HKUST體變測量方法在動三軸中的應用
崔 治，胡新江，肖 巍
(歐美大地儀器設備中國有限公司，中國香港)
摘 要：動三軸試驗是一種獲得土體的動剪切強度、模量和阻力比的重要方法，三軸試驗中試樣的體變難于直接精確測量。本文總結了當前動三軸試驗中主要的體變測量方法，并分析了這些方法在動三軸測試中的優缺點。結合GDS動三軸試驗儀的特點，提出了基于HKUST雙壓力室體變測量裝置的動三軸體變測量方法，通過改進試樣底座，采用內壓力室測量試樣在動態試驗過程中的體積變化。最后采用三軸試樣進行測試，結果表明HKUST方法在動三軸體變測量中是可行的。該方法目前還不能夠進行拉伸試驗，同時振動對體變測量精度的影響也有待進一步研究。
關鍵詞：動三軸試驗；體變測量；HKUST測量方法
中圖分類號：TU41 文獻標識碼：A 文章編號：
作者簡介： 崔治，男，歐美大地室內巖土實驗室事業部經理，主要從事室內巖土試驗設備開發及試驗培訓方面的工作。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
近年來國民經濟取得了重大成就，國家對基礎設施建設的投入力度也逐漸加大，工程建設過程中也遇到了許多復雜的巖土工程難題，地基土在動荷載作用下的穩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、機械振動、風荷載、波浪等動荷載都會對地基產生影響，如地震引起的砂土液化導致的地基土失效問題、高層建筑物基礎在風荷載下的穩定問題、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荷載下的穩定和變形問題、近海結構物在波浪荷載作用下的動力反應分析等，對這些復雜問題的研究主要還是結合工程實際情況通過試驗來進行。在動荷載作用下，土體變形發展規律對工程安全具有重要影響，特別是地基的不均勻變形可能會導致工程事故，所以動三軸體變測量對于解決這些工程問題具有重要的意義。對于靜態飽和三軸試驗，可以直接通過試驗的排水情況作為體變測量的依據。但對于動三軸試驗，規范要求都是在不排水的條件下進行[1]，無法通過試樣中水體積的變化來確定試樣體變，導致體變測量難度增加。雖然動三軸試驗屬于飽和三軸試驗，但土的剪脹剪縮特性以及試驗過程中承受拉伸力，試樣仍然會有變形，如何準確測量體積變化是有待解決的問題。
1 三軸體變測量方法
目前三軸體變測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。為了提高流體法測試樣體變的精度，許多學者設計了各種不同的雙壓力室，按其類型可以分為內外室連通型和內外室封閉型[3,4]。該方法準確測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，有機玻璃壓力室剛度也較低，加壓之后會發生膨脹，同時該類型設備的管路較長，接口也較多，很難做到管路中無氣泡，室溫的變化會導致水密度變化產生假體變，這些因素都會使得測量結果存在較大誤差。
圖1 流體法-封閉型雙室
Fig.1 Fluid method- Enclosed double room
（2）局部應變傳感器測量[5]。主要有霍爾效應局部應變傳感器和LVDT局部應變傳感器兩種。該方法通常用于靜態試驗中試樣體變的測量，但對于動態試驗，特別是高頻率試驗，試驗在振動過程中傳感器振動可能致使傳感器脫落、傳感器固定位置密封不良等問題。局部應變傳感器的量程較小，LVDT的量程最大才5mm，霍爾效應局部應變傳感器的量程更小，由于傳感器量程的限制，不能夠測量大的變形，而動三軸試驗中大變形不可避免。該方法主要適用于測量局部應變或者試樣體積變化較為規整的總體變，但由于土體在動荷載作用下會發生畸形形變，計算得到的試樣總體變存在較大誤差，局部應變傳感器安裝較為復雜，對試驗技術人員的要求較高，這些因素使得該方法在實際應用中受到多重限制。
圖2 局部應變傳感器
Fig.2 Local strain sensor
（3）非接觸測量[6,7]。非接觸測量是以光電、電磁等技術為基礎，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數信息的測量方法。非接觸測量方法主要有激光測距技術、電磁波測距技術和數碼攝像結合圖像處理技術三種。非接觸測量對于環境的要求較高，三軸壓力室中水和有機玻璃的折射使得系統難以準確標定，與接觸測量方法相比精度也不是很高，設備價格也較昂貴。
2 HKUST測量方法
2.1 基本原理
HKUST測量方法是香港科技大學巖土工程團隊共同研發的，其基本原理是[8]：設計一個瓶狀室且上端開口的內壓力室，試樣安裝在內壓力室，內壓力室和外壓力室均裝有不超過其頂部的除氣水；同時在內壓力室外部設置一參照管，參照管的截面積等于內壓力室上部收縮斷面面積與豎向加載軸截面積之差，參照管與內壓力室固定在一起，試驗時參照管水位與內壓力室水位大致齊平，內壓力室和參照管分別用細管與高精度差壓傳感器的兩個端口連接；通過外壓力室頂部的管路施加氣壓來控制圍壓，這保證了內壓力室內外不存在壓力差且內壓力室不會發生變形；當試樣體積變化時，內壓力室的水位將發生變化，而參照管水位保持不變，兩者之間產生一個小的壓力差，通過高精度差壓傳感器測量壓力差值，最后通過換算得到試樣的總體變。其基本結構圖，如圖3所示。
圖3 HKUST結構圖
Fig. 3 HKUST structure
2.2 系統精度
水中存在一定量氣體以及水具有熱脹冷縮性質，晝夜溫差和氣溫變化將導致所測量的結果包含假體變，圍壓變化將導致管路輕微膨脹或收縮，內壓力室也具有一定的吸水性，管路不可避免地存在微漏現象，這些因素降低了系統的測量精度。通過上述一系列措施，相對于其它測量方法，HKUST系統的精度提高，其精度對比表，如下表所示[8]。
表1 精度對比表
Table 1 The accuracy comparison table
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體變系統
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HKUST
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Wheeler & Sivakumar
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殷建華的系統
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由圍壓變化引起的瞬時體積應變（%）
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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
為了提高測試精度，盡量減小上述因素對試驗結果的影響，需要注意一下問題：
（1）內壓力室和參照管中的水必須采用除氣水；
（2）內壓力室和參照管裝水時避免產生氣泡，試驗前排除系統中的氣泡；
（3）連接管路需要有足夠的剛度以防止膨脹變形；
（4）試驗之前將內壓力室在水中浸泡一段時間以減小其吸水；
（5）控制實驗時為恒溫環境。
3 動三軸體變測量方法
3.1 DYNTTS
伺服電機控制的動三軸試驗系統（DYNTTS）將三軸壓力室和動力驅動器合為一體，從壓力室底座施加軸向力和軸向變形。壓力室由裝有馬達驅動的基座螺旋傳動。當沒有選擇徑向動力驅動器時，通過平衡錘消除動態試驗對恒定圍壓的影響。系統由在MS Windowsa中運行的GDSLAB軟件來控制，任一循環的數據都可以實時記錄和顯示出來。
圖4 伺服電機控制的動三軸試驗系統
Fig. 4 DYNTTS
該系統體變測量方法采用流體法。通過GDS 200cc/2MPa數字壓力/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。動態試驗中，平衡錘消除了由于軸向加壓桿往復運動產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。當動荷載頻率過高或者試樣體變較大時，壓力控制器可能存在來不及補/排水導致所測量的結果存在一定誤差，流體法的缺點在該系統中同樣存在。
3.2 設備改進
采用HKUST方法測量試樣體變時需要對設備進行如下改進：
（1）將飽和土底座改成能夠安裝內壓力室的底座；
（2）圍壓不在使用壓力/體積控制器，改用氣壓來施加，需要增加一個氣壓控制器；
（3）在壓力室內部增加內壓力室，在壓力室外部安裝一個高精度差壓傳感器，通過管路和密封裝置將內壓力室和參照管與差壓傳感器的端口進行連接；
（4）數據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中添加差壓傳感器。
4 試驗測試及結果分析
4.1 試驗簡介
試驗采用砂土樣進行，試樣為50*100mm的干燥松散圓柱砂樣。首先施加500kPa圍壓和100kPa/200kPa的偏應力進行非等向固結，然后施加動態荷載進行試驗，動態荷載采用正弦波。
4.2 試驗結果
由于振動過程中內壓力室會隨著底座一起振動，當頻率太大會造成內壓力室和參照管水位波動，所測得結果誤差偏大，因此本次測試采用的頻率為0.1/0.2HZ。總體變隨時間變化曲線如圖5所示，軸向位移隨時間變化曲線如圖6所示。由圖可以看出，試樣在振動過程中體積發生明顯變化，試樣體變由兩部分構成：彈性體變和塑性體變。在同一個振動周期內，當軸向力增大時，試樣被壓縮，體積減小，當軸向力減小時，試樣發生彈性回彈，體積增大，這一部分變形稱之為彈性變形，隨著振動過程的持續進行，各個周期內的彈性變形呈現出增大的趨勢。在振動過程中，試樣始終受到正的軸向力而處于壓縮狀態，試樣體變曲線的基準線（波峰與波谷的中點）呈逐漸減小的趨勢，這一部分變形是不可恢復的，稱之為塑性變形。
由圖5、圖6所示，當軸向力和振動幅值相同時，隨著振動頻率的增大，試樣的塑性變形減小，而彈性變形增大；當頻率相同時，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（軸向應變：%；時間：s）
Fig. 6 The axial displacement curve (Axial strain: %; time: s)
4 結論
試驗證明，HKUST體變測量方法在動三軸試驗中是可行的。即使是不排水試驗，試樣體積也會發生明顯變化。動態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態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過程中試樣孔隙被壓縮的結果。
由于目前HKUST方法主要在非飽和試驗中應用，不會考慮試樣被拉伸的情況，內壓力室無法安裝拉伸帽，不能進行拉伸試驗，試樣變形不是特別明顯。在振動過程中，內壓力室隨著一起振動，內壓力室和參照管內的水經受相同的振幅和頻率，在低頻率下振動對試驗結果影響有限，但高頻率下影響不可忽略，這部分影響體現在周期性的彈性變形中，如何將真實的彈性形變與波動影響區分開來，還有待進一步通過試驗和分析來解決。
參考文獻
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