HKUST体变丈量步骤在动三轴中的利用
崔 治，胡新江，肖 巍
(开云kaiyun电竞仪器设备中国有限公司，中国香港)
摘 要：动三轴试验是一种获得土体的动剪切强度、模量和阻力比的沉要步骤，三轴试验中试样的体变难于直接精确丈量。本文总结了当前动三轴试验中重要的体变丈量步骤，并分析了这些步骤在动三轴测试中的优弊端。结合GDS动三轴试验仪的特点，提出了基于HKUST双压力室体变丈量装置的动三轴体变丈量步骤，通过改进试样底座，选取内压力室丈量试样在动态试验过程中的体积变动。最后选取三轴试样进行测试，了局批注HKUST步骤在动三轴体变丈量中是可行的。该步骤目前还不成能进行拉伸试验，同使伛动对体变丈量精度的影响也有待进一步钻研。
关键词：动三轴试验；体变丈量；HKUST丈量步骤
中图分类号：TU41 文件标识码：A 文章编号：
作者简介： 崔治，男，开云kaiyun电竞室内岩土尝试室事业部经理，重要从事室内岩土试验设备开发及试验培训方面的工作。E-mail：cuizhi@epc.com.hk。
The application of HKUST volumetric measurement method in dynamic triaxial
Cui Zhi, Hu Xin-jiang, Xiao Wei
(Earth Products China Ltd.，Hong kong, China)
Abstract: Dynamic triaxial test is one of important testing methods to obtain dynamic shear strength, modulus and damping ratio of soil. Volume change of a soil specimen is often difficult to be measured in a triaxial test accurately. But the This article summarizes some common methods of volume change measurement and analyses, their advantages and disadvantages of in dynamic tests. Combining with some unique features of GDS dynamic triaxial test equipment, a novel way of using HKUST’s total volume measuring device wall device is presented. In this novel method, inner cell is used to measure the volume change of soil specimen during a dynamic test by improving the sample base. The accuracy and applicability of this new method is verified and illustrated by carrying out tests on clay samples. The test results reveal that this novel method is feasible in dynamic triaxial test. This method is not able to pull test, and the influence of vibration on total volume measurement is also needs further research.
Keyword: Dynamic triaxial test; volume change measurement; HKUST measuring method
引言
近年来国民经济获得了沉大成就，国度对基础设施建设的投入力度也逐步加大，工程建设过程中也遇到了很多复杂的岩土工程难题，地基土在动荷载作用下的不变和变形问题日益受到器沉，出格是变形造成的地基不均匀沉降问题。地震、机械振动、风荷载、波浪等动荷载城市对地基产生影响，如地震引起的砂土液化导致的地基土失效问题、高层构筑物基础在风荷载下的不变问题、软土路基在周期性交通荷载下的不均匀沉降问题、油罐地基在充水排水的循环荷载下的不变和变形问题、近海结构物在波浪荷载作用下的动力反映分析等，对这些复杂问题的钻研重要还是结合工程现实情况通过试验来进行。在动荷载作用下，土体变形发展法规对工程安全拥有沉要影响，出格是地基的不均匀变形可能会导致工程变乱，所以动三轴体变丈量对于解决这些工程问题拥有沉要的意思。对于静态鼓和三轴试验，能够直接通过试验的排水情况作为体变丈量的凭据。但对于动三轴试验，规范要求都是在不排水的前提下进行[1]，无法通过试样中水体积的变动来确定试样体变，导致体变丈量难度增长。固然动三轴试验属于鼓和三轴试验，但土的剪胀剪缩个性以及试验过程中接受拉伸力，试样依然会有变形，若何正确丈量体积变动是有待解决的问题。
1 三轴体变丈量步骤
目前三轴体变丈量步骤重要有以下三种[2]：
（1）流体法。围压选取水施加，通过丈量试样周围水体积的变动来获取试样的体变。为了提高流体法测试样体变的精度，很多学者设计了各类分歧的双压力室，按其类型能够分为内表室连通型和内表室封关型[3,4]。该步骤正确丈量体变的前提是选取除气水且水不能压缩、压力室为无线刚度、管路中无气泡、水不存在热胀冷缩。通常情况下水中存在肯定量的气体，有机玻璃压力室刚度也较低，加压之后会产生膨胀，同时该类型设备的管路较长，接口也较多，很难做到管路中无气泡，室温的变动会导致水密度变动产生假体变，这些成分城市使得丈量了局存在较大误差。
图1 流体法-封关型双室
Fig.1 Fluid method- Enclosed double room
（2）部门应变传感器丈量[5]。重要有霍尔效应部门应变传感器和LVDT部门应变传感器两种。该步骤通常用于静态试验中试样体变的丈量，但对于动态试验，出格是高频率试验，试验在振动过程中传感器振动可能以至传感器脱落、传感器固定地位密封不良等问题。部门应变传感器的量程较幼，LVDT的量程最大才5mm，霍尔效应部门应变传感器的量程更幼，由于传感度量程的限度，不成能丈量大的变形，而动三轴试验中大变形不成预防。该步骤重要合用于丈量部门应变或者试样体积变动较为规整的总体变，但由于土体在动荷载作用下会产生畸形形变，推算得到的试样总体变存在较大误差，部门应变传感器装置较为复杂，对试验技术人员的要求较高，这些成分使得该步骤在现实利用中受到多沉限度。
图2 部门应变传感器
Fig.2 Local strain sensor
（3）非接触丈量[6,7]。非接触丈量是以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体表表的情况下，得到物体表表参数信息的丈量步骤。非接触丈量步骤重要有激光测距技术、电磁波测距技术和数码摄像结合图像处置技术三种。非接触丈量对于环境的要求较高，三轴压力室中水和有机玻璃的折射使得系统难以正确标定，与接触丈量步骤相比精度也不是很高，设备价值也较昂贵。
2 HKUST丈量步骤
2.1 根基道理
HKUST丈量步骤是香港科技大学岩土工程团队共同研发的，其根基道理是[8]：设计一个瓶状室且上端开口的内压力室，试样装置在内压力室，内压力室和表压力室均装有不超过其顶部的除气水；同时在内压力室表部设置一参照管，参照管的截面积蹬宗内压力室上部收缩断面面积与竖向加载轴截面积之差，参照管与内压力室固定在一路，试验时参照管水位与内压力室水位大体齐平，内压力室和参照管别离用细管与高精度差压传感器的两个端口衔接；通过表压力室顶部的管路施加气压来节造围压，这保障了内压力室内表不存在压力差且内压力室不会产生变形；当试样体积变动时，内压力室的水位将产生变动，而参照管水位维持不变，两者之间产生一个幼的压力差，通过高精度差压传感器丈量压力差值，最后通过换算得到试样的总体变。其根基结构图，如图3所示。
图3 HKUST结构图
Fig. 3 HKUST structure
2.2 系统精度
水中存在肯定量气体以及水拥有热胀冷缩性质，昼夜温差和气温变动将导致所丈量的了局蕴含假体变，围压变动将导致管路轻微膨胀或收缩，内压力室也拥有肯定的吸水性，管路不成预防线存在微漏景象，这些成分降低了系统的丈量精度。通过上述一系列措施，相对于其它丈量步骤，HKUST系统的精度提高，其精度对比表，如下表所示[8]。
表1 精度对比表
Table 1 The accuracy comparison table
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体变系统
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HKUST
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Wheeler & Sivakumar
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殷建华的系统
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由围压变动引起的瞬时体积应变（%）
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0.5
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1.5-2.0
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0.6
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由室温引起的体积应变（%/℃）
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±0.003-±0.005
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±0.007
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蠕变（%/周）
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0.009
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0.1-0.15
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2.3当苦衷项
为了提高测试精度，尽量减幼上述成分对试验了局的影响，必要把稳一下问题：
（1）内压力室和参照管中的水必须选取除气水；
（2）内压力室和参照管装水时预防产生气泡，试验前排除系统中的气泡；
（3）连收受路必要有足够的刚度以预防膨胀变形；
（4）试验之前将内压力室在水中浸泡一段功夫以减幼其吸水；
（5）节造尝试时为恒温环境。
3 动三轴体变丈量步骤
3.1 DYNTTS
伺服电机节造的动三轴试验系统（DYNTTS）将三轴压力室和动力驱动器合为一体，从压力室底座施加轴向力和轴向变形。压力室由装有马达驱动的基座螺旋传动。当没有选择径向动力驱动器时，通过平衡锤解除动态试验对恒定围压的影响。系统由在MS Windows?中运行的GDSLAB软件来节造，任一循环的数据都能够实时纪录和显示出来。
图4 伺服电机节造的动三轴试验系统
Fig. 4 DYNTTS
该系统体变丈量步骤选取流体法。通过GDS 200cc/2MPa数字压力/体积节造器来精确节造压力，压力分辨率能够到1kPa，体积分辨率1mm3。动态试验中，平衡锤解除了由于轴向加压杆往复活动产生的压力室有效空间的变动，压力室与节造器之间水互换体积就是试样体变，通过围压节造器体积变动就可能直接获得试样的体变。当动荷载频率过高或者试样体变较大时，压力节造器可能存在来不及补/排水导致所丈量的了局存在肯定误差，流体法的弊端在该系统中同样存在。
3.2 设备改进
选取HKUST步骤丈量试样体变时必要对设备进行如下改进：
（1）将鼓和土底座改成可能装置内压力室的底座；
（2）围压不在使用压力/体积节造器，改用气压来施加，必要增长一个气压节造器；
（3）在压力室内部增长内压力室，在压力室表部装置一个高精度差压传感器，通过管路和密封装置将内压力室和参照管与差压传感器的端口进行衔接；
（4）数据采集盒上增长差压传感器端口，通过批改软件配置文件在采集系统中增长差压传感器。
4 试验测试及了局分析
4.1 试验简介
试验选取砂土样进行，试样为50*100mm的干燥疏松圆柱砂样。首先施加500kPa围压和100kPa/200kPa的偏应力进行非等向固结，而后施加动态荷载进行试验，动态荷载选取正弦波。
4.2 试验了局
由于振动过程中内压力室会随着底座一路振动，当频率太大会造成内压力室和参照管水位颠簸，所测得了局误差偏大，因而本次测试选取的频率为0.1/0.2HZ。总体变随功夫变动曲线如图5所示，轴向位移随功夫变动曲线如图6所示。由图能够看出，试样在振动过程中体积产生显著变动，试样体变由两部门组成：弹性体变和塑性体变。在统一个振动周期内，当轴向力增大时，试样被压缩，体积减幼，当轴向力减幼时，试样产生弹性回弹，体积增大，这一部门变形称之为弹性变形，随着振动过程的持续进行，各个周期内的弹性变形出现出增大的趋向。在振动过程中，试样始终受到正的轴向力而处于压缩状态，试样体变曲线的基准线（波峰与波谷的中点）呈逐步减幼的趋向，这一部门变形是不成复原的，称之为塑性变形。
由图5、图6所示，当轴向力和振动幅值一样时，随着振动频率的增大，试样的塑性变形减幼，而弹性变形增大；当频率一样时，随着轴向力和幅值增大，试样的塑性变形和弹性变形都显著增大。
(a) F=0.1HZ；A=75kPa (b) F=0.2HZ,A=75kPa (c) F=0.2HZ,A=150kPa
图5 总体变曲线（总体变：mm3；功夫：s）
Fig. 5 Total volume change curve (Total volume: mm3; time: s)
(a) F=0.1HZ；A=75kPa (b) F=0.2HZ,A=75kPa (c) F=0.2HZ,A=150kPa
图6 轴向位移曲线（轴向应变：%；功夫：s）
Fig. 6 The axial displacement curve (Axial strain: %; time: s)
4 结论
试验证明，HKUST体变丈量步骤在动三轴试验中是可行的。即便是不排水试验，试样体积也会产生显著变动。动态荷载下试样体变蕴含弹性变形和塑性变形，弹性变形重要是由于周期性的动态荷载使得试样在压缩与回弹间变动引起的，塑性变形重要是由于振动过程中试样孔隙被压缩的了局。
由于目前HKUST步骤重要在非鼓和试验中利用，不会思考试样被拉伸的情况，内压力室无法装置拉伸帽，不能进行拉伸试验，试样变形不是出格显著。在振动过程中，内压力室随着一路振动，内压力室和参照管内的水经受一样的振幅和频率，在低频率下振动对试验了局影响有限，但高频率下影响不成忽略，这部门影响体此刻周期性的弹性变形中，若何将真实的弹性形变与颠簸影响分辨隔来，还有待进一步通过试验和分析来解决。
参考文件
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[2] Geiser, F., Laloui, L. and Vulliet, L. On the volurne measurement in unsaturated triaxial test[J]. Unsaturat soill
[3] Bishop, A. W. and Donald, I. B. The experimental study of partly saturated soill in the triaxial apparatus[C]// Proc, 5th Int. Conf. Soil Mech. Found. Eng., Paris: Vol. 1, 13-21,1961.
[4] Cui, Y. J. and Delage, P. Yielding and plastic behavior of an unsaturated compacted silt[J]. Geotechnique, 1996, 46(2): 291-311.
[5] Ng, C. W. W., Chiu, C. F. Behavior of loosely compacted volcanic soil[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2001, 127(12).
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[8] Ng, C. W. W., Zhan, L. T. & Cui Y. J. A new simple system for measuring volume changes in unsaturated soil[C]// Can. Geotech. J.,39, No. 2, 757-764,2002.
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