epc.com.hk。
The application of HKUST volumetric measurement method in dynamic triaxial
Cui Zhi, Hu Xin-jiang, Xiao Wei
(Earth Products China Ltd.，Hong kong, China)
Abstract: Dynamic triaxial test is one of important testing methods to obtain dynamic shear strength, modulus and damping ratio of soil. Volume change of a soil specimen is often difficult to be measured in a triaxial test accurately. But the This article summarizes some common methods of volume change measurement and analyses, their advantages and disadvantages of in dynamic tests. Combining with some unique features of GDS dynamic triaxial test equipment, a novel way of using HKUST’s total volume measuring device wall device is presented. In this novel method, inner cell is used to measure the volume change of soil specimen during a dynamic test by improving the sample base. The accuracy and applicability of this new method is verified and illustrated by carrying out tests on clay samples. The test results reveal that this novel method is feasible in dynamic triaxial test. This method is not able to pull test, and the influence of vibration on total volume measurement is also needs further research.
Keyword: Dynamic triaxial test; volume change measurement; HKUST measuring method
引言
近年來國(guó)民經(jīng)濟(jì)取得了重大成就，國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入力度也逐漸加大，工程建設(shè)過程中也遇到了許多復(fù)雜的巖土工程難題，地基土在動(dòng)荷載作用下的穩(wěn)定和變形問題日益受到重視，特別是變形造成的地基不均勻沉降問題。地震、機(jī)械振動(dòng)、風(fēng)荷載、波浪等動(dòng)荷載都會(huì)對(duì)地基產(chǎn)生影響，如地震引起的砂土液化導(dǎo)致的地基土失效問題、高層建筑物基礎(chǔ)在風(fēng)荷載下的穩(wěn)定問題、軟土路基在周期性交通荷載下的不均勻沉降問題、油罐地基在充水排水的循環(huán)荷載下的穩(wěn)定和變形問題、近海結(jié)構(gòu)物在波浪荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)分析等，對(duì)這些復(fù)雜問題的研究主要還是結(jié)合工程實(shí)際情況通過試驗(yàn)來進(jìn)行。在動(dòng)荷載作用下，土體變形發(fā)展規(guī)律對(duì)工程安全具有重要影響，特別是地基的不均勻變形可能會(huì)導(dǎo)致工程事故，所以動(dòng)三軸體變測(cè)量對(duì)于解決這些工程問題具有重要的意義。對(duì)于靜態(tài)飽和三軸試驗(yàn)，可以直接通過試驗(yàn)的排水情況作為體變測(cè)量的依據(jù)。但對(duì)于動(dòng)三軸試驗(yàn)，規(guī)范要求都是在不排水的條件下進(jìn)行[1]，無法通過試樣中水體積的變化來確定試樣體變，導(dǎo)致體變測(cè)量難度增加。雖然動(dòng)三軸試驗(yàn)屬于飽和三軸試驗(yàn)，但土的剪脹剪縮特性以及試驗(yàn)過程中承受拉伸力，試樣仍然會(huì)有變形，如何準(zhǔn)確測(cè)量體積變化是有待解決的問題。
1 三軸體變測(cè)量方法
目前三軸體變測(cè)量方法主要有以下三種[2]：
（1）流體法。圍壓采用水施加，通過測(cè)量試樣周圍水體積的變化來獲取試樣的體變。為了提高流體法測(cè)試樣體變的精度，許多學(xué)者設(shè)計(jì)了各種不同的雙壓力室，按其類型可以分為內(nèi)外室連通型和內(nèi)外室封閉型[3,4]。該方法準(zhǔn)確測(cè)量體變的前提是采用除氣水且水不能壓縮、壓力室為無線剛度、管路中無氣泡、水不存在熱脹冷縮。通常情況下水中存在一定量的氣體，有機(jī)玻璃壓力室剛度也較低，加壓之后會(huì)發(fā)生膨脹，同時(shí)該類型設(shè)備的管路較長(zhǎng)，接口也較多，很難做到管路中無氣泡，室溫的變化會(huì)導(dǎo)致水密度變化產(chǎn)生假體變，這些因素都會(huì)使得測(cè)量結(jié)果存在較大誤差。
圖1 流體法-封閉型雙室
Fig.1 Fluid method- Enclosed double room
（2）局部應(yīng)變傳感器測(cè)量[5]。主要有霍爾效應(yīng)局部應(yīng)變傳感器和LVDT局部應(yīng)變傳感器兩種。該方法通常用于靜態(tài)試驗(yàn)中試樣體變的測(cè)量，但對(duì)于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，特別是高頻率試驗(yàn)，試驗(yàn)在振動(dòng)過程中傳感器振動(dòng)可能致使傳感器脫落、傳感器固定位置密封不良等問題。局部應(yīng)變傳感器的量程較小，LVDT的量程最大才5mm，霍爾效應(yīng)局部應(yīng)變傳感器的量程更小，由于傳感器量程的限制，不能夠測(cè)量大的變形，而動(dòng)三軸試驗(yàn)中大變形不可避免。該方法主要適用于測(cè)量局部應(yīng)變或者試樣體積變化較為規(guī)整的總體變，但由于土體在動(dòng)荷載作用下會(huì)發(fā)生畸形形變，計(jì)算得到的試樣總體變存在較大誤差，局部應(yīng)變傳感器安裝較為復(fù)雜，對(duì)試驗(yàn)技術(shù)人員的要求較高，這些因素使得該方法在實(shí)際應(yīng)用中受到多重限制。
圖2 局部應(yīng)變傳感器
Fig.2 Local strain sensor
（3）非接觸測(cè)量[6,7]。非接觸測(cè)量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測(cè)物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測(cè)量方法。非接觸測(cè)量方法主要有激光測(cè)距技術(shù)、電磁波測(cè)距技術(shù)和數(shù)碼攝像結(jié)合圖像處理技術(shù)三種。非接觸測(cè)量對(duì)于環(huán)境的要求較高，三軸壓力室中水和有機(jī)玻璃的折射使得系統(tǒng)難以準(zhǔn)確標(biāo)定，與接觸測(cè)量方法相比精度也不是很高，設(shè)備價(jià)格也較昂貴。
2 HKUST測(cè)量方法
2.1 基本原理
HKUST測(cè)量方法是香港科技大學(xué)巖土工程團(tuán)隊(duì)共同研發(fā)的，其基本原理是[8]：設(shè)計(jì)一個(gè)瓶狀室且上端開口的內(nèi)壓力室，試樣安裝在內(nèi)壓力室，內(nèi)壓力室和外壓力室均裝有不超過其頂部的除氣水；同時(shí)在內(nèi)壓力室外部設(shè)置一參照管，參照管的截面積等于內(nèi)壓力室上部收縮斷面面積與豎向加載軸截面積之差，參照管與內(nèi)壓力室固定在一起，試驗(yàn)時(shí)參照管水位與內(nèi)壓力室水位大致齊平，內(nèi)壓力室和參照管分別用細(xì)管與高精度差壓傳感器的兩個(gè)端口連接；通過外壓力室頂部的管路施加氣壓來控制圍壓，這保證了內(nèi)壓力室內(nèi)外不存在壓力差且內(nèi)壓力室不會(huì)發(fā)生變形；當(dāng)試樣體積變化時(shí)，內(nèi)壓力室的水位將發(fā)生變化，而參照管水位保持不變，兩者之間產(chǎn)生一個(gè)小的壓力差，通過高精度差壓傳感器測(cè)量壓力差值，最后通過換算得到試樣的總體變。其基本結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。
圖3 HKUST結(jié)構(gòu)圖
Fig. 3 HKUST structure
2.2 系統(tǒng)精度
水中存在一定量氣體以及水具有熱脹冷縮性質(zhì)，晝夜溫差和氣溫變化將導(dǎo)致所測(cè)量的結(jié)果包含假體變，圍壓變化將導(dǎo)致管路輕微膨脹或收縮，內(nèi)壓力室也具有一定的吸水性，管路不可避免地存在微漏現(xiàn)象，這些因素降低了系統(tǒng)的測(cè)量精度。通過上述一系列措施，相對(duì)于其它測(cè)量方法，HKUST系統(tǒng)的精度提高，其精度對(duì)比表，如下表所示[8]。
表1 精度對(duì)比表
Table 1 The accuracy comparison table
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體變系統(tǒng)
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HKUST
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Wheeler & Sivakumar
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殷建華的系統(tǒng)
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由圍壓變化引起的瞬時(shí)體積應(yīng)變（%）
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0.5
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1.5-2.0
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0.6
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由室溫引起的體積應(yīng)變（%/℃）
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±0.003-±0.005
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±0.007
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蠕變（%/周）
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0.009
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0.1-0.15
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2.3注意事項(xiàng)
為了提高測(cè)試精度，盡量減小上述因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，需要注意一下問題：
（1）內(nèi)壓力室和參照管中的水必須采用除氣水；
（2）內(nèi)壓力室和參照管裝水時(shí)避免產(chǎn)生氣泡，試驗(yàn)前排除系統(tǒng)中的氣泡；
（3）連接管路需要有足夠的剛度以防止膨脹變形；
（4）試驗(yàn)之前將內(nèi)壓力室在水中浸泡一段時(shí)間以減小其吸水；
（5）控制實(shí)驗(yàn)時(shí)為恒溫環(huán)境。
3 動(dòng)三軸體變測(cè)量方法
3.1 DYNTTS
伺服電機(jī)控制的動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)（DYNTTS）將三軸壓力室和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器合為一體，從壓力室底座施加軸向力和軸向變形。壓力室由裝有馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的基座螺旋傳動(dòng)。當(dāng)沒有選擇徑向動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器時(shí)，通過平衡錘消除動(dòng)態(tài)試驗(yàn)對(duì)恒定圍壓的影響。系統(tǒng)由在MS Windowsa中運(yùn)行的GDSLAB軟件來控制，任一循環(huán)的數(shù)據(jù)都可以實(shí)時(shí)記錄和顯示出來。
圖4 伺服電機(jī)控制的動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)
Fig. 4 DYNTTS
該系統(tǒng)體變測(cè)量方法采用流體法。通過GDS 200cc/2MPa數(shù)字壓力/體積控制器來精確控制壓力，壓力分辨率可以到1kPa，體積分辨率1mm3。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，平衡錘消除了由于軸向加壓桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力室有效空間的變化，壓力室與控制器之間水交換體積就是試樣體變，通過圍壓控制器體積變化就能夠直接獲得試樣的體變。當(dāng)動(dòng)荷載頻率過高或者試樣體變較大時(shí)，壓力控制器可能存在來不及補(bǔ)/排水導(dǎo)致所測(cè)量的結(jié)果存在一定誤差，流體法的缺點(diǎn)在該系統(tǒng)中同樣存在。
3.2 設(shè)備改進(jìn)
采用HKUST方法測(cè)量試樣體變時(shí)需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行如下改進(jìn)：
（1）將飽和土底座改成能夠安裝內(nèi)壓力室的底座；
（2）圍壓不在使用壓力/體積控制器，改用氣壓來施加，需要增加一個(gè)氣壓控制器；
（3）在壓力室內(nèi)部增加內(nèi)壓力室，在壓力室外部安裝一個(gè)高精度差壓傳感器，通過管路和密封裝置將內(nèi)壓力室和參照管與差壓傳感器的端口進(jìn)行連接；
（4）數(shù)據(jù)采集盒上添加差壓傳感器端口，通過修改軟件配置文件在采集系統(tǒng)中添加差壓傳感器。
4 試驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析
4.1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介
試驗(yàn)采用砂土樣進(jìn)行，試樣為50*100mm的干燥松散圓柱砂樣。首先施加500kPa圍壓和100kPa/200kPa的偏應(yīng)力進(jìn)行非等向固結(jié)，然后施加動(dòng)態(tài)荷載進(jìn)行試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)荷載采用正弦波。
4.2 試驗(yàn)結(jié)果
由于振動(dòng)過程中內(nèi)壓力室會(huì)隨著底座一起振動(dòng)，當(dāng)頻率太大會(huì)造成內(nèi)壓力室和參照管水位波動(dòng)，所測(cè)得結(jié)果誤差偏大，因此本次測(cè)試采用的頻率為0.1/0.2HZ?？傮w變隨時(shí)間變化曲線如圖5所示，軸向位移隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。由圖可以看出，試樣在振動(dòng)過程中體積發(fā)生明顯變化，試樣體變由兩部分構(gòu)成：彈性體變和塑性體變。在同一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，當(dāng)軸向力增大時(shí)，試樣被壓縮，體積減小，當(dāng)軸向力減小時(shí)，試樣發(fā)生彈性回彈，體積增大，這一部分變形稱之為彈性變形，隨著振動(dòng)過程的持續(xù)進(jìn)行，各個(gè)周期內(nèi)的彈性變形呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。在振動(dòng)過程中，試樣始終受到正的軸向力而處于壓縮狀態(tài)，試樣體變曲線的基準(zhǔn)線（波峰與波谷的中點(diǎn)）呈逐漸減小的趨勢(shì)，這一部分變形是不可恢復(fù)的，稱之為塑性變形。
由圖5、圖6所示，當(dāng)軸向力和振動(dòng)幅值相同時(shí)，隨著振動(dòng)頻率的增大，試樣的塑性變形減小，而彈性變形增大；當(dāng)頻率相同時(shí)，隨著軸向力和幅值增大，試樣的塑性變形和彈性變形都明顯增大。
(a) F=0.1HZ；A=75kPa (b) F=0.2HZ,A=75kPa (c) F=0.2HZ,A=150kPa
圖5 總體變曲線（總體變：mm3；時(shí)間：s）
Fig. 5 Total volume change curve (Total volume: mm3; time: s)
(a) F=0.1HZ；A=75kPa (b) F=0.2HZ,A=75kPa (c) F=0.2HZ,A=150kPa
圖6 軸向位移曲線（軸向應(yīng)變：%；時(shí)間：s）
Fig. 6 The axial displacement curve (Axial strain: %; time: s)
4 結(jié)論
試驗(yàn)證明，HKUST體變測(cè)量方法在動(dòng)三軸試驗(yàn)中是可行的。即使是不排水試驗(yàn)，試樣體積也會(huì)發(fā)生明顯變化。動(dòng)態(tài)荷載下試樣體變包含彈性變形和塑性變形，彈性變形主要是由于周期性的動(dòng)態(tài)荷載使得試樣在壓縮與回彈間變化引起的，塑性變形主要是由于振動(dòng)過程中試樣孔隙被壓縮的結(jié)果。
由于目前HKUST方法主要在非飽和試驗(yàn)中應(yīng)用，不會(huì)考慮試樣被拉伸的情況，內(nèi)壓力室無法安裝拉伸帽，不能進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣變形不是特別明顯。在振動(dòng)過程中，內(nèi)壓力室隨著一起振動(dòng)，內(nèi)壓力室和參照管內(nèi)的水經(jīng)受相同的振幅和頻率，在低頻率下振動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響有限，但高頻率下影響不可忽略，這部分影響體現(xiàn)在周期性的彈性變形中，如何將真實(shí)的彈性形變與波動(dòng)影響區(qū)分開來，還有待進(jìn)一步通過試驗(yàn)和分析來解決。
參考文獻(xiàn)
[1] 南京水利科學(xué)研究院土工研究所. 土工試驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)[S].人民交通出版社,2003,164-175. (Nanjing Hydraulic Research Academy of Geotechnical Institute. Soil test technical manuals[S]. China Communications Press, 2003,164-175. (in Chinese)).
[2] Geiser, F., Laloui, L. and Vulliet, L. On the volurne measurement in unsaturated triaxial test[J]. Unsaturat soill
[3] Bishop, A. W. and Donald, I. B. The experimental study of partly saturated soill in the triaxial apparatus[C]// Proc, 5th Int. Conf. Soil Mech. Found. Eng., Paris: Vol. 1, 13-21,1961.
[4] Cui, Y. J. and Delage, P. Yielding and plastic behavior of an unsaturated compacted silt[J]. Geotechnique, 1996, 46(2): 291-311.
[5] Ng, C. W. W., Chiu, C. F. Behavior of loosely compacted volcanic soil[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2001, 127(12).
[6] Romero, E., Llorer, F., Gen, J. A. and Alonso, E. E. A new suction and temperature controlled triaxial apparatus[C]// Proc. 14th Int. Conf. Soil Mech. Found. Eng., Hambourg; Vol. 1, 185-188, 1997.
[7] Macari, E. J., Parker, J. K. and Costes, N. C. Measurement of volume changes in triaxial tests using digital imaging techniques[J]. Geotechnical Testing Journal, 1997, 20(1), 103-109.
[8] Ng, C. W. W., Zhan, L. T. & Cui Y. J. A new simple system for measuring volume changes in unsaturated soil[C]// Can. Geotech. J.,39, No. 2, 757-764,2002.
