HKUST体变丈量要领在动三轴中的应用
崔 治，胡新江，肖 巍
(尊龙凯时人生就是博仪器设备中国有限公司，中国香港)
摘 要：动三轴试验是一种获得土体的动剪切强度、模量和阻力比的重要要领，三轴试验中试样的体变难于直接精确丈量。本文总结了目今动三轴试验中主要的体变丈量要领，并剖析了这些要领在动三轴测试中的优缺点。结合GDS动三轴试验仪的特点，提出了基于HKUST双压力室体变丈量装置的动三轴体变丈量要领，通过革新试样底座，接纳内压力室丈量试样在动态试验历程中的体积变革。最后接纳三轴试样进行测试，结果标明HKUST要领在动三轴体变丈量中是可行的。该要领目前还不可够进行拉伸试验，同时振动对体变丈量精度的影响也有待进一步研究。
要害词：动三轴试验；体变丈量；HKUST丈量要领
中图分类号：TU41 文献标识码：A 文章编号：
作者简介： 崔治，男，尊龙凯时人生就是博室内岩土实验室事业部经理，主要从事室内岩土试验设备开发及试验培训方面的事情。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
近年来国民经济取得了重大成绩，国家对基础设施建设的投入力度也逐渐加大，工程建设历程中也遇到了许多庞大的岩土工程难题，地基土在动荷载作用下的稳定和变形问题日益受到重视，特别是变形造成的地基不均匀沉降问题。地动、机忻魅振动、风荷载、海浪等动荷载都会对地基爆发影响，如地动引起的砂土液化导致的地基土失效问题、高层建筑物基础在风荷载下的稳定问题、软土路基在周期性交通荷载下的不均匀沉降问题、油罐地基在充水排水的循环荷载下的稳定和变形问题、近海结构物在海浪荷载作用下的动力反应剖析等，对这些庞大问题的研究主要照旧结合工程实际情况通过试验来进行。在动荷载作用下，土体变形生长纪律对工程宁静具有重要影响，特别是地基的不均匀变形可能会导致工程事故，所以动三轴体变丈量关于解决这些工程问题具有重要的意义。关于静态饱和三轴试验，可以直接通过试验的排水情况作为体变丈量的依据。但关于动三轴试验，规范要求都是在不排水的条件下进行[1]，无法通过试样中水体积的变革来确定试样体变，导致体变丈量难度增加。虽然动三轴试验属于饱和三轴试验，但土的剪胀剪缩特性以及试验历程中蒙受拉伸力，试样仍然会有变形，如何准确丈量体积变革是有待解决的问题。
1 三轴体变丈量要领
目前三轴体变丈量要领主要有以下三种[2]：
（1）流体法。围压接纳水施加，通过丈量试样周围水体积的变革来获取试样的体变。为了提高流体法测试样体变的精度，许多学者设计了种种差别的双压力室，按其类型可以分为内外室连通型和内外室关闭型[3,4]。该要领准确丈量体变的前提是接纳除气水且水不可压缩、压力室为无线刚度、管路中无气泡、水不保存热胀冷缩。通常情况下水中保存一定量的气体，有机玻璃压力室刚度也较低，加压之后会爆发膨胀，同时该类型设备的管路较长，接口也较多，很难做到管路中无气泡，室温的变革会导致水密度变革爆发假体变，这些因素都会使得丈量结果保存较大误差。
图1 流体法-关闭型双室
Fig.1 Fluid method- Enclosed double room
（2）局部应变传感器丈量[5]。主要有霍尔效应局部应变传感器和LVDT局部应变传感器两种。该要领通常用于静态试验中试样体变的丈量，但关于动态试验，特别是高频率试验，试验在振动历程中传感器振动可能致使传感器脱落、传感器牢固位置密封不良等问题。局部应变传感器的量程较小，LVDT的量程最大才5mm，霍尔效应局部应变传感器的量程更小，由于传感器量程的限制，不可够丈量大的变形，而动三轴试验中大变形不可制止。该要领主要适用于丈量局部应变或者试样体积变革较为规整的总体变，但由于土体在动荷载作用下会爆发畸形形变，盘算获得的试样总体变保存较大误差，局部应变传感器装置较为庞大，对试验技术人员的要求较高，这些因素使得该要领在实际应用中受到多重限制。
图2 局部应变传感器
Fig.2 Local strain sensor
（3）非接触丈量[6,7]。非接触丈量是以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体外貌的情况下，获得物体外貌参数信息的丈量要领。非接触丈量要领主要有激光测距技术、电磁波测距技术和数码摄像结合图像处理技术三种。非接触丈量关于情况的要求较高，三轴压力室中水和有机玻璃的折射使得系统难以准确标定，与接触丈量要领相比精度也不是很高，设备价格也较腾贵。
2 HKUST丈量要领
2.1 基来源理
HKUST丈量要领是香港科技大学岩土工程团队配合研发的，其基来源理是[8]：设计一个瓶状室且上端开口的内压力室，试样装置在内压力室，内压力室和外压力室均装有不凌驾其顶部的除气水；同时在内压力室外部设置一参照管，参照管的截面积即是内压力室上部收缩断面面积与竖向加载轴截面积之差，参照管与内压力室牢固在一起，试验时参照管水位与内压力室水位大致齐平，内压力室和参照管划分用细管与高精度差压传感器的两个端口连接；通过外压力室顶部的管路施加气压来控制围压，这包管了内压力室内外不保存压力差且内压力室不会爆发变形；当试样体积变革时，内压力室的水位将爆发变革，而参照管水位坚持稳定，两者之间爆发一个小的压力差，通过高精度差压传感器丈量压力差值，最后通过换算获得试样的总体变。其基本结构图，如图3所示。
图3 HKUST结构图
Fig. 3 HKUST structure
2.2 系统精度
水中保存一定量气体以及水具有热胀冷缩性质，昼夜温差和气温变革将导致所丈量的结果包括假体变，围压变革将导致管路轻微膨胀或收缩，内压力室也具有一定的吸水性，管路不可制止地保存微漏现象，这些因素降低了系统的丈量精度。通过上述一系列步伐，相关于其它丈量要领，HKUST系统的精度提高，其精度比照表，如下表所示[8]。
表1 精度比照表
Table 1 The accuracy comparison table
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体变系统
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HKUST
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Wheeler & Sivakumar
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殷建华的系统
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由围压变革引起的瞬时体积应变（%）
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0.5
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1.5-2.0
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0.6
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由室温引起的体积应变（%/℃）
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±0.003-±0.005
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±0.007
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蠕变（%/周）
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0.009
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0.1-0.15
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2.3注意事项
为了提高测试精度，尽量减小上述因素对试验结果的影响，需要注意一下问题：
（1）内压力室和参照管中的水必须接纳除气水；
（2）内压力室和参照管装水时制止爆发气泡，试验前排除系统中的气泡；
（3）连接管路需要有足够的刚度以避免膨胀变形；
（4）试验之前将内压力室在水中浸泡一段时间以减小其吸水；
（5）控制实验时为恒温情况。
3 动三轴体变丈量要领
3.1 DYNTTS
伺服电机控制的动三轴试验系统（DYNTTS）将三轴压力室和动力驱动器合为一体，从压力室底座施加轴向力和轴向变形。压力室由装有马达驱动的基座螺旋传动。当没有选择径向动力驱动器时，通过平衡锤消除动态试验对恒定围压的影响。系统由在MS Windows?中运行的GDSLAB软件来控制，任一循环的数据都可以实时纪录和显示出来。
图4 伺服电机控制的动三轴试验系统
Fig. 4 DYNTTS
该系统体变丈量要领接纳流体法。通过GDS 200cc/2MPa数字压力/体积控制器来精确控制压力，压力区分率可以到1kPa，体积区分率1mm3。动态试验中，平衡锤消除了由于轴向加压杆往复运动爆发的压力室有效空间的变革，压力室与控制器之间水交换体积就是试样体变，通过围压控制器体积变革就能够直接获得试样的体变。当动荷载频率过高或者试样体变较大时，压力控制器可能保存来缺乏补/排水导致所丈量的结果保存一定误差，流体法的缺点在该系统中同样保存。
3.2 设备革新
接纳HKUST要领丈量试样体变时需要对设备进行如下革新：
（1）将饱和土底座改成能够装置内压力室的底座；
（2）围压不在使用压力/体积控制器，改用气压来施加，需要增加一个气压控制器；
（3）在压力室内部增加内压力室，在压力室外部装置一个高精度差压传感器，通过管路和密封装置将内压力室和参照管与差压传感器的端口进行连接；
（4）数据收罗盒上添加差压传感器端口，通过修改软件配置文件在收罗系统中添加差压传感器。
4 试验测试及结果剖析
4.1 试验简介
试验接纳砂土样进行，试样为50*100mm的干燥松散圆柱砂样。首先施加500kPa围压和100kPa/200kPa的偏应力进行非等向固结，然后施加动态荷载进行试验，动态荷载接纳正弦波。
4.2 试验结果
由于振动历程中内压力室会随着底座一起振动，当频率太大会造成内压力室和参照管水位波动，所测得结果误差偏大，因此本次测试接纳的频率为0.1/0.2HZ。总体变随时间变革曲线如图5所示，轴向位移随时间变革曲线如图6所示。由图可以看出，试样在振动历程中体积爆发明显变革，试样体变由两部分组成：弹性体变和塑性体变。在同一个振动周期内，当轴向力增大时，试样被压缩，体积减小，当轴向力减小时，试样爆发弹性回弹，体积增大，这一部分变形称之为弹性变形，随着振动历程的连续进行，各个周期内的弹性变形泛起出增大的趋势。在振动历程中，试样始终受到正的轴向力而处于压缩状态，试样体变曲线的基准线（波峰与波谷的中点）呈逐渐减小的趋势，这一部分变形是不可恢复的，称之为塑性变形。
由图5、图6所示，当轴向力和振动幅值相同时，随着振动频率的增大，试样的塑性变形减小，而弹性变形增大；当频率相同时，随着轴向力和幅值增大，试样的塑性变形和弹性变形都明显增大。
(a) F=0.1HZ；A=75kPa (b) F=0.2HZ,A=75kPa (c) F=0.2HZ,A=150kPa
图5 总体变曲线（总体变：mm3；时间：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
图6 轴向位移曲线（轴向应变：%；时间：s）
Fig. 6 The axial displacement curve (Axial strain: %; time: s)
4 结论
试验证明，HKUST体变丈量要领在动三轴试验中是可行的。纵然是不排水试验，试样体积也会爆发明显变革。动态荷载下试样体变包括弹性变形和塑性变形，弹性变形主要是由于周期性的动态荷载使得试样在压缩与回弹间变革引起的，塑性变形主要是由于振动历程中试样孔隙被压缩的结果。
由于目前HKUST要领主要在非饱和试验中应用，不会考虑试样被拉伸的情况，内压力室无法装置拉伸帽，不可进行拉伸试验，试样变形不是特别明显。在振动历程中，内压力室随着一起振动，内压力室和参照管内的水经受相同的振幅和频率，在低频率下振动对试验结果影响有限，但高频率下影响不可忽略，这部分影响体现在周期性的弹性变形中，如何将真实的弹性形变与波动影响区离开来，另有待进一步通过试验和剖析来解决。
参考文献
[1] 南京水利科学研究院土工研究所. 土工试验技术手册[S].人民交通出书社,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.
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