CN110441156A - 一种基于土体稳定状态特性测量三轴试样膜嵌入量的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于土体稳定状态特性测量三轴试样膜嵌入量的方法，属于土工试验技术领域。在常规三轴等压固结试验过程中，对三轴试样进行连续循环加卸载使其进入稳定状态，测出三轴试样随围压变化产生弹性骨架变形体积，继而根据三轴试样总排水体积由三轴试样骨架变形体积与橡皮膜嵌入体积组成这一基本理论推算出橡皮膜嵌入体积随围压变化量，实现对于橡皮膜嵌入量的准确测量。该测量方法仅需常规中型三轴试验仪，就能够得到精准测量三轴试样总排水体积和轴向变形，实现对于三轴试样表面膜嵌入量的精准测量，无需往外试验设备加以辅助。另外，该方法针对单个试样进行准确测量，无需开展多试样试验，保证后续试验结果准确性，具有良好的推广价值。

Description

一种基于土体稳定状态特性测量三轴试样膜嵌入量的方法
技术领域
本发明属于土工试验技术领域，涉及一种基于土体稳定状态特性测量三轴试样膜嵌入量的方法。
背景技术
在土工试验中，应用最为广泛和普遍的试验方法是三轴试验，在三轴试验中影响试验结果准确性最为重要的一个因素是橡皮膜嵌入。在三轴试验中，橡皮膜用于隔绝三轴试样与外部压力空间，围压通过橡皮膜施加在三轴试样表面，由于土体颗粒间存在孔隙，三轴试样表面呈现凹凸不平，由于橡皮膜是弹性的，随着围压的改变，橡皮膜嵌入孔隙中的深度也发生改变，这就是橡皮膜嵌入的影响。在常规不排水剪切试验中，橡皮膜嵌入影响孔隙水压力的发展；在常规排水剪切过程，橡皮膜嵌入影响体积变形的测量。由于橡皮膜嵌入的影响，导致无法准确反应土体的各项力学特性和变形特性，对于土工结构物的设计与安全评价不利。目前对于橡皮膜嵌入量的测量方法有：
(1)各向同性假设法：该方法利用土体在初始等压固结条件下，三轴试样轴向应变与径向应变相等的假设，土体骨架应变为3倍轴变。但是，实际径向应变较轴向应变偏大，将低估试样骨架变形，使得橡皮膜嵌入量测量值较实际值偏大。密实砂砾料试样各向异性较密实砂土更为明显，所以该方法不能适用。
(2)多尺寸试样法：该方法是根据多个不同尺寸的三轴试样的体积变形与橡皮膜覆盖面积之间的关系确定橡皮膜嵌入量。假定相同受力条件下，不同尺寸试样体积应变发展规律相同，但实际情况，大尺寸试样体变较小尺寸试样偏大。同时，个体试样间存在一定的随机性，测量准确性难以保证。另外，该方法需要多个不同尺寸三轴试验仪才能够完成相关实验，试验成本较高。
(3)内置构件法：该方法在试样中心位置处设置与试样等高的不同直径黄铜棒，假定试样体变与膜嵌入量成线性关系，据此推算，在黄铜棒直径与试样直径相同时，试样体变即为膜嵌入量。该方法制样难度大，较难保证试样密度分布均匀。且在实际加载过程中，轴向应变发展受到限制，且在黄铜棒附近土体存在严重的应力集中，导致体积应变发展不均。实际试验中，试样体变与膜嵌入量线性关系难以得到，因而难以推算实际膜嵌入量。
(4)局部应变法：该方法在试样径向外围设置局部位移传感器，测量试样局部径向应变，假定在等压固结条件下，试样各方向上径向应变相等。实际试验中，由于试样均匀性和端部约束的影响，径向应变分布不均，上述假定存在一定偏差。由于不同围压下橡皮膜沿厚度方向上存在弹性变形，测得局部位移较实际值偏大，该误差将直接引入到膜嵌入量中。另外，由于砂砾料表面孔隙较大，局部位移传感器较难保证设置位置不陷入孔隙中，测量准确性难以保证。
(5)角点识别法：该方法基于数字图像处理技术测量试样轴向变形和径向变形。该方法中，在橡皮膜表面绘制特征点，根据相关识别算法，计算变形前后特征点的位移，从而计算试样变形。由于特征点布置较为固定和集中，不能准确测量各高度上径向应变，且无法测量试样端部径向应变，导致骨架变形测量不够准确，从而影响嵌入量的测量。
综上所述，在目前三轴试验中，三轴试样表面橡皮膜嵌入量的测量方法还存在诸多不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有测量技术和方法的缺陷与不足，提供一种基于土体稳定状态特性测量三轴试样膜嵌入量的方法，该方法可以通过在常规等压固结试验过程中设置多重循环等压固结，使得三轴试样进入稳定状态，此时三轴试样变形为各向同性弹性，可以通过弹性力学基本理论计算三轴试样骨架变形，从而实现三轴试样表面橡皮膜嵌入量的精准测量。该方法操作过程简便，且将测量过程耦合到固结过程中，避免额外辅助测量试验，同时有效地消除试样个体间离散性差异的影响。
为了达到上述目的，本发明采用的方案是：
一种基于土体稳定状态特性测量三轴试样膜嵌入量的方法，包括如下步骤：
(a)采用常规中型三轴试验设备，按《土工试验规程-规程编号SL237-1999》中常规三轴试样制备方法制备饱和砂砾料三轴试样，试样尺寸：直径D＝100mm与高度H＝200mm。制样控制指标是相对密实度。在安装三轴试样时，在试样帽与试样上端间、试样底座与试样下端间增设带透水孔橡胶垫块，所述橡胶垫块尺寸直径100mm，厚度0.5mm，增设橡胶块目的是为了减小甚至消除端部约束对于三轴试样端部径向应变发展的影响。
(b)按《土工试验规程》对步骤(a)制备所得的砂砾料三轴试样进行常规固结排水试验；
首先，将围压分多级加载至目标围压值500kPa，多级围压加载包括30kPa、50kPa、100kPa、150kPa、250kPa、300kPa、350kPa、400kPa、450kPa、500kPa。在围压加载过程中，轴向力进行相应补偿，用于补偿加载轴抵消的部分围压加载，保证三轴试样处于等压固结状态。每级围压加载完成后，三轴试样固结时间为5min，固结完成后，进行下一步围压加载。按照上述步骤，直至三轴试样在目标围压下完成等压加载固结。然后，将围压分多级逐级卸载至初始状态30kPa，多级围压卸载包括500kPa、450kPa、400kPa、350kPa、300kPa、250kPa、200kPa、150kPa、100kPa、50kPa、30kPa。在围压卸载过程中，轴向力补偿持续跟进，用于补偿加载轴抵消的围压卸载，保证三轴试样处于等压固结状态。每级围压卸载完成后，三轴试样固结时间为5min，固结完成后，进行下一步围压卸载。按照上述步骤，直至围压卸载至初始围压30kPa。逐级等压固结加卸载的目的是为让三轴试样尽早进入稳定状态，减少测量时间。
待围压初始分级加卸载完成后，进行围压多重连续循环加卸载，围压加卸载速率为1kPa/s，围压加载从30kPa至500kPa，围压加载的同时轴向力补偿持续跟进，当围压加载至500kPa后，停止加载，使三轴试样在该状态下进行固结，时间为30s，其目的是使三轴试样体内排水能完全排入到体变测量系统中，保证三轴试样总排水体积量测准确。待固结完成，开始围压卸载，从500kPa至30kPa，围压卸载的同时轴向力补偿持续跟进，当围压卸载至30kPa后，停止卸载，使三轴试样在该状态下进行固结，时间为30s，其目的是使体变测量系统中水体能及时被三轴试样吸入，保证三轴试样总吸水体积量测准确。按照上述步骤对三轴试样进行多重循环加卸载。
上述试验过程中，由高精度电子天平体变测量系统测量得到三轴试样总排水体积Vt；由安装在三轴压力室内部，三轴试样顶部局部位移传感器测量三轴试样轴向位移。在多重循环加卸载等压固结过程中，当单次循环加载等压固结三轴试样总排水体积与该循环卸载等压固结三轴试样总排水体积差小于等于0.01cm3，且该次循环加载等压固结三轴试样轴向位移与该循环卸载等压固结三轴试样轴向位移之差小于0.002mm，同时满足，即判定三轴试样进入稳定状态，此时在加卸载等压固结条件下，三轴试样骨架变形为弹性变形。当三轴试样进入稳定状态后，继续进行一次循环加卸载等压固结，完成后将围压从30kPa加载至目标围压500kPa，完成等压固结试验。
(c)根据三轴试样进入稳定状态后循环加卸载等压固结试验结果计算橡皮膜嵌入体积。在上述循环加卸载等压固结试验加载过程中，测量得三轴试样轴向位移S，根据公式(1)计算三轴试样骨架体积变形Vk:
其中，V0是三轴试样原始体积；H是三轴试样原始高度。
根据三轴试样进入稳定状态后循环加卸载等压固结试验，加载过程中三轴试样总排水体积Vt和三轴试样骨架体积变形Vk，根据公式(2)计算三轴试样膜嵌入体积Vm：
Vm＝Vt-Vk (2)
本发明的原理为：该方法基于土体稳定状态理论，当三轴试样经过多重循环加载等压固结后，进入稳定状态，此时三轴试样骨架变形为弹性变形，符合弹性力学理论，三轴试样骨架变形各向同性，即三轴试样轴向应变与径向应变相等，三轴试样骨架体变为三倍轴向应变，再乘以三轴试样原始体积，即得三轴试样骨架变形体积。当三轴试样进入稳定状态后，三轴试样总排水体积由三轴试样骨架变形体积和橡皮膜嵌入体积两部分组成，即橡皮膜嵌入体积为三轴试样总排水体积减去三轴试样骨架变形体积，该橡皮膜嵌入体积为全量值。
本发明的有益效果是：该测量方法仅需常规中型三轴试验仪，就能够得到精准测量三轴试样总排水体积和轴向变形，实现对于三轴试样表面膜嵌入量的精准测量，无需额外试验设备加以辅助。该方法操作简便，只需设置相关加载程序，自动采集试验数据，无需额外操作，避免人为因素等对于试验结果的影响。测量过程耦合到三轴试样固结过程中，无需额外试验进行辅助测量，有效消除个体试样间离散性的影响，能够准确测量橡皮膜随着围压变化的嵌入量。为常规三轴固结排水剪切试验提供体积变形的修正提供依据，同时，也为常规三轴固结不排水剪切试验提供体积补偿的参考依据，推动砂砾料力学特性和本构模型的研究，具有良好的推广价值。
附图说明
图1为砂砾料级配曲线；
图2为围压加载过程；
图3为三轴试样进入稳定状态后循环加载等压固结总排水体积Vt、骨架体积变形Vk及膜嵌入体积Vm。
具体实施方式
以下结合实例，对上述的测量方法作详细说明。
一种基于土体稳定状态特性测量三轴试样膜嵌入量的方法，包括如下步骤：
(a)采用常规中型三轴试验设备，按《土工试验规程-规程编号SL237-1999》中常规三轴试样制备方法制备饱和砂砾料三轴试样，试样尺寸：直径D＝100mm与高度H＝200mm。制样控制指标是相对密实度。该试验所用砂砾料级配见图1，制样控制指标相对密实度为50％。在安装三轴试样时，在试样帽与试样上端间、试样底座与试样下端间增设带透水孔橡胶垫块，所述橡胶垫块尺寸直径100mm，厚度0.5mm，增设橡胶块目的是为了减小甚至消除端部约束对于三轴试样端部径向应变发展的影响。
(b)按《土工试验规程》对步骤(a)制备所得的砂砾料三轴试样进行常规固结排水试验，首先将围压分多级加载至目标围压值500kPa，多级围压加载包括30kPa、50kPa、100kPa、150kPa、250kPa、300kPa、350kPa、400kPa、450kPa、500kPa。在围压加载过程中，轴向力进行相应补偿，用于补偿加载轴抵消的部分围压加载，保证三轴试样处于等压固结状态。每级围压加载完成后，三轴试样固结时间为5min，固结完成后，进行下一步围压加载，按照上述步骤，直至三轴试样在目标围压下完成等压加载固结。然后，将围压分多级逐级卸载至初始状态30kPa，多级围压卸载包括500kPa、450kPa、400kPa、350kPa、300kPa、250kPa、200kPa、150kPa、100kPa、50kPa、30kPa。在围压卸载过程中，轴向力补偿持续跟进，用于补偿加载轴抵消的围压卸载，保证三轴试样处于等压固结状态。每级围压卸载完成后，三轴试样固结时间为5min，固结完成后，进行下一步围压卸载，按照上述步骤，直至围压卸载至初始围压30kPa。逐级等压固结加卸载的目的是为让试样尽早进入稳定状态，减少测量时间。待围压初始分级加卸载完成后，进行围压多重连续循环加卸载，围压加卸载速率为1kPa/s，围压加载从30kPa至500kPa，围压加载的同时轴向力补偿持续跟进，当围压加载至500kPa后，停止加载，使三轴试样在该状态下进行固结，时间为30s，其目的是使三轴试样体内排水能完全排入到体变测量系统中，保证三轴试样总排水体积量测准确。待固结完成，开始围压卸载，从500kPa至30kPa，围压卸载的同时轴向力补偿持续跟进，当围压卸载至30kPa后，停止卸载，使三轴试样在该状态下进行固结，时间为30s，其目的是使体变测量系统中水体能及时被三轴试样吸入，保证三轴试样总吸水体积量测准确。按照上述步骤对试样进行多重循环加卸载。整个等压固结围压加卸载路径见图2。上述等压固结试验过程中，由高精度电子天平体变测量系统测量三轴试样总排水体积；由安装在三轴压力室内部，三轴试样顶部局部位移传感器测量三轴试样轴向位移。在多重循环加卸载等压固结过程中，当单次循环加载等压固结三轴试样总排水体积与该循环卸载等压固结三轴试样总排水体积差小于等于0.01cm3且该次循环加载等压固结三轴试样轴向位移与该循环卸载等压固结三轴试样轴向位移之差小于0.002mm同时满足，即判定三轴试样进入稳定状态，此时在等压固结加卸载条件下，三轴试样变形为弹性变形。当三轴试样进入稳定状态后，继续进行一次循环加卸载等压固结，完成后将围压从30kPa加载至目标围压500kPa，完成等压固结试验。
(c)根据三轴试样进入稳定状态后循环加卸载等压固结试验结果计算橡皮膜嵌入体积。在上述循环加卸载等压固结试验加载过程中，测量得三轴试样轴向位移S＝0.310mm，根据公式(1)计算三轴试样骨架体积变形Vk:
其中，V0是三轴试样原始体积，该试验中V0＝1570.8cm3；H是三轴试样原始高度，该试验中H＝200mm；该试验中，当围压为500kPa时，三轴试样骨架变形体积Vk＝7.304cm3。
根据三轴试样进入稳定状态后循环加卸载等压固结试验，加载过程中三轴试样总排水体积Vt和三轴试样骨架体积变形Vk，根据公式(2)计算三轴试样膜嵌入体积Vm：
Vm＝Vt-Vk (2)
该试验中，三轴试样总排水体积Vt、三轴试样骨架变形体积Vk及膜嵌入体积Vm随围压变化曲线见图3。三轴试样总排水体积Vt＝18.651cm3；三轴试样骨架体积变形Vk＝7.304cm3；三轴试样膜嵌入体积Vm＝11.347cm3。
本发明的原理为：该方法基于土体稳定状态理论，当三轴试样经过多重循环加载后，进入稳定状态，此时三轴试样骨架变形为弹性变形，符合弹性力学理论，三轴试样骨架变形各向同性，即三轴试样轴向应变与径向应变相等，三轴试样骨架体变为三倍轴向应变，再乘以三轴试样原始体积，即得三轴试样骨架变形体积。当三轴试样进入稳定状态后，三轴试样总排水体积由三轴试样骨架变形体积和橡皮膜嵌入体积两部分组成，即橡皮膜嵌入体积为三轴试样总排水体积减去三轴试样骨架变形体积，该橡皮膜嵌入体积为全量值。
该方法只需在常规三轴试验仪上实现，无需额外辅助仪器，亦无需对现有试验仪器进行改造，且试验难度低，易于操作。该方法针对单个试验进行准确测量，无需开展多试样试验，有效避免个体试样之间的离散性对测量结果准确性的影响，同时，该测量过程完全耦合到三轴试样固结试验过程中，对于试样不会产生任何不良干扰，保证后续试验结果准确性。该方法能够精准测量橡皮膜嵌入随围压改变的变化量，为后续排水剪切试验提供体积变化修正依据或为后续不排水剪切试验提供体积补偿修正依据，推动了砂砾料力学特性与本构模型的研究，具有良好的推广价值。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于土体稳定状态特性测量三轴试样膜嵌入量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)采用常规中型三轴试验设备，按《土工试验规程-规程编号SL237-1999》中常规三轴试样制备方法制备饱和砂砾料三轴试样，制样控制指标是相对密实度；在安装三轴试样时，在试样帽与试样上端间、试样底座与试样下端间增设带透水孔橡胶垫块；
(b)按《土工试验规程》对步骤(a)制备所得的饱和砂砾料三轴试样进行常规固结排水试验；
首先，将围压由初始状态30kPa分多级加载至目标围压值500kPa，在围压加载过程中，轴向力进行相应补偿，每级围压加载完成后，三轴试样固结时间为5min；然后，将围压分多级逐级卸载至初始状态30kPa，在围压卸载过程中，轴向力补偿持续跟进，每级围压卸载完成后，三轴试样固结时间为5min；
待围压初始分级加卸载完成后，进行围压多重连续循环加卸载，连续循环加卸载速率为1kPa/s，围压加载从30kPa至500kPa，围压加载的同时轴向力补偿持续跟进，当围压加载至500kPa后，停止加载，使三轴试样在该状态下进行固结，时间为30s；待固结完成，开始围压卸载，从500kPa至30kPa，围压卸载的同时轴向力补偿持续跟进，当围压卸载至30kPa后，停止卸载，使三轴试样在该状态下进行固结，时间为30s；重复上述步骤，至三轴试样进入稳定状态；
上述试验过程中，由高精度电子天平体变测量系统测量得到三轴试样总排水体积Vt；由安装在三轴压力室内部、三轴试样顶部局部位移传感器测量三轴试样轴向位移；在多重循环加卸载等压固结过程中，当单次循环加载等压固结三轴试样总排水体积与该循环卸载等压固结三轴试样总排水体积差小于等于0.01cm3，且该次循环加载等压固结三轴试样轴向位移与该循环卸载等压固结三轴试样轴向位移之差小于0.002mm，同时满足，即判定三轴试样进入稳定状态，此时在等压固结加卸载条件下，三轴试样变形为弹性变形；
当三轴试样进入稳定状态后，继续进行一次循环加卸载等压固结，完成后将围压从30kPa加载至目标围压500kPa，完成等压固结试验；
(c)根据三轴试样进入稳定状态后循环加卸载等压固结试验结果计算橡皮膜嵌入体积；在上述循环加卸载等压固结试验加载过程中，测量得三轴试样轴向位移S，根据公式(1)计算三轴试样骨架体积变形Vk:
其中，V0是三轴试样原始体积；H是三轴试样原始高度；
根据三轴试样进入稳定状态后循环加卸载等压固结试验，加载过程中三轴试样总排水体积Vt和三轴试样骨架体积变形Vk，根据公式(2)计算三轴试样膜嵌入体积Vm：
Vm＝Vt-Vk。 (2)
2.根据权利要求1所述的一种基于土体稳定状态特性测量三轴试样膜嵌入量的方法，其特征在于，步骤(a)中所述的带透水孔橡胶垫块尺寸直径100mm，厚度0.5mm。
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