動三軸試驗中提高軸向應變測試精度的試驗技術研究

摘要：本次試驗利用“土工靜力-動力液壓三軸-扭轉多功能剪切儀”，對Dr=60%和Dr=30%的粉煤灰和福建標準篩進行均等初始固結壓力為100kPa、200kPa、300kPa的動三軸試驗。本次試驗將接觸式位移計與非接觸式位移計聯(lián)合使用，使軸向應變的測試精度得到了顯著提高，試驗結果表明，隨著初始固結壓力的增大，軸向應變的測試精度提高的越明顯。

關鍵詞：動三軸試驗 接觸式位移計 非接觸式位移計

1 概述

土工試驗中，分析土的變形與強度特性的最常用的方法是三軸試驗方法，隨土體中應變的變化土體的變形特性呈現(xiàn)非線性變化。在應力-應變理論模型研究和土工建筑物的穩(wěn)定分析中，必須了解小應變（10-6～10-1應變范圍）應力-應變關系的連續(xù)變化情況及其強度特性，但是，常規(guī)三軸儀的應變測試精度通常在10-4～10-1，不能滿足需要[1]。何昌榮（1995年）[2]通過自制的高靈敏度電阻式應變計量測到應變范圍在10-6～10-2連續(xù)變化的模量阻尼。郭瑩、欒茂田等（2003年）[3]研制與開發(fā)的土工設備“土工靜力-動力液壓三軸-扭轉多功能剪切儀”，該設備能夠實現(xiàn)多種靜力與循環(huán)剪切、多種固結條件的復雜應力路徑試驗，具有廣泛的應用性。

2 儀器設備

本次試驗采用的儀器為“土工靜力-動力液壓三軸-扭轉多功能剪切儀”。此套設備對于轉角和豎向變形的測量，設置了兩套不同的測量系統(tǒng)：一套為內置于三軸室內的非接觸式的豎向位移計及轉角計，用來測量微小變形，可使應變測量精度達到10-5量級，設置了0.3mm、0.75mm和1.5mm三個檔次；另一套傳感器為最大量程可達到50mm及40°的普通的接觸式轉角計及豎向位移計，該傳感器適用于大變形與強度特性、孔壓特性及液化等問題的研究。

3 試驗方案

3.1 試驗概況

試驗以吉林新力熱電廠貯灰場的粉煤灰和福建標準砂為試驗土料，試樣的相對密實度為分別為30%和60%，采用實心圓柱狀試樣進行初始固結壓力為100kPa、200kPa、300kPa的動三軸試驗。試樣尺寸為直徑為61.8mm，高度為150mm。采用分層干裝方法制備試樣?？刂聘擅芏妊b好干樣后利用通CO2、通無氣水并聯(lián)合施加反壓的方法對試樣進行飽和，使孔隙水壓力系數(shù)B值均達到0.95以上?？紤]地震荷載條件，試驗振動頻率取為1Hz。

經實驗室測定所采用的福建標準砂具有下列物理指標：顆粒比重ds=2.644；最大與最小干密度分別為1.74g/cm3，1.43g/cm。實驗室測定的粉煤灰的物理性質指標為：顆粒比重Gs=2.14；最大與最小干密度分別為0.994g/cm3， 0.697g/cm3。

3.2 位移計與轉角計量程的選擇

通常三軸儀的應變測試范圍通常為10-4～10-1，本次試驗中采用將非接觸與接觸式豎向位移計聯(lián)合使用的方法，以便提高測試精度，拓寬應變測試范圍。為了更加方便的測量軸向位移，在試樣固結過程中，將內置的豎向位移計置于1.5mm檔。開始加荷后，試樣處于微小變形階段，隨著循環(huán)荷載的增大，豎向變形將超過內置豎向位移計的量程，為防止超過位移計量程造成損壞，在振動的間隙將豎向非接觸式位移計提起，繼續(xù)使用接觸式位移計進行測量。這種將接觸式位移計與非接觸式位移計聯(lián)合使用的方法提高了量測精度拓寬了量測范圍，量測的連續(xù)軸向應變測試范圍可達到10-5～10-1，盡管在10-6～10-5范圍之內仍有一些數(shù)據，但離散較大，不連續(xù)。

4 試驗技術研究

將非接觸式與接觸式豎向位移計聯(lián)合使用的技術能更加精確的獲得試樣微小變形的數(shù)據點。試驗中相對密實度為30%的福建標準砂和相對密實度為60%的粉煤灰在初始固結壓力為100kPa時的動彈性模量隨動應變幅變化的關系曲線（E～ε曲線）如圖1所示（圖中非接觸式微小位移計測得的數(shù)據由空心圓形圖標代表，接觸式大位移計測得的數(shù)據由實心圓形圖標），圖1中的E～ε曲線為接觸式與非接觸式位移計聯(lián)合測定得到的。由圖可知，在E～ε曲線中，Dr=30%的福建標準砂和Dr=60%的粉煤灰由兩種位移計測得數(shù)據的結合點均為10-4量級。兩條E～ε曲線的軸向應變的最小量級均為10-5，也就是說在軸向應變在10-5～10-4范圍內的E～ε曲線是由非接觸式位移計測得，軸向應變在10-4～10-2范圍內的E～ε曲線是由接觸式位移計測得?？梢?，軸向應變在10-5～10-2范圍內由兩種位移計聯(lián)合測得的E～ε關系曲線光滑連續(xù)，在結合點處結合的很好。另外，由于土料的性質不同，粉煤灰的軸向應變的測試精度要略低于福建標準砂。

以Dr=60%的粉煤灰為土料制備3個獨立試樣分別在初始固結壓力為100kPa、200kPa、300kPa時進行循環(huán)三軸試驗。本次試驗僅采用非接觸式微小位移計進行測量，以便與采用兩種位移計聯(lián)合測定方法獲得的試驗結果進行分析比較，在整個試驗過程中始終將非接觸式位移計置于最大檔。在初始固結壓力為100kPa、200kPa和300kPa時由由不同測量方法得到的E～ε關系曲線如圖2所示（圖中由兩種位移計聯(lián)合測定的結果由空心圖標代表，單獨采用微小位移計測定的結果由實心圖標代表）。相對于初始固結壓力為100kPa時軸向應變的測試精度，初始固結壓力為300kPa時，使用接觸式位移計與非接觸式位移計聯(lián)合使用的方法更能明顯的提高軸向應變的測試精度。

使軸向動應變在10-5～10-2范圍內連續(xù)是使用兩種位移計聯(lián)合測定方法的另一個優(yōu)點，這種方法能夠獲得大小應變兩種數(shù)據。圖3給出了在初始固結壓力為100kPa時粉煤灰試樣的E～ε關系曲線，此時豎向位移計置于0.3mm檔。如圖3可知，當豎向位移計置于0.3mm檔時無法測得大變形的數(shù)據，僅能測得微小變形的數(shù)據，在整個應變測試范圍內不能保證E～ε關系曲線光滑連續(xù)。因此，為了提高應變測試精度，拓寬應變測試范圍必須采用非接觸式位移計與接觸式位移計聯(lián)合使用的方法。

5 結論

本次試驗將接觸式與非接觸式位移計與轉角計聯(lián)合使用以便提高土工測試精度，拓寬應變測試范圍。研究結果表明：對于粉煤灰和福建標準砂的實心圓柱狀試樣，軸向應變在10-5～10-2范圍內由兩種位移計聯(lián)合測得的E～ε關系曲線光滑連續(xù)，在結合點處結合的很好。另外，由于土料的性質不同，粉煤灰的軸向應變的測試精度要略低于福建標準砂。

參考文獻：

[1]孔憲京，張濤，鄒德高.中型動三軸儀研制及微小應變測試技術應用.大連理工大學學報，2005，45（1）：79-84.

[2]何昌榮.動模量和阻尼的動三軸試驗研究.巖土工程學報，1997，19（2）：39-48.

[3]郭瑩，欒茂田，董秀竹等.不同應力條件下砂土動模量特性的試驗對比研究.水利學報，2003，（5）：41-45.

作者簡介：劉洋（1980-），女，遼寧葫蘆島人，巖土工程碩士，工程師；現(xiàn)從事地基與基礎工程檢測。