膨脹土-光纖界面力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

徐洪鐘,孫義杰,權(quán) 政,顧 鵬,李雪紅

(南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,江蘇 南京 210009)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,各類基礎(chǔ)工程建設(shè)的數(shù)量和規(guī)模都發(fā)展迅猛。但與此同時(shí),大量工程災(zāi)害事故也頻繁發(fā)生,如山體滑坡、基坑坍塌、房屋倒塌等,造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1]。如何進(jìn)行及時(shí)和有效的監(jiān)測(cè),已成為現(xiàn)代巖土工程領(lǐng)域重要的課題之一[2]。工程監(jiān)測(cè)一般由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)、監(jiān)控中心等各種軟硬件組成。其中傳感器系統(tǒng)一般指的是感知元件及其組合布置。常規(guī)的傳感器包括差動(dòng)電阻式、鋼弦式、電感式和電阻應(yīng)變計(jì)式等。盡管上述傳感器已取得了廣泛應(yīng)用,但它們普遍存在穩(wěn)定性和耐久性不足的問題,愈來愈難以符合現(xiàn)代巖土工程的監(jiān)測(cè)要求[3]。近些年興起的光纖傳感器作為一種新型的工程監(jiān)測(cè)技術(shù),具有耐久性好、分布范圍廣和長期穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的不足[4]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)光纖傳感器在巖土工程中的應(yīng)用,已開展了大量的研究工作。Miyagawa等[5]結(jié)合光纖傳感技術(shù)研發(fā)了一套邊坡倒塌預(yù)報(bào)系統(tǒng),并對(duì)日本某地區(qū)發(fā)生的滑坡成功進(jìn)行了預(yù)報(bào)。施斌等[6]將布里淵散射光時(shí)域反射(BOTDR)技術(shù)應(yīng)用于南京鼓樓西隧道的監(jiān)測(cè)中,并考慮了隧道內(nèi)溫度、震動(dòng)等環(huán)境因素的影響。Mohamad等[7]采用光纖傳感技術(shù)進(jìn)行基坑連續(xù)墻變形監(jiān)測(cè),測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)測(cè)試結(jié)果相近。張丹等[8]基于光纖光柵技術(shù)(FBG)測(cè)量土體變形,監(jiān)測(cè)了膨脹土失水開裂過程。王宏憲等[9]基于布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)技術(shù),研究膨脹土在干濕循環(huán)中應(yīng)變和裂縫發(fā)展情況,有效地確定了裂縫發(fā)育位置。Lienhart等[10]將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于奧地利南部某滑坡的長期監(jiān)測(cè)中,數(shù)據(jù)與全站儀等傳統(tǒng)方法測(cè)試結(jié)果較吻合。徐洪鐘等[11]設(shè)計(jì)了素膨脹土和纖維加筋膨脹土的干濕循環(huán)對(duì)比試驗(yàn),采用BOTDA技術(shù)獲取了土體內(nèi)部應(yīng)變的變化,檢驗(yàn)了纖維加筋抑制膨脹土變形的效果。

各類工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究表明,光纖應(yīng)變傳感器與被測(cè)物間的變形協(xié)調(diào)性會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果有影響[12-15],而由于土體具有結(jié)構(gòu)疏松、模量低、不均勻、大變形等特點(diǎn),傳感器-土體間的變形耦合性問題將尤為突出。為此部分學(xué)者已開展了相關(guān)工作,如張勇等[16]研究了復(fù)雜變形下光纖土體間的應(yīng)力應(yīng)變傳遞規(guī)律,佘駿寬等[17]研究了不同光纖-砂土界面力學(xué)特性,Zhang等[18-19]建立了光纖-砂土作用力學(xué)模型。但目前對(duì)多因素影響下的光纖-土體相互作用機(jī)制和界面的應(yīng)力應(yīng)變傳遞規(guī)律等仍缺乏很好的認(rèn)識(shí)。本文重點(diǎn)研究了膨脹土-光纖界面力學(xué)性質(zhì),基于拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù),提出了膨脹土-光纖界面的位移-拉力模型,定量分析了土體干密度、含水量和上覆壓力三因素對(duì)土-光纖界面力學(xué)性能的影響。研究成果將為光纖感測(cè)技術(shù)更好地應(yīng)用于巖土體變形監(jiān)測(cè)提供參考。

1 試驗(yàn)原理、裝置和材料

1.1 試驗(yàn)原理

光纖測(cè)量膨脹土體變形時(shí),如圖1所示,在土體自重、上覆壓力及膨脹力等作用下,光纖將有從中心向兩端拉伸變形的趨勢(shì),這種趨勢(shì)相當(dāng)于在光纖的兩端作用軸向拉力。在試驗(yàn)的初始階段即作用于光纖上的軸向拉力較小時(shí),膨脹土和光纖可以視為一個(gè)整體,光纖測(cè)量值可以代表膨脹土的變形量。隨著軸向拉力的不斷增大,膨脹土-光纖界面將逐漸發(fā)生滑移和脫離,此時(shí)光纖與膨脹土間的變形量間將存在偏差,偏差超過一定程度,光纖應(yīng)變測(cè)量值將不再能代表土體變形量。

圖1 試驗(yàn)原理

1.2 試驗(yàn)裝置

光纖與土體間的剪切強(qiáng)度是影響兩者變形協(xié)調(diào)性能的關(guān)鍵。為此,設(shè)計(jì)了一套測(cè)試膨脹土-光纖界面力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)裝置,如圖2和圖3所示。

圖2 實(shí)際試驗(yàn)裝置

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖

結(jié)合圖2和圖3,對(duì)試驗(yàn)裝置中A、B、C、D四部分分別作簡單說明:

A:由環(huán)刀、圍壓裝置、光纖和夾具所組成。圍壓裝置在本試驗(yàn)中采用的是WG型單杠桿固結(jié)儀(中壓),通過增減砝碼來控制施加于環(huán)刀上的上覆壓力,夾具固定試驗(yàn)儀器。

B:由數(shù)顯拉力計(jì)和位移計(jì),軸承平臺(tái)和夾具組成。軸承平臺(tái)遠(yuǎn)離環(huán)刀方向移動(dòng)時(shí),通過位移計(jì)獲取光纖拉伸位移量,拉力計(jì)測(cè)量光纖軸向拉力。拉力、位移值同步實(shí)時(shí)獲取,并自動(dòng)記錄、保存。

C:本區(qū)域?yàn)殡妱?dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī)可以使B中軸承平臺(tái)勻速水平移動(dòng)。電動(dòng)機(jī)與B中的軸承平臺(tái)改裝于ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀。

D:由筆記本電腦和數(shù)據(jù)線所組成。通過數(shù)據(jù)線將計(jì)算機(jī)和數(shù)顯拉力計(jì)、數(shù)顯位移計(jì)連接,方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀取、保存和處理。

1.3 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用直徑2 mm的聚氨酯緊套應(yīng)變光纖,膨脹土取自南京浦口區(qū),其基本物理性質(zhì)見表1。試驗(yàn)用環(huán)刀高為20 mm,直徑為61.8 mm。事先于環(huán)刀壁中部對(duì)稱鉆孔,孔徑略大于光纖直徑。根據(jù)設(shè)計(jì)的壓實(shí)干密度,稱取對(duì)應(yīng)質(zhì)量土樣,并將一半的土樣均勻壓實(shí)至環(huán)刀深度一半位置(10 mm),而后將光纖通過環(huán)刀壁上的孔,施加預(yù)拉應(yīng)力后置于在土體表面,將剩余光纖的末端伸出環(huán)刀15 cm,使得拉伸過程中光纖與膨脹土的接觸面積保持不變,最后將另一半土壓實(shí)至表面與環(huán)刀口齊平。圖4為安裝好光纖的環(huán)刀試樣。

表1 膨脹土的物理性質(zhì)指標(biāo)

圖4 環(huán)刀土樣

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)的影響因素為土體干密度、含水量和上覆壓力,其中干密度分別取1.35 g/cm3、1.40 g/cm3、1.45 g/cm3和1.50 g/cm3,含水量分別取16%、20%、24%、28%、32%和36%,土體的上覆壓力分別取12.5 kPa、25.0 kPa、37.5 kPa和62.5 kPa。試驗(yàn)采用控制變量法,例如上覆壓力取12.5 kPa、25.0 kPa、37.5 kPa和62.5 kPa時(shí),其他2個(gè)影響因素保持不變。不同條件下光纖位移與作用在光纖上的軸向拉力間關(guān)系曲線如圖5～7所示。

圖5 不同干密度下界面位移-拉力曲線

圖6 不同含水量下界面位移-拉力曲線

圖7 不同上覆壓力下界面位移-拉力曲線

從圖5～7可以看出,不同影響因素下的膨脹土-光纖界面的位移-拉力曲線變化規(guī)律有較高的相似性。以影響因素中的土體干密度(圖5)為例來說明曲線變化的相似規(guī)律:首先,在同一干密度下,隨著位移的增大,界面拉力不斷增大,且增大的速度基本保持不變。當(dāng)位移達(dá)到一定值時(shí),拉力達(dá)到峰值(此時(shí)拉力為峰值拉力,對(duì)應(yīng)位移為峰值位移)。然后隨著位移的增大,拉力逐漸減小。試驗(yàn)的后期,隨著位移的繼續(xù)增大,拉力逐漸趨于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值(此時(shí)拉力為殘余拉力,對(duì)應(yīng)位移為殘余位移);其他條件不變時(shí),土體干密度越大,膨脹土-光纖界面的峰值拉力越大,峰值拉力對(duì)應(yīng)的峰值位移也越大,殘余拉力和殘余位移均隨土體干密度的增大而增大。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

土體不同干密度、含水量和上覆壓力下,各膨脹土-光纖界面位移-拉力關(guān)系曲線均可以簡化成一條分段曲線, 符合三段式的拉拔力-拉拔位移關(guān)系模型[17-19], 如圖8所示。

圖8 膨脹土-光纖界面位移-拉力曲線模型

圖8中,膨脹土-光纖界面位移-拉力曲線可以分為以下3個(gè)階段:

階段Ⅰ:試驗(yàn)開始階段,隨著位移的增大,拉力線性增加。此階段由于拉力較小,光纖和膨脹土界面之間存在摩擦力和黏聚力,光纖和膨脹土界面未發(fā)生相對(duì)滑移,位移對(duì)應(yīng)光纖的受拉伸長和膨脹土界面剪切層的剪切變形。

階段Ⅱ:在峰值位移點(diǎn),拉力達(dá)到峰值,此時(shí)界面上的剪切應(yīng)力已經(jīng)從受拉端傳遞到了光纖尾端,剪切應(yīng)力達(dá)到界面的最大靜摩擦力。膨脹土界面剪切層逐漸發(fā)生剪切破壞和界面剝離,此時(shí)拉力開始下降,峰值位移過后膨脹土-光纖界面出現(xiàn)相對(duì)滑移。

階段Ⅲ:膨脹土界面完全破壞后,光纖和膨脹土界面發(fā)生相對(duì)移動(dòng),界面作用力以滑動(dòng)摩擦力為主,并基本保持不變,此時(shí)穩(wěn)定值稱為殘余拉力。

該模型中,主要涉及3個(gè)變量,即峰值拉力、峰值位移和殘余拉力。根據(jù)界面模型和光纖的實(shí)際應(yīng)用可知,當(dāng)位移大于峰值位移時(shí),膨脹土-光纖界面出現(xiàn)相對(duì)滑移,光纖測(cè)量得到的數(shù)據(jù)開始部分失效。故峰值位移越大越好(其對(duì)應(yīng)峰值拉力也越大),因?yàn)檫@樣光纖測(cè)量得到的有效位移、拉力范圍更廣。而當(dāng)拉力接近殘余拉力時(shí),膨脹土-光纖界面發(fā)生滑移和脫離,此時(shí)光纖監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)已基本完全失效。故殘余拉力越小越好,因?yàn)槟芨缗袛喑龉饫w監(jiān)測(cè)是否完全失效。

光纖的力學(xué)性能取決于其和被監(jiān)測(cè)基體之間界面應(yīng)力傳遞能力,而能反映傳遞能力大小的正是界面剪切強(qiáng)度[14]。下面分析上述3個(gè)因素對(duì)膨脹土-光纖界面剪切強(qiáng)度(峰值剪切強(qiáng)度和殘余剪切強(qiáng)度)的影響, 其中峰值剪切強(qiáng)度和殘余剪切強(qiáng)度的定義如下:

(1)

(2)

式中:up、ur為峰值剪切強(qiáng)度和殘余剪切強(qiáng)度;Fp、Fr為峰值拉力和殘余拉力;A為膨脹土-光纖界面接觸面積;d為光纖外徑;D為環(huán)刀內(nèi)直徑。

圖9 干密度-界面剪切強(qiáng)度關(guān)系

圖9～11分別為土體干密度、含水量和上覆壓力3個(gè)因素對(duì)膨脹土-光纖界面剪切強(qiáng)度的影響,圖中分別對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了線性擬合,得出擬合段的方程(圖中ρd為膨脹土干密度；w為含水量；σv為上覆壓力)。

圖10 含水量-界面剪切強(qiáng)度關(guān)系

圖11 上覆壓力-界面剪切強(qiáng)度關(guān)系

圖9表明在其他條件不變時(shí),膨脹土-光纖界面剪切強(qiáng)度與干密度成高度線性正比關(guān)系,土體干密度越大,光纖與接觸土體之間的咬合越緊密,光纖越不容易從土體中拔出,剪切強(qiáng)度值越大;圖10表明在其他條件不變時(shí),膨脹土-光纖界面峰值剪切強(qiáng)度、殘余剪切強(qiáng)度與土體含水量成近似線性反比關(guān)系;圖11表明在其他條件不變時(shí),膨脹土-光纖剪切強(qiáng)度與上覆壓力近似線性正相關(guān),這可以利用庫倫公式作相應(yīng)的解釋——即假設(shè)界面黏聚力和界面摩擦角不變,上覆壓力(界面法向應(yīng)力)越大,界面剪切強(qiáng)度也越大,且上覆壓力與界面剪切強(qiáng)度成線性正比關(guān)系。

3 結(jié) 論

a. 設(shè)計(jì)的測(cè)量膨脹土-光纖界面力學(xué)的試驗(yàn)裝置,可有效獲得不同土體干密度、含水量、上覆壓力下膨脹土-光纖界面的位移-拉力變化關(guān)系曲線。

b. 不同位移-拉力曲線具有相似的發(fā)展規(guī)律,即拉力隨位移先線性增大至峰值,然后逐步降低,最終趨于穩(wěn)定值,并據(jù)此得到了符合膨脹土-光纖界面的位移拉力變化的3段式曲線模型。

c. 光纖-膨脹土界面剪切強(qiáng)度與土體干密度和上覆壓力成線性正比關(guān)系,而與土體含水量成線性反比關(guān)系。

需要指出的是,本文研究不同因素對(duì)光纖-土界面力學(xué)特性影響時(shí),均是采用控制變量的方法,即改動(dòng)單一參數(shù)的變化下的結(jié)果,關(guān)于多因素協(xié)同變化下的影響還需要做更多的試驗(yàn)進(jìn)行研究。.