土石混合體大型直剪設(shè)備研發(fā)與應(yīng)變鎖骨強(qiáng)度特征試驗(yàn)研究*

李志清 文吉英 姚國(guó)明 周應(yīng)新 胡瑞林 胡 峰

(①中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,中國(guó)科學(xué)院頁巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029,中國(guó))(②中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049,中國(guó))(③中國(guó)科學(xué)院地球科學(xué)研究院,北京 100029,中國(guó))(④中南冶勘資源環(huán)境工程有限公司,武漢 430035,中國(guó))(⑤北京中巖天地科技有限公司,北京 101513,中國(guó))(⑥保山隆營(yíng)高速公路有限公司,保山 678000,中國(guó))(⑦云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司,昆明 650100,中國(guó))

0 引 言

土石混合體(soil-rock mixture,SRM)是經(jīng)歷一定地質(zhì)作用形成,既不同于一般的均質(zhì)土體,又不同于一般的碎裂巖體,是一種介于均質(zhì)土體和碎裂巖體之間的特殊工程地質(zhì)材料(廖秋林等,2006)。土石混合體是由塊石作為粗骨料及黏土、粉土或砂作為細(xì)骨料組成的含石量在30%到70%之間的原位或擾動(dòng)地質(zhì)體(郭國(guó)慶,2018; 胡峰等,2018),具有較強(qiáng)的異質(zhì)性特征(Wu et al.,2019; 蘭恒星等,2022)。碎石土強(qiáng)調(diào)的是塊石與土的混合狀態(tài),粗粒土強(qiáng)調(diào)的是由粗粒與細(xì)粒組成的擾動(dòng)混合土,而土石混合體強(qiáng)調(diào)的是因含石量及其形態(tài)不同導(dǎo)致的差異性結(jié)構(gòu)特征。土石混合體在我國(guó)分布廣泛,長(zhǎng)江上游100km2范圍內(nèi)的發(fā)育1736個(gè)滑坡,總體積133.97×108m3,其中64%為堆積層土石混合體滑坡(夏金梧等,1997)。土石混合體的力學(xué)特性是該類介質(zhì)的研究重點(diǎn),一般采用數(shù)值模擬方法或試驗(yàn)測(cè)試方法,試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備主要包括大型三軸儀與直剪儀。

直剪儀是最早并直接測(cè)定地質(zhì)體抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)設(shè)備,但存在不能控制排水條件、剪切過程中試樣有效面積逐漸減少、主應(yīng)力方向變化等缺點(diǎn)(錢家歡,1995)。而直剪試驗(yàn)由于其操作簡(jiǎn)便、適用范圍廣而應(yīng)用最為普遍(Jewell,1989),其所測(cè)得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)能基本代表整個(gè)滑動(dòng)面上的平均值,用于土石邊坡圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算更為合理(劉斯宏等,2010)。因此,研發(fā)一臺(tái)大型直剪設(shè)備,對(duì)于深入研究土石混合體的物理力學(xué)特性至關(guān)重要。

第1臺(tái)現(xiàn)代應(yīng)力控制直剪儀是1932年Casagrande在哈佛大學(xué)設(shè)計(jì)的。1936年麻省理工學(xué)院將位移控制引入到直剪儀試驗(yàn)中,研究巖土材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和峰值后的強(qiáng)度特性(Lings et al.,2004)。Jewell(1989)改進(jìn)了傳統(tǒng)直剪儀,提出了“對(duì)稱直剪試驗(yàn)”的概念,即將傳力板與上剪切盒在剪切過程中保持固定連接,形成與下剪盒對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。Potyondy(1961)最早采用直剪儀研究了巖土體與混凝土接觸面的力學(xué)特性。Desai et al.(1985)研制了多自由度循環(huán)剪切儀。Fakharian et al.(1997)研制了循環(huán)三維接觸面剪切儀。目前國(guó)外生產(chǎn)的大型直剪設(shè)備以Whkeham Farrance大型直剪儀為主要代表,該設(shè)備可以測(cè)試邊長(zhǎng)為300mm或12英寸的方形試樣。

國(guó)內(nèi)1972年第三機(jī)械工業(yè)部勘測(cè)公司最早研制了現(xiàn)場(chǎng)大型剪力儀,剪切環(huán)的內(nèi)徑356.9mm,高140mm,可實(shí)現(xiàn)垂直壓力與試樣同步移動(dòng),解決了剪切過程中垂直壓力的偏心問題(第三機(jī)械工業(yè)部勘測(cè)公司,1974)。長(zhǎng)沙交通學(xué)院研制了室內(nèi)大型直剪儀,每個(gè)剪力盒直徑和高度分別為15.2cm和6.0cm(周志剛等,1999)。清華大學(xué)巖土工程研究所研制的大型土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)加載剪切儀,剪切盒尺寸為500mm×360mm(張嘎等,2003)。長(zhǎng)江科學(xué)研究院研發(fā)了DHJ60型疊環(huán)式剪切試驗(yàn)機(jī),試樣尺寸為600mm×600mm×600mm的立方體,該直剪儀消除了常規(guī)直剪儀中剪切面單一的缺點(diǎn),使試樣有可能沿最弱的剪切面發(fā)生破壞(周小文等2005)。重慶交通科研設(shè)計(jì)院研發(fā)了新型土石混合料室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)系統(tǒng),剪切盒分為1000mm×1000mm×800mm 或 500mm×500mm×400mm兩種,實(shí)現(xiàn)了正應(yīng)力恒定,并可鎖定剪切面中心位置(董云等,2005)。中國(guó)科學(xué)院武漢巖土所研制了大型現(xiàn)場(chǎng)室內(nèi)兩用應(yīng)變控制式直剪儀最大剪切位移可達(dá)140mm(閔弘等,2006)。四川大學(xué)研制了大型粗粒土直剪試驗(yàn)機(jī),采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)來固定剪切面中心位置,采用線性比例調(diào)壓技術(shù)使正應(yīng)力恒定,剪切盒邊長(zhǎng)100cm,最大剪切位移達(dá)到50cm(徐進(jìn)等,2008)。南京水利科學(xué)研究院研制了高性能大接觸面直剪儀,剪切盒尺寸為500mm×500mm,適用于粗粒土與其他建筑材料接觸面的力學(xué)特性研究(蔡正銀等,2010)。吉林大學(xué)巖土工程實(shí)驗(yàn)室研制了SZJ8-2型數(shù)字顯示巖芯直剪儀,剪切盒尺寸為孔徑50mm,孔深為上下各25mm,可進(jìn)行巖芯尺寸的剪切試驗(yàn)(羅永江等,2010)。河海大學(xué)劉斯宏等(2010)研制了便攜性現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)兩用直剪儀,設(shè)計(jì)了十字形剪切框,采用柔性繩鏈張拉剪切框,使試樣受剪,凈空幾何尺寸為長(zhǎng)×寬×高=14.1cm×14.1cm×2.5cm。紹興文理學(xué)院杜時(shí)貴等(2010)針對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度量測(cè)問題研發(fā)了多尺度直剪試驗(yàn)儀,試樣最大尺寸可達(dá)50cm×50cm。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李志清等(2012)研發(fā)了室內(nèi)土石混合體大型直剪儀,可進(jìn)行直剪試驗(yàn)與疊環(huán)試驗(yàn),剪切盒尺寸為30cm×30cm×30cm。南京林業(yè)大學(xué)研制了大型多功能凍土-結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)-20～0℃范圍內(nèi)對(duì)接觸面溫度的精確控制,能夠模擬多種粗糙度的接觸面,實(shí)現(xiàn)循環(huán)和單調(diào)兩種剪切形式,試樣尺寸為長(zhǎng)20cm×寬10cm(趙聯(lián)楨等,2013)。河海大學(xué)施建勇等(2013)研發(fā)了斜面剪切儀,剪切面為橢圓,長(zhǎng)軸距為316mm,短軸距為300mm,可研究填埋場(chǎng)斜坡上的襯墊結(jié)構(gòu)在垂直應(yīng)力作用下沿斜坡滑移的剪切狀態(tài)。北京交通大學(xué)研發(fā)了凍土動(dòng)荷載直剪儀,將水平靜載部分改造為動(dòng)荷載作動(dòng)器,可以提供0.1～6Hz、20kN的動(dòng)荷載,上直剪盒尺寸為150mm×150mm×40mm(長(zhǎng)×寬×高),下直剪盒尺寸為150mm×150mm×30mm(長(zhǎng)×寬×高)(崔穎輝等,2013)。桂林理工大學(xué)研發(fā)了組裝式兩用大型直剪儀,試樣直徑34cm,高33cm,最大開縫12mm,整體可進(jìn)行拆裝(邢心魁等,2013)。成都理工大學(xué)研制了粗粒土大型剪切試驗(yàn)系統(tǒng),可用于剪切帶變形特征分析,試樣規(guī)格為Φ618mm×H500mm的圓柱樣(張茜等,2015)。國(guó)內(nèi)外主要大型直剪儀的性能與參數(shù)對(duì)比如表1所示。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所克服目前大型直剪儀存在的正應(yīng)力不恒定、垂直荷載偏心、剪切破壞面固定、液壓系統(tǒng)控制不穩(wěn)定等測(cè)試問題,研發(fā)了SRM-1000型電機(jī)伺服控制大型土工抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱SRM設(shè)備)(李志清等,2018)。

表1 國(guó)內(nèi)外部分大型直剪儀設(shè)備參數(shù)對(duì)比

采用大型直剪設(shè)備進(jìn)行土石混合體強(qiáng)度測(cè)試,與一般的土體的強(qiáng)度測(cè)試具有很大區(qū)別。作者采用該研發(fā)設(shè)備,進(jìn)行了土石混合體大型直剪強(qiáng)度試驗(yàn),揭示了土石混合體剪切帶的變形特性(胡峰等,2018; 江強(qiáng)強(qiáng)等,2020)和剪應(yīng)力波動(dòng)、跌落行為(胡峰等,2021)。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明,土石混合體剪切帶附近的塊石棱角在剪切過程中會(huì)發(fā)生咬合鎖固作用(Guo et al.,2007)。現(xiàn)場(chǎng)原位土石混合體直剪試驗(yàn)表明,剪切過程中由于顆粒破碎,會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力跳躍的現(xiàn)象(徐文杰等,2008)。在土石混合體三軸試驗(yàn)中也可以觀察到明顯的應(yīng)力驟降現(xiàn)象(夏加國(guó)等,2017),尤其是以硬巖為主的土石混合體三軸剪切試驗(yàn),剪應(yīng)力跳躍現(xiàn)象會(huì)更加明顯(董云等,2005; 鄧華鋒等,2013)。采用數(shù)值模擬方法,如未考慮塊石間剪斷或破碎的影響,一般只能模擬出高含石量條件下的應(yīng)力“波動(dòng)”(嚴(yán)穎等,2017),很難模擬出應(yīng)力的驟降現(xiàn)象。因此,采用大型直剪設(shè)備開展土石混合體的強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究,對(duì)于認(rèn)識(shí)土石混合體力學(xué)特性、評(píng)價(jià)土石混合體邊坡穩(wěn)定性等方面,具有重要應(yīng)用價(jià)值。

1 設(shè)備概況

1.1 主要功能

SRM設(shè)備可用于研究土石混合體大尺度、蠕變、凍融與滲流多物理場(chǎng)電機(jī)伺服控制條件下抗剪強(qiáng)度與變形測(cè)試。具體功能包括:飽和/非飽和水平直剪/反復(fù)直剪強(qiáng)度試驗(yàn); 飽和/非飽和高壓固結(jié)試驗(yàn); 飽和/非飽和凍融循環(huán)條件下的直剪/反復(fù)直剪試驗(yàn); 飽和/非飽和斜剪強(qiáng)度試驗(yàn); 飽和/非飽和剪切帶變形試驗(yàn)(疊剪試驗(yàn))等。SRM設(shè)備變傳統(tǒng)油壓為電機(jī)伺服控制,可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期蠕變性能控制。

1.2 設(shè)備組成

SRM設(shè)備主要包括垂直荷載加載系統(tǒng)、水平荷載加載系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、剪切盒、量測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與軟件控制系統(tǒng)、框架裝置與導(dǎo)軌部件、吊裝及輔助系統(tǒng)等,如圖1所示。

圖1 SRM-1000型伺服控制大型土工抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 主機(jī)系統(tǒng)

主要包括垂直荷載加載系統(tǒng)、水平荷載加載系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)等,設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 SRM-1000型伺服控制大型土工抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)圖

(1)垂直荷載加載系統(tǒng):由伺服電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)、升降機(jī)、傳感器組成。垂直荷載加載架可向試樣施加垂直荷載,機(jī)架上橫梁內(nèi)安裝伺服控制電機(jī)。

(2)水平荷載加載系統(tǒng):水平加載是通過下剪切盒向試樣施加剪切力,水平固定端連接上剪切盒,水平加載端剛性連接下剪切盒,施加水平推力與拉力。

(3)伺服控制系統(tǒng):由計(jì)算機(jī)、伺服控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、傳感器及控制軟件組成。計(jì)算機(jī)將控制命令發(fā)送給控制器,根據(jù)傳感器傳回?cái)?shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)發(fā)出命令進(jìn)行對(duì)比和計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)伺服電機(jī)發(fā)出控制指令,電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿動(dòng)作,使傳感器示值發(fā)生變化,并再次傳送到控制部分,組成伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)。伺服控制系統(tǒng)主要用于水平荷載與垂直荷載控制。

1.2.2 剪切盒

剪切盒尺寸包括30cm和50cm兩種,類型包括:水平直剪剪切盒、斜剪剪切盒、疊剪變形剪切盒、低溫凍融剪切盒4種,如圖3所示。

圖3 具備不同功能的剪切壓力盒設(shè)計(jì)圖

直剪剪切盒由上剪切盒、下剪切盒、開縫控制單元、防翹滑軌機(jī)構(gòu)、底板、透水板等組成(圖3a)。上剪切盒與下剪切盒采用具有支撐架的滾動(dòng)軸承的防翹滑軌機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)上下剪切盒之間的摩擦為滾動(dòng)摩擦。剪切過程中由于剪切盒前后剪切力不均勻性,上盒發(fā)生上翹的現(xiàn)象,該剪切盒增加了滾動(dòng)軸承約束機(jī)構(gòu),保證上盒在導(dǎo)軌中移動(dòng),并且磨阻力為滾動(dòng)摩擦力。剪切盒的結(jié)構(gòu)保證上下剪切盒在剪切過程中剪切材料剝離剪切盒的問題。剪切盒的開縫調(diào)節(jié)范圍為10～30mm,其中上下盒的調(diào)節(jié)范圍分別為5～15mm。剪切盒內(nèi)安置了8個(gè)側(cè)壓力傳感器,位置處于各側(cè)面的中部,測(cè)量壓縮或剪切過程中側(cè)壓力的變化。底板上留有進(jìn)氣水通道,可以實(shí)現(xiàn)抽氣、進(jìn)液等功能,并設(shè)置水槽結(jié)構(gòu),保證剪切面飽和等需要。斜剪剪切盒由上斜剪盒、下斜剪盒、開縫控制單元、防翹滑軌機(jī)構(gòu)、水槽、滾珠軸排等組成(圖3b)。剪切過程中,上下斜剪切盒沿開縫控制滑移,使試樣發(fā)生剪斷,剪切面處法向應(yīng)力保持不變,垂直壓力逐漸變小。疊剪剪切盒上剪切盒、下剪切盒、疊環(huán)組件、滑軌機(jī)構(gòu)等組成(圖3c)。剪切面尺寸為500mm×500mm,上盒高度為250mm,下盒高度為160mm,疊環(huán)200mm分10層。疊環(huán)之間使用滾珠軸承,減小摩擦阻力。疊環(huán)上的測(cè)量桿連接位移計(jì),可以測(cè)量該疊環(huán)的位移,獲得剪切過程中的軟弱變形帶尺寸。低溫凍融剪切盒由上剪切盒、下剪切盒、開縫控制結(jié)構(gòu)、滑軌機(jī)構(gòu)、保溫蓋層、保溫箱、溫度測(cè)量裝置等組成(圖3d)。剪切面尺寸為300mm×300mm,上盒高度為250mm,下盒高度為150mm。上剪切盒與下剪切盒的連接方式采用直剪剪切盒的方式,采用滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),達(dá)到放置上盒剪切上翹,減小上下盒間的摩擦阻力。設(shè)置了保溫箱用于控制剪切溫度,并在上下剪切盒的四周設(shè)計(jì)通水管道。恒溫冷浴作為冷源或熱源,利用水泵將冷凍液泵入循環(huán)管道,剪切盒的四壁將冷熱量傳遞到試樣,對(duì)試樣的溫度進(jìn)行控制。設(shè)置試樣溫度傳感器,控制水泵工作,達(dá)到控溫的目的。剪切盒采用方形設(shè)計(jì),大剪盒內(nèi)可套裝小剪盒,形成多尺度量測(cè)設(shè)計(jì)。剪切盒系統(tǒng)分為上、下剪切盒,且上下剪切盒間配有滾珠軸排、鎖緊裝置,并可調(diào)節(jié)開口寬度。通過寬度的調(diào)節(jié),可有效的擴(kuò)展剪切帶范圍。上剪盒頂部和下剪盒底部設(shè)有透水板和集水槽,下剪盒還設(shè)有放水孔和放水閥。

1.2.3 量測(cè)主系統(tǒng)

量測(cè)系統(tǒng)主要采用各種傳感器及顯示控制系統(tǒng)對(duì)垂直荷載、垂直位移、水平荷載、水平位移、孔隙水壓力等參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與顯示。采用單片機(jī)控制單元,用一臺(tái)上位機(jī)控制多臺(tái)下位機(jī)的控制方式,解決控制系統(tǒng)問題,采用多機(jī)通信方式提高儀器的性能,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性(蔡正銀等,2010)。

1.2.4 數(shù)據(jù)采集與軟件控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定時(shí)間間隔對(duì)垂直荷載、垂直位移、水平荷載、水平位移、孔隙水壓力等參量進(jìn)行記錄、顯示與處理。采用Delphi編程,利用Table組件管理數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)采集方面,引入Spcomm控件,根據(jù)控制單元間通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)回傳、指令發(fā)出等功能(蔡正銀等,2010)。數(shù)據(jù)采集通過數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)傳到由計(jì)算機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集卡,由配套軟件控制。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

(1)剪切盒內(nèi)尺寸:上盒 500mm×500mm×350mm; 下盒 500mm×625mm×250mm。

(2)上下剪切盒間隙可調(diào)范圍:0～50mm。

(3)法向載荷、水平荷載:0～1000kN,精度0.34kN。

(4)側(cè)壓力測(cè)量范圍:0～1000kN,測(cè)量誤差小于0.5% FS。

(5)應(yīng)力加載速率:0.025～4.00mm·min-1。

(6)水平剪切位移與垂直位移:0～100mm,分辨率0.05mm; 疊剪位移:0～100mm,分辨率0.02mm。

(7)電源:220V,50Hz,功率:3000 W,三相電源。

2 設(shè)備的設(shè)計(jì)研究

2.1 設(shè)備工作原理

SRM設(shè)備利用計(jì)算機(jī)總線控制技術(shù),采用兩塊PCI采集卡將豎向荷載施加裝置、水平荷重施加裝置、傳感器測(cè)量單元有機(jī)聯(lián)系在一起,實(shí)現(xiàn)法向載荷、水平載荷的復(fù)雜應(yīng)力和應(yīng)變控制方式,自動(dòng)測(cè)量法向載荷、法向位移、水平載荷、水平位移、側(cè)向載荷以及剪切面變形等參數(shù),自動(dòng)保存數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)過程曲線。剪切形式采用推拉兩種方式,導(dǎo)軌采用滾動(dòng)排桿結(jié)構(gòu),減小了滑動(dòng)摩擦力。

2.2 設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 高精度測(cè)控系統(tǒng)

采用DSP核心控制驅(qū)動(dòng)器與交流閉環(huán)伺服控制電機(jī),實(shí)現(xiàn)位移、速率與力矩的伺服傳動(dòng)定位,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)荷載分辨率達(dá)到0.3kN,伺服位移速率達(dá)到0.025～4.00mm·min-1。

2.2.2 位移與內(nèi)應(yīng)力量測(cè)

采用多點(diǎn)位移同步測(cè)量多剪切帶的協(xié)調(diào)變形,通過自主研制活塞式油壓傳感器同步測(cè)量壓力室內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力,實(shí)現(xiàn)最弱剪切帶強(qiáng)度變形的量測(cè),獲取剪切過程中試樣內(nèi)部應(yīng)力重分布的狀態(tài),如圖4所示。

圖4 位移與內(nèi)應(yīng)力測(cè)量

2.2.3 正應(yīng)力補(bǔ)償與剪脹開縫設(shè)計(jì)

通過延長(zhǎng)下盒尺寸、減小滾動(dòng)界面摩擦,實(shí)現(xiàn)正應(yīng)力補(bǔ)償; 通過設(shè)置滾軸開縫,防止剪切過程中發(fā)生剪脹變形,如圖5所示。

圖5 正應(yīng)力補(bǔ)償與開縫設(shè)計(jì)

2.3 設(shè)備優(yōu)勢(shì)

(1)采用壓力傳感器閉合回路與伺服電機(jī)控制系統(tǒng),精確施加垂直與水平荷載,實(shí)現(xiàn)多應(yīng)力路徑控制試驗(yàn)系統(tǒng),可以達(dá)到長(zhǎng)期蠕變性能測(cè)試,避免伺服液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性低引發(fā)的數(shù)據(jù)偏移及油缸滲漏等問題(胡瑞林等,2019)。

(2)采用面向字符的同步協(xié)議與多機(jī)通信的控制方式,將垂直荷載施加裝置、水平推力施加裝置、測(cè)量單元及計(jì)算機(jī)控制軟件相結(jié)合,組成一個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng),以確保系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全與穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與人為控制有機(jī)結(jié)合。

(3)硬件電路采用低通濾波措施,降低了測(cè)量值的波動(dòng); 軟件采用定量預(yù)測(cè)法和移動(dòng)平均法,以平滑傳輸信號(hào),降低信號(hào)噪聲,從而有效保障傳感器穩(wěn)定。

2.4 主要技術(shù)難點(diǎn)與解決方案

2.4.1 垂直荷載與水平推力的精度控制技術(shù)

垂直荷載施加裝置和水平推力施加裝置均包括伺服電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)和傳感器。荷載驅(qū)動(dòng)裝置采用3.5kW/2000 rpm的三菱伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),裝置的效率可以超過20%。在主機(jī)框架上增加快進(jìn)/停、快退/停、啟動(dòng)等按鈕,能快速調(diào)整垂直荷載頂頭移動(dòng)速度。垂直荷載的最大量程可達(dá)1000kN,進(jìn)行恒定垂直荷載和水平推力控制時(shí),精度達(dá)到0.34kN,豎向頂頭延伸長(zhǎng)度超過40cm。采用數(shù)字模糊控制方式,通過總線數(shù)據(jù)采集、計(jì)算,輸出控制變量等,以最佳數(shù)字控制參數(shù)滿足垂直荷載控制精度的要求。通過數(shù)值軟件模擬,控制整套設(shè)備剛度需求,從而更好的控制加載力的控制精度。

2.4.2 閉合回路電機(jī)伺服控制技術(shù)

在計(jì)算機(jī)控制的應(yīng)力路徑測(cè)試系統(tǒng)中,各壓力控制器通過壓力傳感器閉合回路伺服控制系統(tǒng)精確控制壓力。垂直壓力控制系統(tǒng)用來控制和顯示壓力室中的軸向力,同時(shí)具有垂直壓力的產(chǎn)生、測(cè)量和顯示功能。而垂直壓力通過荷重傳感器測(cè)量,荷重傳感器的輸出傳遞到垂直壓力外置傳感器,該外置傳感器通過遠(yuǎn)程反饋模塊,將控制信息反饋給壓力控制器,命令活塞移動(dòng),形成閉合回路伺服控制技術(shù)。水平推力的遠(yuǎn)程反饋模塊,用來采集水平推力傳感器信號(hào),控制器通過多功能轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)連接,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.4.3 壓力控制器自動(dòng)控制技術(shù)

控制器采用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確驅(qū)動(dòng),壓力控制器一方面與壓力室相連,一方面與多功能轉(zhuǎn)換器相連。壓力控制器通過控制器壓力腔中的傳感器獲取壓力,然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),反饋給步進(jìn)電機(jī),根據(jù)試驗(yàn)要求增加或減少壓力輸出。同時(shí),儀器連接的外部傳感器通過遠(yuǎn)程反饋模塊由采集器傳輸給多功能轉(zhuǎn)換器,再傳遞給電腦。當(dāng)外部傳感器輸出量和控制器壓力均衡時(shí),控制器可直接控制傳感器讀取的參數(shù)。

2.4.4 操作系統(tǒng)控制技術(shù)

直剪儀的控制單元包括垂直荷載施加裝置、水平推力施加裝置、測(cè)量系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)等部分。通過采用多機(jī)通信控制方式,將多個(gè)控制單元有機(jī)聯(lián)系起來,充分發(fā)揮單片機(jī)實(shí)時(shí)控制、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢(shì),可達(dá)到計(jì)算機(jī)控制垂直加載系統(tǒng)盒水平剪切系統(tǒng)的目的,且可避免單片機(jī)數(shù)據(jù)處理能力差,計(jì)算機(jī)控制實(shí)時(shí)性不夠等問題(蔡正銀等,2010)。

3 直剪試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)材料

土石混合體樣品中的細(xì)粒采用粒徑小于5.0mm的砂土、粗粒塊石分別采用3種粒徑的硬巖礫石,如圖6所示。根據(jù)Marsal(1973)的建議,顆粒的最大尺寸需約為剪切盒尺寸的1/6,因此該樣品顆粒尺寸配置滿足尺寸要求。

圖6 土石混合體粗粒與細(xì)粒組成

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)考慮3種影響因素包括:質(zhì)量含石量(0、30%、50%、70%)、顆粒尺寸(L0、L1、L2、L3)和上覆壓力(50kPa、200kPa、300kPa、400kPa)。制樣密度為1.80g·cm-3,細(xì)粒含水量為5%,塊石強(qiáng)度為42.6MPa,剪切速率為0.4mm·min-1,剪切位移達(dá)到60mm后停止剪切。通過在樣品頂部鉆孔、安插鋁絲、補(bǔ)灰的方式,在試樣內(nèi)安裝φ1.5mm極柔軟鋁絲,共設(shè)置兩排鋁絲,每排3根。鋁絲隨樣品滑動(dòng)發(fā)生協(xié)調(diào)變形,從而監(jiān)測(cè)剪切過程中剪切帶厚度變化規(guī)律(胡峰等,2018)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 剪切強(qiáng)度曲線與參數(shù)變化特征

不同含石量的土石混合體在直剪過程中多表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特征,不同于土體直剪試驗(yàn)多為應(yīng)變軟化的特性,部分剪切應(yīng)力、垂直位移(體變)隨水平剪切位移變化的規(guī)律如圖7所示。在低垂直壓力水平下,由于剪切過程中垂直方向位移約束不足,塊石多發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)、滑移等剪脹現(xiàn)象。在高垂直壓力水平下,剪切過程中垂直方向位移約束大,塊石沒有足夠能量發(fā)生剪脹作用,而以剪切壓密的體縮變形為主,且垂直壓力越大,剪切壓密作用越強(qiáng)。在相同含石量條件下,塊石粒徑越大,不同垂直壓力對(duì)剪切壓密的影響越不顯著,主要原因在于塊石越大、塊石間細(xì)?；|(zhì)壓密越困難。隨著上覆垂直壓力與含石量的增加,剪切影響帶的范圍逐漸增加,主要原因在于塊石克服約束力發(fā)生翻滾的能力不足,以塊石間滑移、錯(cuò)動(dòng)(爬升)為主,在應(yīng)力曲線上表現(xiàn)為高垂直壓力條件下,應(yīng)力波動(dòng)大且持續(xù)加工硬化。

圖7 土石混合體水平位移-應(yīng)力-垂直位移曲線

對(duì)于持續(xù)加工硬化的強(qiáng)度曲線(如圖7b～圖7d),最大剪切應(yīng)力還沒有統(tǒng)一的取值標(biāo)準(zhǔn)。如圖8a所示,分別取剪切應(yīng)變達(dá)到6.47%(即環(huán)刀樣品4mm取值位置)、15%、20%時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力作為最大剪切強(qiáng)度,繪制莫爾-庫侖線。3種取值方法獲取的內(nèi)摩擦角大小相當(dāng),按應(yīng)變15%、20%時(shí)取值得到的黏聚力較為接近,而按應(yīng)變6.47%時(shí)取值得到的黏聚力降低了70%。對(duì)于大部分強(qiáng)度曲線,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到6.47%時(shí),強(qiáng)度均未達(dá)到最大值,因此對(duì)于土石混合體試樣,取15%應(yīng)變對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度作為最大剪切強(qiáng)度較為合理。按照該取值標(biāo)準(zhǔn),如圖8b、圖8c所示,隨著含石量的增加,黏聚力與內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)增加趨勢(shì),黏聚力最大可達(dá)45kPa,而內(nèi)摩擦角變化范圍為25°～45°,平均約為35°。

圖8 土石混合體黏聚力與內(nèi)摩擦角變化規(guī)律

3.3.2 應(yīng)變鎖固模型

秦四清等(2011)將滑坡斷層面上的“控制塊體”定義為“鎖固段”,即在斷層面上具有較高強(qiáng)度且在地震中釋放較大地震矩的結(jié)構(gòu)部位,形式同斷層中所謂的巖橋(Rock bridge)、障礙(Barrier)或凸起體(Asperity)等。土石混合體內(nèi)部同樣存在類似的“鎖固段”,是高應(yīng)力條件下塊石能量聚集的表現(xiàn)。如圖7e、圖7f所示,在高含石量條件下應(yīng)力位移曲線表現(xiàn)為強(qiáng)應(yīng)變硬化特征,體變(垂直位移)呈現(xiàn)先剪縮再剪脹的變化規(guī)律。隨著粗顆粒粒徑的增大,同一垂直壓力條件下剪切強(qiáng)度逐漸增大,在200kPa以上垂直壓力作用下,出現(xiàn)明顯的應(yīng)力、體變“跳躍”或“波動(dòng)”現(xiàn)象。出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因在于,當(dāng)塊石粒徑較小時(shí),塊石間細(xì)粒土分布較均勻,剪切過程中剪切帶內(nèi)的塊石多以擠壓細(xì)粒土的壓密、旋轉(zhuǎn)和水平滑移行為為主。當(dāng)塊石粒徑逐漸增大,塊石間發(fā)生接觸的概率大大提高,在上覆壓力較小時(shí),塊石尚可以克服阻力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)與水平滑移; 當(dāng)上覆壓力較大時(shí),剪切帶的塊石多以塊石間爬升或剪斷塊石棱角行為為主。塊石爬升或剪斷過程就是應(yīng)力下降與體積剪脹的過程,這個(gè)過程稱為“鎖固段”解鎖,這類強(qiáng)度曲線稱為“應(yīng)變鎖固”模型,可采用移動(dòng)平均模型進(jìn)行曲線擬合,如圖9中實(shí)線擬合所示,這不同于傳統(tǒng)的應(yīng)變硬化或應(yīng)變軟化模型。塊石間運(yùn)動(dòng)在經(jīng)歷第1次“鎖固段”解鎖后,會(huì)形成新的骨架“鎖固”狀態(tài),逐漸重塑鎖固應(yīng)力水平。隨著剪切位移的增加,塊石間經(jīng)歷第2次爬升或剪斷的“鎖固段”解鎖過程,再次形成新的骨架“鎖固”狀態(tài),重塑鎖固應(yīng)力水平,一直到當(dāng)塊石粒徑減小到某一水平時(shí),將不再出現(xiàn)塊石鎖固行為。

圖9 含石量70% L3組土石混合體在300kPa垂直壓力下水平位移-剪切應(yīng)力-垂直位移關(guān)系

采用樣品內(nèi)柔軟鋁絲,監(jiān)測(cè)剪切帶變化與塊石相互作用情況,揭示塊石空間分布影響下的力鏈結(jié)構(gòu)特性,如圖10a所示,當(dāng)含石量為30%、上覆壓力為200kPa時(shí),鋁絲發(fā)生均勻彎曲變形,說明塊石發(fā)生相互擠壓與爬升概率較低; 當(dāng)含石量為70%、上覆壓力為300kPa或400kPa時(shí),鋁絲發(fā)生明顯彎曲變形,說明塊石間發(fā)生了明顯的相互擠壓或爬升(圖10b、圖10c)。因此,出現(xiàn)塊石鎖固的條件為:滑面硬巖含石量超過50%,深度位于10～20m范圍(上覆壓力約為200～400kPa范圍)、滑面塊石粒徑與剪切帶厚度比值在0.3～0.6之間(圖11)。土石混合體會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的應(yīng)變鎖固行為,“鎖固段”不斷破壞,又不斷重塑,主要依靠塊石的能力累積,這與孕震斷層發(fā)震后積累能力再次發(fā)震相似。塊石爬升過程中,因剪脹導(dǎo)致空腔內(nèi)細(xì)粒土重組,這種現(xiàn)象類似Gehle et al.(2003)在研究含等距節(jié)理巖石直剪時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)力“跳躍”現(xiàn)象,巖塊間爬升后同樣使新的節(jié)理與剪切碎片重新排列,從而形成一條碎石剪切帶。因此可以采用以下公式獲取應(yīng)變鎖固模型的抗剪強(qiáng)度(Patton,1966; Gehle et al.,2003):

圖10 L3粒組試樣剪切完成后鋁絲變形特征對(duì)比

圖11 含石量與比值關(guān)系圖

τ=σtan(?+i)+c

式中:τ是剪切強(qiáng)度;σ是垂直加載正應(yīng)力; ?是未發(fā)生應(yīng)變鎖固破壞時(shí)的內(nèi)摩擦角,?(σ)是σ的函數(shù),一般取25°～40°;i是發(fā)生應(yīng)變鎖固破壞時(shí)的剪脹角,i(σ)是σ的函數(shù),一般取5°～10°左右;c是土石混合體的黏聚力,與基質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。

對(duì)于圖9中未發(fā)生應(yīng)變鎖固破壞時(shí)的剪切應(yīng)力取點(diǎn)σP1,圖7f中的?為37.0°,c為68.3kPa; 發(fā)生應(yīng)變鎖固破壞后的剪脹角對(duì)應(yīng)的應(yīng)力取點(diǎn)σPn與σP(n-1)的最大應(yīng)力差,對(duì)于300kPa條件下取點(diǎn)σP2與σP1的應(yīng)力差,圖7f中的i為7°,含石量為70%、L3粒組的土石混合體的莫爾庫侖強(qiáng)度線如圖12所示。

圖12 土石混合體莫爾庫倫強(qiáng)度線

4 結(jié) 論

土石混合體是一種非連續(xù)性、非均質(zhì)性介質(zhì),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,具有顯著的尺寸效應(yīng)與結(jié)構(gòu)效應(yīng),其強(qiáng)度、變形及滲透特性直接受介質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響。作者研發(fā)了多尺度、多相、多場(chǎng)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)裝置,可用于土石混合體的變形、強(qiáng)度與滲透特性研究。主要結(jié)論如下:

(1)研制了SRM-1000型電機(jī)伺服控制土石混合體大型固結(jié)與抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)裝置,剪切盒按水平直剪、斜剪、疊剪、凍融試驗(yàn)4類設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)多尺度多相多場(chǎng)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。

(2)提出了區(qū)別傳統(tǒng)的應(yīng)變硬化、應(yīng)變軟化模型的第3類強(qiáng)度模型,即應(yīng)變鎖固模型,并給出了模型參數(shù)求解方法。

(3)當(dāng)土石混合體內(nèi)硬巖含石量超過50%、滑面深度位于10～20m范圍、滑面塊石粒徑與剪切帶厚度比值在0.3～0.6之間時(shí),土石混合體強(qiáng)度曲線以“應(yīng)變鎖固”為主,多發(fā)生剪脹破壞。

(4)當(dāng)土石混合體剪切帶出現(xiàn)塊石間爬升或剪斷塊石棱角行為時(shí),形成“應(yīng)變鎖固”強(qiáng)度變化規(guī)律,從而發(fā)生應(yīng)力跳躍與體積剪脹,可采用移動(dòng)平均模型擬合“應(yīng)變鎖固”強(qiáng)度曲線。