趙洪元　吳貴艷

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

摘要三軸試驗是一種重要的土工試驗方法，同樣不可避免地存在各種誤差，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，高精密電子量測元件、數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)的應(yīng)用，使三軸試驗的精度得到較大提高，試驗數(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)則是有待解決的問題。以三軸試驗測得土體應(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的系統(tǒng)誤差。

關(guān)鍵詞重塑粉質(zhì)黏土三軸試驗試驗誤差土體變形特性

三軸試驗以試驗過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)等其他試驗無法比擬的優(yōu)點，而成為一種重要的土工試驗方法[1-2]。但三軸試驗存在各種誤差，有端部接觸問題、端部約束問題和試驗儀器引起的系統(tǒng)誤差等。如何減小誤差提高試驗的準(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]，通過計算機(jī)圖像測量技術(shù)研究了端部接觸問題、端部約束問題等引起的試樣變形誤差。張魯渝等[6]利用霍爾效應(yīng)傳感器測量了試樣剪切過程中的局部應(yīng)變，采用霍爾效應(yīng)傳感器測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，高精密電子量測元件的使用使得三軸試驗測試數(shù)據(jù)更為精確，數(shù)據(jù)采集的自動化使得三軸試驗測試數(shù)據(jù)更為豐富。利用高精密全自動化的三軸儀器研究土的強(qiáng)度時，不但可以實時觀察所測數(shù)據(jù)，而且能夠較精確地測試土的強(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)采集的時間間隔可以獲得想關(guān)注的更多數(shù)據(jù)，但是處理試驗數(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)則是有待解決的問題。本文以三軸試驗測得土體變形的應(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)變增量隨應(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，隨時間而發(fā)展的變形則表現(xiàn)為粘滯性。《土力學(xué)的流變原理》[7]一書中指出，根據(jù)土的塑性粘滯流動曲線，可以分出3個臨界應(yīng)力值。第一個臨界應(yīng)力是相對的彈性極限τk，在應(yīng)力小于τk時不產(chǎn)生流動。不過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，還可以分出τe<τk極限。應(yīng)力小于τe時變形將是純彈性的。非結(jié)構(gòu)性的土以水膠連結(jié)占優(yōu)勢，極限τk將十分小，這些土可以視之為液體，并可假設(shè)τk=0。第二個臨界應(yīng)力是相對流動極限τT,在應(yīng)力超過這個極限之前，蠕動變形雖然可能，但速度很小或有衰減特征，此時土的結(jié)構(gòu)未破壞。在應(yīng)力超過極限τT后，土的結(jié)構(gòu)被破壞，流動速度急劇地增長達(dá)幾個數(shù)量級。第三個臨界應(yīng)力τf相當(dāng)于結(jié)構(gòu)的完全破壞。此時對于結(jié)構(gòu)的和非結(jié)構(gòu)土的流動速度和應(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渡到小的速度時就表現(xiàn)出來?？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時的變形是純彈性的。

2試驗儀器及方案

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

2.1試驗土樣

試驗土樣為粉質(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重型擊實試驗[8]得到，由量瓶法測得顆粒密度，使用液塑限聯(lián)合測定儀測得液限和塑限，采用篩析法及密度計法聯(lián)合測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　試驗土樣基本物性參數(shù)

2.2試驗儀器

本試驗所用GDS三軸試驗系統(tǒng)見圖1，整套GDS三軸試驗儀主要是由：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孔隙水壓力量測系統(tǒng)；⑤計算機(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，由圍壓控制器對壓力室中的水加壓，再通過水將圍壓力施加到試樣上。反壓控制器量測、控制試樣中的孔隙水壓力，以及試樣中孔隙水的體積變化。通過計算機(jī)控制與分析系統(tǒng)，GDS可以實現(xiàn)從靜態(tài)到動態(tài)10Hz(峰值1mm)控制軸向位移或軸向力。利用LVDT局部應(yīng)變傳感器量測試樣軸向和徑向應(yīng)變。通過壓電陶瓷彎曲元測試試樣在小應(yīng)變情況下的動剪切模量。

a)GDS土體三軸試驗系統(tǒng)b)壓力室c)圍壓控制器

圖1GDS三軸試驗系統(tǒng)

2.3試驗方案

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

表2　試驗方案設(shè)計

表3　制備試樣的物理指標(biāo)

3試驗數(shù)據(jù)處理及分析

3.1三軸試驗剪切后的破壞形態(tài)

按試驗設(shè)計對制備的試樣進(jìn)行飽和狀態(tài)的三軸試驗。試驗后試樣的破壞形態(tài)見圖2。

圖2　試樣剪切后破壞形態(tài)

3.2試驗數(shù)據(jù)處理及分析

對制備的試樣進(jìn)行飽和狀態(tài)下的三軸剪切試驗，可測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，試樣就會產(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)力作用在試樣上時就有較大變形，此時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，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題引起，屬于系統(tǒng)誤差范疇，即試驗開始時施加偏應(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的變形，若將該變形疊加到土樣的變形上就會導(dǎo)致土樣變形量測的不準(zhǔn)確，因此在處理數(shù)據(jù)時應(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)系曲線中拐點后的直線段用線性擬合，得到的擬合直線與橫軸的交點即可近似做為變形開始的起點。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，三軸試驗測試土的變形時因端部接觸問題的存在會引起土樣變形測量的不準(zhǔn)確，因此建議處理試驗數(shù)據(jù)時應(yīng)根據(jù)土體的變形特性對實驗數(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

基于三軸試驗測得試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，探討三軸試驗數(shù)據(jù)處理應(yīng)注意的問題有如下結(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) 三軸試驗數(shù)據(jù)處理過程中，對試驗產(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.三軸試驗原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國電力出社,2003.

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

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

收稿日期：2014-11-28

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.051