CN109507018B - 一种基于三轴土样变形数字图像测量的k0固结试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于三轴试验土样变形数字图像测量的K0固结试验方法，属于土木工程学科岩土工程领域。方法步骤为：通过制备土样并将土样装在表面印刷有标记网格的橡皮膜里，之后将土样置于压力室中并依据橡皮膜表面的标记网格确定土样在不同受力情况下的径向(环向)变形量，由此确定土样变形后的尺寸，通过对比加载过程中土样变形后尺寸与土样初始尺寸，调整围压以保证加载过程中土样不出现径向(环向)变形，在此试验过程中围压与轴向应力之比即为K0。本发明可进行三轴试验的K0固结，且能监测并控制试样在不同高度方向上径向变形；方法操作简便，计算结果准确可靠，能够为大面积地基土的应力变形问题研究提供便利。

Description

一种基于三轴土样变形数字图像测量的K0固结试验方法
技术领域
本发明属于土木工程学科岩土工程领域，涉及一种基于三轴土样变形数字图像测量的K0固结试验方法，主要应用于三轴试样的K0固结。
背景技术
三轴试验过程中需要对土样进行等压固结或K0固结。等压固结是指试样在各向压力一致的情况下所进行的固结；K0固结是指土样在侧向不产生变形的情况下所进行的固结。相对于等压固结，K0固结能够更好的反映大面积地基受力过程中的应力和变形规律。因此，有必要对三轴试样的K0固结过程和固结方法进行研究。
既有的成果通过在圆柱形土样的径向方向设置测力装置来监测土样表面的受力情况，在土样承受了微小力的情况下施加围压来保持土样的K0固结(参考文献：PirlyakulK,Haegeman W.Automated K-0consolidation in stress path cell[A]. Proceedingsof the 16th International Conference on Soil Mechanics and GeotechnicalEngineering[C].Millpress,2005:575-578.)。试验过程中，由于量力装置仅仅布置在土样高度的某个部位而不是表面的所有范围，因而土样在其他高度上的受力和变形情况是无法确定的；同样，土样的宏微观收缩也是无法检测到的。同时，土的应力与变形关系是非线性的，土样在承受微小力的同时可能已经产生了较大的侧向膨胀或收缩变形。因此，依据现有的通过在土样表面局部设置测力装置的方法，是无法体现三轴土样K0固结过程的科学性的。因此，研究科学合理的K0固结试验方法，对于工程问题的解决和三轴试验仪器的研制具有重大的理论意义和工程实用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于三轴土样变形数字图像测量的 K0固结试验方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于三轴土样变形数字图像测量的K0固结试验方法，该方法首先制备土样并将土样装在表面印刷有标记网格的橡皮膜里，之后将土样置于压力室中并依据橡皮膜表面的标记网格确定土样在不同受力情况下的径向(环向)变形量，由此确定土样变形后的尺寸，通过对比加载过程中土样变形后尺寸与土样初始尺寸，调整围压以保证加载过程中土样不出现径向(环向)变形，在此试验过程中围压σ3与轴向力σa之比即为K0。该方法包括以下步骤：
1)制备直径为R0高度为H0的圆柱形土样，土样周围表面包裹有桶状的橡皮膜，橡皮膜的表面印刷有标记网格；
2)将土样置于压力室中，并将土样的下表面与压力室下部的底座相连接，将土样的上表面与压力室的加载帽相连接，并将加载帽与加载杆相连接；
3)将压力室内部充满水，依据橡皮膜表面印刷的标记网格用相机观测比对标记网格内同一水平高度上各交点之间的水平距离dxi，以及标记网格外同一水平高度上各交点之间的水平距离dxj，并依据式(1)计算土样(1)的直径R，公式(1)为：
Figure GDA0002723600720000021
式中，R为土样的直径，dxi为标记网格同一水平高度上各交点之间的水平距离，dxj为标记网格外同一水平高度上各交点之间的水平距离，π为圆周率；
4)设置目标轴向力σa，设置土样的轴向加载速率Lr，设置围压σ3；
5)依据设置的土样的轴向加载速率Lr和设置的围压σ3对土样开始加载，同时依据橡皮膜表面印刷的标记网格用相机观测加载后土样的直径Rs，其中Rs的计算式与R的计算式(1)相同，如式(2)所示：
Figure GDA0002723600720000031
式中，Rs为加载后土样的直径，dxi为标记网格同一水平高度上各交点之间的水平距离，dxi为标记网格外同一水平高度上各交点之间的水平距离，π为圆周率；
6)当Rs＝R时，继续进行土样加载直至加载杆测到的轴向力等于目标轴向力σa时停止试验；当Rs＞R时，增加压力室的围压σ3直至Rs＝R，之后继续进行土样加载直至加载杆测到的轴向力等于目标轴向力σa时停止试验；当Rs＜R时，减小压力室的围压σ3直至Rs＝R，之后继续进行土样加载直至加载杆测到的轴向力等于目标轴向力σa时停止试验。
本发明的效果是通过提供的一种基于三轴土样变形数字图像测量的K0固结试验方法，可进行三轴试验的K0固结，且能监测并控制试样在不同高度方向上径向变形。该方法操作简便，计算结果准确可靠。通过与常规方法相比，该方法的测试误差在2.4％以内，较高的精度保证了K0固结试验的准确性，能够为大面积地基土的应力变形问题研究提供便利。
附图说明
图1为本发明涉及的基于土样变形数字图像测量的三轴试验原理图；
图2为本发明涉及的橡皮膜示意图。
图中：1土样；2橡皮膜；3标记网格；4压力室；5底座；6加载帽；7加载杆；8相机；dxi.标记网格同一水平高度上各交点之间的水平距离；dxi.标记网格外同一水平高度上各交点之间的水平距离。
具体实施方式
结合附图对本发明的一种基于三轴土样变形数字图像测量的K0固结试验方法进行说明。
本发明的一种基于三轴土样变形数字图像测量的K0固结试验方法原理是：通过图像采集装置确定土样全表面的变形量，进而确定是否增加或者减小围压以保持土样仅在竖直方向产生变形。
根据上述原理，本发明提供一种基于三轴土样变形数字图像测量的K0固结试验方法，该方法包括以下步骤：
1)制备直径为R0高度为H0的圆柱形土样1，土样1周围表面包裹有桶状的橡皮膜2，橡皮膜2的表面印刷有标记网格3；
2)将土样1置于压力室4中，并将土样1的下表面与压力室4下部的底座 5相连接，将土样1的上表面与压力室4的加载帽6相连接，并将加载帽6与加载杆7相连接，如图1所示；
3)将压力室4内部充满水，依据橡皮膜2表面印刷的标记网格3用相机8 观测比对标记网格3内同一水平高度上各交点之间的水平距离dxi，以及标记网格3外同一水平高度上各交点之间的水平距离dxj，如图2所示，并依据式(1) 计算土样(1)的直径R，公式(1)为：
Figure GDA0002723600720000041
式中，R为土样1的直径，dxi为标记网格3同一水平高度上各交点之间的水平距离，dxj为标记网格3外同一水平高度上各交点之间的水平距离，π为圆周率；
4)设置目标轴向力σa，设置土样的轴向加载速率Lr，设置围压σ3；
5)依据设置的土样1的轴向加载速率Lr和设置的围压σ3对土样1开始加载，同时依据橡皮膜2表面印刷的标记网格3用相机8观测加载后土样1的直径Rs，其中Rs的计算式如式(2)所示：
Figure GDA0002723600720000042
式中，Rs为加载后土样的直径，dxi为标记网格同一水平高度上各交点之间的水平距离，dxj为标记网格外同一水平高度上各交点之间的水平距离，π为圆周率；
6)当Rs＝R时，继续进行土样1加载直至加载杆5测到的轴向力等于目标轴向力σa时停止试验；当Rs＞R时，增加压力室4的围压σ3直至Rs＝R，之后继续进行土样1加载直至加载杆5测到的轴向力等于目标轴向力σa时停止试验；当Rs＜R时，减小压力室4的围压σ3直至Rs＝R，之后继续进行土样1加载直至加载杆5测到的轴向力等于目标轴向力σa时停止试验。
依据所述的一种基于三轴土样变形数字图像测量的K0固结试验方法，可进行不同加载速率下三轴土样的K0固结试验。
以上所述仅为结合具体本试验方法进行的说明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改。凡是基于土样表面变形数字图像测量来调整压力控制土样侧向变形的精神，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于三轴土样变形数字图像测量的K0固结试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)制备直径为R0高度为H0的圆柱形土样(1)，土样(1)周围表面包裹有桶状的橡皮膜(2)，橡皮膜(2)的表面印刷有标记网格(3)；
2)将土样(1)置于压力室(4)中，并将土样(1)的下表面与压力室(4)下部的底座(5)相连接，将土样(1)的上表面与压力室(4)的加载帽(6)相连接，并将加载帽(6)与加载杆(7)相连接；
3)将压力室(4)内部充满水，依据橡皮膜(2)表面印刷的标记网格(3)用相机(8)观测比对标记网格(3)内同一水平高度上各交点之间的水平距离dxi，以及标记网格(3)外同一水平高度上各交点之间的水平距离dxj，并依据式(1)计算土样(1)的直径R，公式(1)为：
Figure FDA0002723600710000011
式中，R为土样(1)的直径，dxi为标记网格(3)同一水平高度上各交点之间的水平距离，dxj为标记网格(3)外同一水平高度上各交点之间的水平距离，π为圆周率；
4)设置目标轴向力σa，设置土样的轴向加载速率Lr，设置围压σ3；
5)依据设置的土样(1)的轴向加载速率Lr和设置的围压σ3对土样(1)开始加载，同时依据橡皮膜(2)表面印刷的标记网格(3)用相机(8)观测加载后土样(1)的直径Rs，其中Rs的计算式与R的计算式(1)一致；
6)当Rs＝R时，继续进行土样(1)加载直至加载杆(5)测到的轴向力等于目标轴向力σa时停止试验；当Rs＞R时，增加压力室(4)的围压σ3直至Rs＝R，之后继续进行土样(1)加载直至加载杆(5)测到的轴向力等于目标轴向力σa时停止试验；当Rs＜R时，减小压力室(4)的围压σ3直至Rs＝R，之后继续进行土样(1)加载直至加载杆(5)测到的轴向力等于目标轴向力σa时停止试验。
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