發(fā)布時間:2022-05-07所屬分類:工程師職稱論文瀏覽:1次
摘 要: 摘 要: 土工參數(shù)是工程設(shè)計、施工的重要依據(jù),準確可靠的土工參數(shù)有利于節(jié)約工期,降低造價、保證質(zhì)量,并大幅提高經(jīng)濟和社會效益。由于巖土介質(zhì)復雜的多相性、碎散性和自然性特征,巖土工程測試技術(shù)對科學認知巖土各項物理力學指標,深入理解其工程力學性質(zhì)起著極其重
摘 要: 土工參數(shù)是工程設(shè)計、施工的重要依據(jù),準確可靠的土工參數(shù)有利于節(jié)約工期,降低造價、保證質(zhì)量,并大幅提高經(jīng)濟和社會效益。由于巖土介質(zhì)復雜的多相性、碎散性和自然性特征,巖土工程測試技術(shù)對科學認知巖土各項物理力學指標,深入理解其工程力學性質(zhì)起著極其重要的作用。從三軸壓縮試驗、離心模型試驗、共振柱試驗及熱物性參數(shù)試驗等方面,對室內(nèi)土工測試技術(shù)研究新進展進行了闡釋,并從靜載荷試驗、觸探試驗、旁壓試驗和十字板剪切試驗等方面,對巖土原位測試技術(shù)及其應用研究進行了分析。伴隨著巖土工程測試技術(shù)自動化、智能化、精細化水平的提高,巖土項目建設(shè)的質(zhì)量和效益必將得以全面提升。
關(guān)鍵詞: 土工測試; 三軸壓縮; 離心模型; 共振柱; 光纖監(jiān)測
巖土是歷經(jīng)千百萬年地質(zhì)作用形成的,物理力學性狀極其復雜的工程介質(zhì)。巖土工程測試是科學認知巖土各項物理力學指標,準確進行工程設(shè)計、分析計算的重要方式,也是深入理解巖土工程力學性質(zhì),助推學科蓬勃發(fā)展的重要動力[1 - 2]。伴隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的縱深推入,高土石壩、超高層建筑、深海采油平臺等工程項目不斷出新,超大粒徑堆石料、高寒冰凍土、天然氣水合物土等復雜土工介質(zhì)相繼涌現(xiàn),對巖土工程測試技術(shù)提出了新的、更高的要求。
與工程建設(shè)的大規(guī)模開展相對應,近年來巖土工程測試技術(shù)取得了巨大發(fā)展進步。新型電子、光纖設(shè)備不斷被研發(fā),聲波、電磁、物探方法不斷涌現(xiàn),巖土工程測試技術(shù)的自動化、智能化和精細化水平得到了大幅提升[3]。本文對巖土工程測試技術(shù)研究新進展進行闡釋述評,以期為工程建設(shè)提供有益參考和借鑒。
1 實驗室測試技術(shù)
在土工實驗室內(nèi)開展、完成的試驗,主要有土的基本物理性質(zhì)試驗、液塑限聯(lián)合測定試驗、擊實試驗、直剪試驗、三軸壓縮試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗、空心圓柱扭剪試驗、離心模型試驗、共振柱試驗及熱物性參數(shù)測試試驗等。
1. 1 三軸試驗
三軸壓縮試驗可以嚴格控制排水條件,測量軟黏土試樣的孔隙水壓力和體積變形,還可以進行不同應力路徑、不同應力狀態(tài)的組合試驗[4 - 5]。常規(guī)三軸試驗中試樣處于軸對稱應力狀態(tài)( σ1 ﹥ σ2 ﹦ σ3 ) ,無法考慮中主應力的影響,與實際受力狀況存在一定差異。真三軸試驗能實現(xiàn)三向獨立加載( σ1 ﹥ σ2 ﹥ σ3 ) ,真實反映土體在三向受力狀態(tài)下的應力應變特性( 見圖 1) ,且可以考慮復雜應力條件下土體的初始各向異性及誘發(fā)各向異性。
真三軸儀按荷載施加方式主要分 3 種: 剛性加載型、柔性加載型和混合型加載型。清華大學研發(fā)了巖土大型靜動真三軸試驗機( THU - SDTTA) ,該試驗機采用異形乳膠膜和橢圓形試樣帽封樣,具有密封性好、量測精度高、操作便捷等優(yōu)勢,適宜于混合加載方式下的各項參數(shù)測試[6]; 重慶大學自主研制的多功能真三軸流固耦合試驗系統(tǒng),能保證真三軸條件下氣液的自由滲流控制與精準監(jiān)測,可以實現(xiàn)復雜狀態(tài)下巖體的應力 - 應變 - 滲流耦合性能測試[7]; 中科院武漢巖土力學研究所研制的 RTX - 3000 非飽和土真三軸試驗系統(tǒng),位移量測精度達 0. 01 mm,可進行拉壓、松弛、蠕變、循環(huán)等多種應力路徑的力學特性試驗[8]。
動三軸試驗( DTT) 可用以測試土的動剪切模量和阻尼比,在分析交通、波浪或地震荷載下土的動力學特性方面用途極廣。美國 Geocomp、英國 GDS 動三軸測試儀位移精度 0. 7‰ ~ 1. 0‰,軸向力精度 1‰,在揭示粗粒砂的動應力 - 應變、孔隙水壓力消散規(guī)律特性,及液化機理分析方面功能強大。與常規(guī)動三軸相比,變圍壓動三軸能同時提供循環(huán)變化的偏應力與循環(huán)變化的圍壓,可以模擬動荷載下循環(huán)剪應力與循環(huán)正應力的耦合作用,廣泛應用在考慮縱波影響的地震荷載、考慮水平應力循環(huán)變化的交通荷載設(shè)計計算中。
1. 2 離心模型試驗
土工離心試驗借助離心機產(chǎn)生離心力,通過將小尺寸土工模型置于 ng( g 為重力加速度) 的重力加速度場內(nèi),實現(xiàn)對復雜巖土工程問題的模擬分析。離心機高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力,能使離心模型產(chǎn)生與實際結(jié)構(gòu)相同的應力場,通過對離心模型的受力、變形分析,可以推測實際結(jié)構(gòu)的力學性態(tài)、變形破壞機制。離心模擬測試技術(shù)具有“縮尺”與“縮時”效應,目前已廣泛應用在土石壩、邊坡、擋土墻、深基坑等工程領(lǐng)域,成為人們進行土工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計、探索巖土基本原理的重要技術(shù)手段[9]。
同濟大學較早開展了土工離心機的研發(fā),其研制的 TLJ -150 復合型試驗機最大荷載能力 150g·t,最大離心加速度 200g,為地鐵隧道等項目建設(shè)的順利實施提供了科技支撐[10]; 大連理工大學土工鼓式離心機 GT450 環(huán)形槽直徑 1. 4 m,在數(shù)據(jù)處理精度、電機自動化程度及作動器加載模式方面已達到國際先進水平[11]; 中國水利水電科學研究院建成的 LXJ_ 4_450 土工離心機振動臺,可實現(xiàn)水平和垂直雙向耦合振動,能模擬不同能級的地震波動效應[12]; 浙江大學的 CHIEF( Centrifugal Hypergravity & Interdisciplinary Experiment Facility,CHIEF) 離心模擬設(shè)備,可以開展高壩與邊坡、深海深地工程、巖土地震工程等重大項目的研究,建成后將成為世界領(lǐng)先、應用范圍最廣的超重力多學科綜合實驗平臺[13]。
在海工結(jié)構(gòu)、凍土路基及環(huán)境巖土力學等非傳統(tǒng)領(lǐng)域,土工離心模型試驗技術(shù)也具有其獨特、重要的科研價值。蔡正銀等[14]研發(fā)了一種土工離心造波裝置,該裝置可在 120g 離心加速度條件下模擬 60 m 水深產(chǎn)生的波浪,正常運作時能精確控制波浪的頻率、波長和幅值; 陳湘生等[15]采用半導體制冷技術(shù)開發(fā)了一套寒區(qū)超重力試驗系統(tǒng),該系統(tǒng)可模擬 ± 30℃極端條件下,高鐵凍土路基凍脹 - 融沉耦合作用的循環(huán)過程; 詹良通等[16]以垃圾填埋場中的生化反應 - 溶質(zhì)遷移 - 骨架變形模型為研究對象,通過離心試驗分析了污染離子在不同土層中的長期遷移規(guī)律等。
1. 3 共振柱試驗
共振柱試驗( RCT) 是利用激振力使試樣產(chǎn)生振動,測出土樣共振頻率以確定彈性波的傳播速度,進而計算土動剪切模量和阻尼比的測試方法。共振柱試驗以一維波動理論為基礎(chǔ),是小應變( 1 × 10 - 6 ~ 1 × 10 - 4 ) 條件下測定土體動力特性參數(shù)理想的技術(shù)手段。其基本原理是在圓柱或圓筒形試樣上,以不同頻率施加縱向激振或扭轉(zhuǎn)激振,使土樣產(chǎn)生縱向振動或扭轉(zhuǎn)振動,根據(jù)共振頻率及土樣的幾何尺寸,計算土體的動剪切模量 Gd ( 見式( 1) ) 、動彈性模量 Ed ( 見式( 2) ) ,根據(jù)衰減曲線計算土體的阻尼比 λ( 見式( 3) ) 。共振柱試驗操作方便,測試結(jié)果離散性小,是現(xiàn)行地震安全性評價規(guī)范推薦的指定測試方法。
陳國興等[17]發(fā)現(xiàn)共振柱試驗測出的動剪切模量和阻尼比,在精度上與動三軸測試結(jié)果略有差異,重大工程項目應聯(lián)合利用這兩種測試方法,取長補短優(yōu)勢互補,進行場地安全性評價和抗震設(shè)計; 賀為民等[18]指出均等固結(jié)條件下土的動力學研究較為豐碩,而非均等固結(jié)條件下土的動剪切模量、阻尼比等相關(guān)研究較少,亟需開展均等與非均等固結(jié)下土的動力特性參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系研究; 楊文保等[19]研究表明,相同應變水平下原狀粉土動剪切模量隨土層深度增加而增加,動剪切模量比 G /Gmax隨剪應變 γ 增加則迅速衰減; 李劍等[20]通過對紅黏土的共振柱測試發(fā)現(xiàn),彈性變形范圍內(nèi)( 剪應變小于 1 × 10 - 4 ) ,重塑紅黏土的動剪切模量衰減較一般原狀土慢,當應變超過 1 × 10 - 4 后,紅黏土動剪切模量的衰減速度較其它土體快。
1. 4 水 - 熱 - 力多場耦合測試試驗
熱量交換、溫度變化對巖土物理力學性質(zhì)具有很大影響,隨著地熱資源開發(fā)利用、核廢料填埋處置及高寒凍土路基等項目建設(shè)的進展,水 - 熱 - 力耦合作用下巖土力學特性研究越來越受到科研人員的關(guān)注。中科院蘇天明等[21]通過 TC Probe 熱導儀測試發(fā)現(xiàn),水體的熱導率比巖土介質(zhì)的熱導率小,隨含水率增加巖土體的熱導率呈非線性下降趨勢( 見式 ( 4) ) ,巖土的孔隙結(jié)構(gòu)、尺寸及其分布規(guī)律對熱導率也有一定影響;
2 原位測試技術(shù)
原位測試技術(shù)是指在工程建設(shè)、施工現(xiàn)場,通過輕微擾動或基本不擾動的方式對原位土層進行測試,以確定巖土物理力學參數(shù)、性質(zhì)的方法。原位測試可避免室內(nèi)試驗取樣、運輸過程中,土體原狀結(jié)構(gòu)的破壞及水分損失,準確探明地基各土層的厚度、分布狀態(tài)及力學特性,測試結(jié)果具有很高的可靠性和代表性。 2. 1 靜載荷試驗靜載荷試驗通過液壓千斤頂、剛性承壓板逐級施加荷載,根據(jù)荷載 - 沉降( p - s) 曲線確定地基承載力和變形模量( 見圖 2) 。淺層平板載荷試驗適宜于淺層地基( ﹤ 5 m) 的檢測分析( 見式( 6) ) ,深層平板載荷試驗、螺旋板載荷試驗適宜于深層地基 ( ﹥ 5 m) 、大直徑樁和地下水位下土的檢測分析( 見式( 7) ) 。
2. 2 觸探試驗
圓錐靜力觸探( CPT) 是通過準靜力將標準規(guī)格的金屬探頭垂直均勻壓入土中,以測定土層阻力和地基承載力的原位測試技術(shù)。孔壓靜力觸探( CPTU) 則在 CPT 的探頭上安裝透水濾器及量測元件,能同時測得探頭錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力及地下水壓力等參數(shù)信息。隨著環(huán)境巖土工程等研究領(lǐng)域的興起和探測技術(shù)的發(fā)展,CPTU 涌現(xiàn)出許多新型傳感測試方式,促使 CPTU 朝著多功能和數(shù)字化方向邁進。
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劉松玉等[26]在 CPTU 的探頭上增加電阻率測試通道,研發(fā)了可用于測試土體電阻率的 RCPTU 系統(tǒng),已廣泛應用于污染場地評價、液化分析及地基處理效果檢測( 見圖 3) ; 沈小克等[27]通過安置波速檢測設(shè)備研發(fā)了地震波孔壓靜力觸探( SCPTU) 系統(tǒng),該系統(tǒng)可根據(jù)剪切波傳播時間測算土層的剪切波速,適宜于無黏性土相對密實度和液化勢的判別; 蔡國軍等[28]通過數(shù)碼攝錄技術(shù)實現(xiàn)了 CPT 的可視化,能現(xiàn)場觀測到探孔中的薄夾層、透鏡體及裂隙等復雜結(jié)構(gòu); 陳仁朋等[29]研發(fā)的熒光探頭 LIF 技術(shù),可用于探測地下水的烴污染狀況和石油、木餾油等有害成分的含量。
輕型動力觸探( DPT) 是利用錘擊能量將一定規(guī)格的探頭打人土中,以確定地基土密實度、壓縮性和承載力的原位測試技術(shù)。現(xiàn)場經(jīng)驗表明 DPT 錘擊能量傳遞率可達 80% 以上,性能穩(wěn)定效率高,考慮鉆桿直徑、錘重與落距等因素的影響,可根據(jù)需要對 DPT 測試數(shù)據(jù)進行適當修正。
2. 3 旁壓試驗
旁壓試驗( PMT) 是通過圓柱形探頭在鉆孔中對孔壁施壓,使土體產(chǎn)生徑向變形的原位測試方法。根據(jù)測得的膨脹壓力與土體變形,可以繪制應力 -體變、徑向壓力 - 位移關(guān)系曲線,進而計算土層的旁壓模量、地基承載力及沉降變形等參數(shù)( 見圖 4) 。旁壓試驗最大測試深度可達 20 m ~ 30 m,與深層平板載荷試驗相比,旁壓試驗操作簡單,且能得到較大范圍內(nèi)土的應力應變關(guān)系曲線。旁壓試驗可避開地下水的不利影響,測試結(jié)果準確可靠。
李廣信[30]指出試驗鉆孔是旁壓測試分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié),為獲得高質(zhì)量的鉆孔旁壓鉆頭直徑 Db、探頭直徑 Ds 和鉆孔直徑 Dw 需滿足 Ds ﹤ Db ﹤ 1. 07Ds, 1. 03Ds ﹤ Dw ﹤ 1. 18Ds; 孔令偉等[31]發(fā)現(xiàn)分級加載速率、加載穩(wěn)定間隔對測試結(jié)果也有較大影響,現(xiàn)場實測表明分級加載速率宜控制在 3 kPa /s ~ 5 kPa / s,加載穩(wěn)定時間間隔宜控制在 2 min ~ 5 min 之間; 楊光華等[32]將旁壓模量轉(zhuǎn)化為初始切線模量,進行黏性土地基的穩(wěn)定性評價和沉降計算( 見式( 8) 、式 ( 9) ) 。
3 結(jié) 語
巖土介質(zhì)是復雜的自然產(chǎn)物,巖土工程測試技術(shù)是深刻揭示巖土工程力學性質(zhì)的正確方式,也是論證土力學理論、優(yōu)化巖土項目設(shè)計的有效手段。巖土工程測試技術(shù)與巖土學科發(fā)展、項目建設(shè)休戚與共,始終緊密相連。隨著信息技術(shù)、電子技術(shù)、傳感技術(shù)的發(fā)展,巖土工程測試技術(shù)日新月異,取得了長足進步。本文系統(tǒng)分析了三軸壓縮試驗、離心模型試驗、共振柱試驗及熱物性參數(shù)測試試驗的研究進展,并全面闡釋了載荷試驗、觸探試驗、旁壓試驗和十字板剪切試驗的工程應用,期望能為巖土項目建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展作出貢獻。——論文作者:秦鵬飛,齊 悅,楊 光,梁一星
參考文獻:
[1] 李廣信. 高等土力學[M]. 北京: 清華大學出版社, 2004: 143-155.
[2] 錢家歡,殷宗澤. 土工原理與計算[M]. 2 版. 北京: 中國水利水電出版社,2000
.[3] 蔡正銀,張 晨,黃英豪. 凍土離心模擬技術(shù)研究進展[J]. 水利學報,2017,48( 4) : 398-407.
[4] 余 凱,姚 鑫,張永雙,等. 基于面積和應力修正的直剪試驗數(shù)據(jù)分析[J]. 巖石力學與工程學報,2014, 33( 7) : 675-680.
[5] 李廣信. 實用主義與土力學[J]. 巖土工程學報,2018, 40( 10) : 1897-1904.
[6] 劉松玉,蔡正銀. 土工測試技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 土木工程學報,2012,45( 3) : 151-165.
[7] 陳生水. 土石壩試驗新技術(shù)研究與應用[J]. 巖土工程學報,2015,37( 1) : 1-28.
[8] 沈小克,蔡正銀,蔡國軍. 原位測試技術(shù)與工程勘察應用[J]. 土木工程學報,2016,49( 2) : 98-120
9] Kitazume M,Maruyama K. Collapse failure of group column type deep mixing improved ground under embankment[C]/ /Proceedings of the International Conference on Deep Mixing 2005. US: ASCE,2005: 245-254.
[10] 于玉貞,張向韜,王 遠,等. 堆石料真三軸條件下力學特性試驗研究進展[J]. 工程力學,2020,37( 4) : 1- 21,29.
[11] 秦鵬飛. 不同應力路徑下飽和粉土強度與變形特性試驗研究與現(xiàn)場監(jiān)測分析[D]. 北京: 北京工業(yè)大學, 2010.
[12] Kitazume M,Okano K,Miyajima S. Centrifuge model tests on failure envelope of column type mixing method improved ground[J]. Soils and Foundations,2000,40 ( 4) : 43-55.
[13] 許成順. 復雜應力條件下飽和砂土剪切特性及本構(gòu)模型的試驗研究[D]. 大連: 大連理工大學,2006.
[14] 蔡正銀,周宏磊,蔡國軍,等. 土工測試與勘察技術(shù)研究進展[J]. 土木工程學報,2020,53( 5) : 100-117.
[15] 陳湘生,濮家騮,羅小剛,等. 土壤凍脹離心模擬試驗[J]. 煤炭學報,2009,34( 6) : 615-619.