基于土體變形特性的三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

趙洪元　吳貴艷

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴州　550081)

基于土體變形特性的三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

趙洪元吳貴艷

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴州550081)

摘要三軸試驗(yàn)是一種重要的土工試驗(yàn)方法，同樣不可避免地存在各種誤差，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，高精密電子量測(cè)元件、數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)的應(yīng)用，使三軸試驗(yàn)的精度得到較大提高，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也變得極為豐富，如何從如此繁雜的數(shù)據(jù)中提煉出正確有效的數(shù)據(jù)則是有待解決的問(wèn)題。以三軸試驗(yàn)測(cè)得土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線為例，基于土的變形特性，論述了如何扣除試驗(yàn)的系統(tǒng)誤差。

關(guān)鍵詞重塑粉質(zhì)黏土三軸試驗(yàn)試驗(yàn)誤差土體變形特性

三軸試驗(yàn)以試驗(yàn)過(guò)程中能較接近地模擬天然土樣的受力狀態(tài)、且能夠控制排水條件測(cè)定孔隙水壓力、求得有效應(yīng)力的強(qiáng)度指標(biāo)等其他試驗(yàn)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，而成為一種重要的土工試驗(yàn)方法[1-2]。但三軸試驗(yàn)存在各種誤差，有端部接觸問(wèn)題、端部約束問(wèn)題和試驗(yàn)儀器引起的系統(tǒng)誤差等。如何減小誤差提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，很多學(xué)者開展了一系列研究，如王助貧[3]、邵龍?zhí)兜萚4-5]，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像測(cè)量技術(shù)研究了端部接觸問(wèn)題、端部約束問(wèn)題等引起的試樣變形誤差。張魯渝等[6]利用霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)量了試樣剪切過(guò)程中的局部應(yīng)變，采用霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)得的位移可有效地消除或減少基座誤差、端部約束誤差和儀器柔性誤差。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，高精密電子量測(cè)元件的使用使得三軸試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)更為精確，數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化使得三軸試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)更為豐富。利用高精密全自動(dòng)化的三軸儀器研究土的強(qiáng)度時(shí)，不但可以實(shí)時(shí)觀察所測(cè)數(shù)據(jù)，而且能夠較精確地測(cè)試土的強(qiáng)度、變形、孔隙水壓力、體積變化等相關(guān)參數(shù)，調(diào)整數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔可以獲得想關(guān)注的更多數(shù)據(jù)，但是處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)也變得困難，如何從如此繁雜的數(shù)據(jù)中提煉出正確有效的數(shù)據(jù)則是有待解決的問(wèn)題。本文以三軸試驗(yàn)測(cè)得土體變形的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線為例，論述了如何扣除試驗(yàn)的系統(tǒng)誤差。

1土的變形特性

土是一種非線性的彈塑-粘滯可壓縮介質(zhì)，非線性指應(yīng)變?cè)隽侩S應(yīng)力增加而變化，彈性表現(xiàn)為受外力作用的土體在外力卸除后具有可恢復(fù)的變形，而不可恢復(fù)的變形即表現(xiàn)為塑性，隨時(shí)間而發(fā)展的變形則表現(xiàn)為粘滯性。《土力學(xué)的流變?cè)怼穂7]一書中指出，根據(jù)土的塑性粘滯流動(dòng)曲線，可以分出3個(gè)臨界應(yīng)力值。第一個(gè)臨界應(yīng)力是相對(duì)的彈性極限τk，在應(yīng)力小于τk時(shí)不產(chǎn)生流動(dòng)。不過(guò)變形可能不僅是彈性的，而且亦有塑性的，不可逆的。一般地說(shuō)，還可以分出τe<τk極限。應(yīng)力小于τe時(shí)變形將是純彈性的。非結(jié)構(gòu)性的土以水膠連結(jié)占優(yōu)勢(shì)，極限τk將十分小，這些土可以視之為液體，并可假設(shè)τk=0。第二個(gè)臨界應(yīng)力是相對(duì)流動(dòng)極限τT,在應(yīng)力超過(guò)這個(gè)極限之前，蠕動(dòng)變形雖然可能，但速度很小或有衰減特征，此時(shí)土的結(jié)構(gòu)未破壞。在應(yīng)力超過(guò)極限τT后，土的結(jié)構(gòu)被破壞，流動(dòng)速度急劇地增長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。第三個(gè)臨界應(yīng)力τf相當(dāng)于結(jié)構(gòu)的完全破壞。此時(shí)對(duì)于結(jié)構(gòu)的和非結(jié)構(gòu)土的流動(dòng)速度和應(yīng)力之間的關(guān)系是非線性的，并且基本的非線性在從大的速度過(guò)渡到小的速度時(shí)就表現(xiàn)出來(lái)?？梢钥闯?，在不同的應(yīng)力水平作用下，變形呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)特征，土體在小于τe時(shí)的變形是純彈性的。

2試驗(yàn)儀器及方案

為測(cè)得土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，采用GDS三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行飽和狀態(tài)三軸試驗(yàn)。

2.1試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣為粉質(zhì)黏土，主要物性參數(shù)見表1。最大干密度和最優(yōu)含水率使用Z2重型擊實(shí)試驗(yàn)[8]得到，由量瓶法測(cè)得顆粒密度，使用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)得液限和塑限，采用篩析法及密度計(jì)法聯(lián)合測(cè)定得到顆粒粒徑分布數(shù)據(jù)，即5～0.075mm粒徑(粗粒)約占22.23%，0.075～0.005mm粒徑(粉粒)約占48.29%，0.005～0.002mm粒徑(黏粒)約占18.74%。

表1　試驗(yàn)土樣基本物性參數(shù)

2.2試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)所用GDS三軸試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1，整套GDS三軸試驗(yàn)儀主要是由：①壓力室和軸向加壓設(shè)備；②圍壓施加系統(tǒng)(最大2MPa)；③反壓、體積控制設(shè)備；④孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)；⑤計(jì)算機(jī)控制和分析系統(tǒng)等組成。壓力室中盛裝試樣和水，水充當(dāng)圍壓傳遞媒介，由圍壓控制器對(duì)壓力室中的水加壓，再通過(guò)水將圍壓力施加到試樣上。反壓控制器量測(cè)、控制試樣中的孔隙水壓力，以及試樣中孔隙水的體積變化。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制與分析系統(tǒng)，GDS可以實(shí)現(xiàn)從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)10Hz(峰值1mm)控制軸向位移或軸向力。利用LVDT局部應(yīng)變傳感器量測(cè)試樣軸向和徑向應(yīng)變。通過(guò)壓電陶瓷彎曲元測(cè)試試樣在小應(yīng)變情況下的動(dòng)剪切模量。

a)GDS土體三軸試驗(yàn)系統(tǒng)b)壓力室c)圍壓控制器

圖1GDS三軸試驗(yàn)系統(tǒng)

2.3試驗(yàn)方案

制備1組壓實(shí)度100%的粉質(zhì)黏土重塑試樣，對(duì)試樣進(jìn)行飽和，在100,200,300,400kPa圍壓下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)三軸試驗(yàn)，見表2，制備試樣的物理指標(biāo)見表3。為提高試驗(yàn)精度，避免溫度變化對(duì)試驗(yàn)儀器和測(cè)量裝置產(chǎn)生干擾，試驗(yàn)在26 ℃的恒溫室內(nèi)進(jìn)行，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為10s。

表2　試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

表3　制備試樣的物理指標(biāo)

3試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

3.1三軸試驗(yàn)剪切后的破壞形態(tài)

按試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)制備的試樣進(jìn)行飽和狀態(tài)的三軸試驗(yàn)。試驗(yàn)后試樣的破壞形態(tài)見圖2。

圖2　試樣剪切后破壞形態(tài)

3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

對(duì)制備的試樣進(jìn)行飽和狀態(tài)下的三軸剪切試驗(yàn)，可測(cè)得各試樣在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，見圖3。

a)　圍壓100 kPa

b)　圍壓200 kPa

基于土的變形特性，當(dāng)偏應(yīng)力作用到試樣上時(shí)，試樣就會(huì)產(chǎn)生變形，隨著偏應(yīng)力的增加試樣的變形也逐漸增大，在較小的偏應(yīng)力范圍內(nèi)試樣發(fā)生純彈性變形即變形隨偏應(yīng)力成線性增大。隨著偏應(yīng)力的進(jìn)一步增加變形增量卻逐漸減小呈非線性增大，直至達(dá)到試樣所能承受的最大偏應(yīng)力。由圖3可見，當(dāng)較小偏應(yīng)力作用在試樣上時(shí)就有較大變形，此時(shí)的土體變形模量也遠(yuǎn)小于隨后的土體變形模量，且可以看出在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線有明顯的拐點(diǎn)，這不符合土的變形特性。分析可知，偏應(yīng)力加載前期出現(xiàn)較大變形是由端部接觸問(wèn)題引起，屬于系統(tǒng)誤差范疇，即試驗(yàn)開始時(shí)施加偏應(yīng)力的加載桿、試樣頂帽、透水石、濾紙和土樣相互之間的接觸產(chǎn)生的壓密變形，這種變形并不是土樣真實(shí)的變形，若將該變形疊加到土樣的變形上就會(huì)導(dǎo)致土樣變形量測(cè)的不準(zhǔn)確，因此在處理數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)扣除該部分變形，該部分的變形量扣除多少比較接近實(shí)際，需根據(jù)土的變形特性而定。土在小應(yīng)力水平下變形與應(yīng)力成線性變化，因此可以取應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線中拐點(diǎn)后的直線段用線性擬合，得到的擬合直線與橫軸的交點(diǎn)即可近似做為變形開始的起點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理后見圖4。

a)　圍壓100 kPa

b)　圍壓200 kPa

由上述分析可知，三軸試驗(yàn)測(cè)試土的變形時(shí)因端部接觸問(wèn)題的存在會(huì)引起土樣變形測(cè)量的不準(zhǔn)確，因此建議處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)根據(jù)土體的變形特性對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的修正，以減小人為誤差的引入。

4結(jié)論

基于三軸試驗(yàn)測(cè)得試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，探討三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理應(yīng)注意的問(wèn)題有如下結(jié)論：

(1) 在較小的偏應(yīng)力范圍內(nèi)土體將發(fā)生純彈性變形，變形隨偏應(yīng)力成線性增大。隨著偏應(yīng)力的進(jìn)一步增加變形增量卻逐漸減小呈非線性增大，直至達(dá)到試樣所能承受的最大偏應(yīng)力。

(2) 三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差應(yīng)扣除，扣除誤差量的大小可根據(jù)土體小變形時(shí)變形與應(yīng)力成線性關(guān)系確定，以減少人為誤差的引入。

參考文獻(xiàn)

[1]朱思哲,劉虔,包承綱,等.三軸試驗(yàn)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出社,2003.

[2]李廣信.高等土力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出社,2004.

[3]王助貧,邵龍?zhí)?三軸試驗(yàn)土樣的端部影響問(wèn)題研究[J].巖土力學(xué),2003,24(3):363-368.

[4]邵龍?zhí)?王助貧,韓國(guó)城等.三軸試驗(yàn)土樣徑向變形的計(jì)算機(jī)圖像測(cè)量[J].巖土工程學(xué)報(bào),2001,23(3):337-341.

[5]邵龍?zhí)?王助貧,劉永祿.三軸土樣局部變形的數(shù)字圖像測(cè)量方法[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(2):159-163.

[6]張魯渝,孫樹國(guó),鄭穎人.霍爾效應(yīng)傳感器在土工試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào),2004,26(5):706-708.

[7]CC維亞洛夫.土力學(xué)的流變?cè)韀M].杜余培，譯.北京：科學(xué)出版社,1987.

[8]TB10102-2010鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：中國(guó)鐵道出版社,2010.

收稿日期：2014-11-28

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.051