石泉彬,楊 平,孫厚超,3

(1. 南京林業(yè)大學土木工程學院,江蘇 南京 210037; 2. 泰州職業(yè)技術學院建筑工程學院,江蘇 泰州 225300;3. 鹽城工學院土木工程學院,江蘇 鹽城 224051)

凍土直剪儀多功能改進與試驗研究

石泉彬1,2,楊 平1,孫厚超1,3

(1. 南京林業(yè)大學土木工程學院,江蘇 南京 210037; 2. 泰州職業(yè)技術學院建筑工程學院,江蘇 泰州 225300;3. 鹽城工學院土木工程學院,江蘇 鹽城 224051)

為從更多角度、更準確進行凍土接觸面力學性能試驗研究,對原凍土直剪儀進行多功能改進完善:對溫度采集、位移測量、凍土盒裝卸等裝置進行改進,使凍土直剪儀能更好地滿足凍土接觸面力學性能試驗要求;在原凍土直剪儀基礎平臺上集成凍土接觸面凍結強度試驗、凍土界面層力學特性試驗模塊,滿足多功能試驗要求;新功能開發(fā)采用模塊化設計,注重各功能模塊的兼容性和功能切換的方便性。試驗結果表明改進后的凍土直剪儀能滿足凍土接觸面凍結強度、接觸界面層力學特性等多功能試驗要求,試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

凍土直剪儀;接觸面;界面層;多功能改進;功能合成

天然凍土與基礎接觸面力學特性和受力變形規(guī)律是確定凍土區(qū)基礎工程承載力、抗拔性能和分析構筑物與凍土相互作用的基礎和關鍵[1];各類地鐵隧道、快速路下穿隧道、過江隧道、地下綜合管廊隧道施工中廣泛采用人工凍結加固法,但人工凍土與結構接觸面間凍結力會引起結構應力重新分布,引發(fā)結構損傷[2],甚至可能影響地下工程掘進設備正常推進施工。因此,凍土與結構接觸面力學特性研究已成為天然凍土和人工凍結加固工程中凍土與構筑物相互作用核心問題之一。

試驗儀器研制和開發(fā)是進行科學研究的前提和保障。凍土接觸面試驗儀器研制通常借鑒常溫土抗剪強度試驗[3-4]及常溫土接觸面試驗儀器研究成果。Desai[5]研制出多自由度循環(huán)直剪儀。Uesugi等[6]利用矩形截面單剪儀進行接觸面試驗研究。Fakharian[7]研制出具有直剪和單剪功能的三維循環(huán)接觸面剪切儀(C3DSSI)。張建民等[8]研制出能實現(xiàn)單向往返、十字、圓形、橢圓等任意加載路徑大型三維接觸面試驗儀。張嘎等[9]研制出能通過視窗進行接觸面形態(tài)細觀觀測的大型循環(huán)直剪儀。胡黎明等[10]研制出能通過數(shù)字照相技術記錄土體顆粒位移情況的直剪儀。王偉等[11]改進單剪儀反向剪力加載系統(tǒng)進行正反向單剪試驗對比研究。在凍土接觸面試驗儀器研制方面, Lee等[12]將常溫土直剪儀置于步入式環(huán)境箱用于凍土與結構凍結強度試驗研究。崔穎輝等[13]、Liu等[14]將傳統(tǒng)直剪儀改造為凍土動荷載直剪儀,測量出凍土在動荷載下的應力-應變曲線、動彈性模量、動阻尼比等,但未考慮接觸面粗糙度的影響,無凍土界面層力學特性試驗功能。國內外有關常溫土與結構接觸面力學性能試驗儀器研究成果較多,但有關凍土與結構接觸面力學性能試驗儀器研究成果較少,尤其是有關專門用于凍土接觸面力學性能試驗研究的多功能凍土直剪儀鮮有報道。

本課題組趙聯(lián)楨等[15]研制大型多功能凍土直剪儀,可模擬多種粗糙度接觸面實現(xiàn)循環(huán)和單調2種剪切形式。通過已有試驗研究[16-17]發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有試驗裝置功能仍不夠完善,性能有待優(yōu)化拓展,因此有必要進行裝置優(yōu)化和多功能改進以滿足凍土接觸面多角度試驗研究需求。

1—移動支架A;2—上翼板;3—伺服電機;4—減速機;5—豎導軌;6—傳力棒;7—拉壓力傳感器;8—升降機;9—手輪;10—稱重傳感器;11—滾動膜片氣缸;12—法向荷載傳感器;13—法向位移計;14—彈簧;15—移動支架B;16—擋土板;17—剪切板;18—凍土盒;19—保溫層;20—溫度傳感器;21—冷液循環(huán)銅管;22—水平導軌;23—水平位移計;24—機架圖1 DDJ-1型大型凍土直剪儀示意圖Fig.1 Diagram for the DDJ-1 large direct shear apparatus for frozen soil

1 試驗裝置優(yōu)化與功能合成

從凍土接觸面凍結強度試驗和凍土界面層力學性能試驗兩大主要功能要求出發(fā),在原大型凍土直剪儀[15](圖1)基礎上進行優(yōu)化改進和多功能合成,使其為凍土與結構接觸面力學性能相關試驗研究提供更為精確可靠、多功能、模塊化的軟硬件平臺。

1.1試驗裝置優(yōu)化

1.1.1 凍土制冷控溫裝置優(yōu)化

原凍土直剪儀PT-100熱電阻溫度傳感器測量端為中空管,直徑較大,不適于采集凍土接觸面溫度,且在剪切時易損壞。鑒于T型熱電偶具有線性度好、熱電動勢較大、靈敏度較高、動態(tài)響應好、均勻性好、結構簡單等優(yōu)點,尤其在-200～0 ℃使用穩(wěn)定性好(年穩(wěn)定性可小于±3 μV),故將凍土盒控溫傳感器和接觸面溫度測量傳感器均更換為T型熱電偶溫度傳感器。同步研制與T型熱電偶溫度傳感器相配套的溫度采集盒,由凍土直剪儀試驗軟件系統(tǒng)根據(jù)測溫數(shù)據(jù)對低溫恒溫冷浴進行動態(tài)控制和接觸面溫度數(shù)據(jù)全程記錄。

1.1.2 位移測量裝置優(yōu)化

為更精確可靠記錄凍土接觸面、界面層在剪切過程中剪應力隨位移變化規(guī)律,位移傳感器精度是試驗成敗關鍵因素之一。主要優(yōu)化途徑是改進位移傳感器固定支座和更換高精位移傳感器:改進原有位移傳感器固定方式(一端用可調表座固定,另一端用擋塊支撐),使位移傳感器位置固定更穩(wěn)固、拆卸更方便;更換型號為novotechnik TR高精位移傳感器(位移測量精度±0.01 mm),使位移測量精度更高、穩(wěn)定性更好、動態(tài)響應更快,從而大幅提高凍土直剪儀剪切過程位移測量精準度。

1.1.3 凍土盒裝卸裝置優(yōu)化

凍土盒采用雙層銅板制成,內置冷液循環(huán)銅管,其裝土后質量達60 kg。凍土盒過重使得人工裝卸凍土盒十分吃力、難以精準就位、易破壞土樣表面。為克服現(xiàn)有不足,專門研制一種凍土盒裝卸裝置(圖2(a)),它整體固定于凍土直剪儀機架上,可根據(jù)試驗需要方便整體拆卸,不影響凍土直剪儀原使用功能,通過軌道、薄壁千斤頂、手動液壓油泵、托舉支架等裝置(圖2(b))使凍土盒提升、移動、就位更易掌控。

圖2 凍土盒裝卸裝置及其結構示意圖Fig.2 Loading and unloading device of frozen soil box and schematic diagram of its structure

1.2試驗裝置模塊化設計與功能合成

為提高試驗設備使用效率和模塊兼容性,凍土直剪儀不同功能試驗裝置均采用模塊化設計。接觸面凍結強度試驗模塊由標準凍土盒、冷液循環(huán)剪切板、溫度傳感器、溫度采集盒、水平及豎直位移計等成套裝置組成。界面層力學特性試驗模塊由專用凍土盒、制樣器、數(shù)碼攝像頭、剪切板、水平及豎直位移計等裝置組成。各試驗模塊均以原凍土直剪儀機架、加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、軟件操作系統(tǒng)等為公共平臺開發(fā),在不同試驗功能合成的同時還注重不同功能試驗模塊切換的方便性,注重不同試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)分類同步顯示、后臺自動記錄、及時動態(tài)反饋,提高人機交流友好性。

2 凍土接觸面凍結強度試驗功能研發(fā)

圖3 內置冷液循環(huán)管剪切板Fig.3 Shear plate with internal cooling liquid circulation tube

2.1凍土接觸面凍結強度試驗裝置研制

2.1.1 凍土接觸面制冷裝置研制

原凍土直剪儀凍土盒內部盤管循環(huán)冷液的冷凍效率低,且無法確保凍土接觸面處溫度與凍土體內部溫度一致。為使試驗更為精準有效,有必要對原凍土直剪儀制冷方式進行改進:在剪切板內布置多排冷液循環(huán)銅管,將剪切板冷液循環(huán)銅管和凍土盒冷液循環(huán)銅管串聯(lián)并與低溫恒溫冷浴冷液輸出端和輸入端相連接(圖3),通過低溫恒溫冷浴對凍土盒和剪切板同時循環(huán)制冷,大幅度提高凍土接觸面凍結效率和凍結效果。

2.1.2 凍土接觸面溫度采集裝置研制

為精確采集凍土接觸面溫度,當土樣制作完畢后將3根T型熱電偶溫度傳感器分別從凍土盒上表面固定位置插入距凍土表面約2～3 mm不同位置,以實時觀測并全程記錄凍土接觸面在凍結、加載、剪切全過程溫度變化情況,以更準確探究溫度對凍土接觸面凍結強度影響及剪切過程中凍土接觸面溫度變化規(guī)律。

2.1.3 凍土接觸面剪切加載方式改進

縮小剪切板(圖3)短邊尺寸,使其比凍土盒短邊內部尺寸小2 mm。土樣制作完成后將凍土盒準確推入至剪切位置,旋轉手輪使剪切板在自重作用下緩降,直至與土樣上表面接觸。通過凍土盒和剪切板內部銅管冷液循環(huán)對土樣凍結,待凍結至試驗設計溫度后再施加法向荷載。改進后加載方式能夠克服原凍土直剪儀試驗時凍土樣上表面與剪切板不完全接觸缺陷,從而有利于更為準確測定凍土接觸面凍結強度。

2.2凍土接觸面凍結強度相關測試研究

圖4 凍土盒及剪切板結構示意圖(單位:mm)Fig.4 Schematic diagram of frozen soil box and shear plate(units: mm)

為檢驗改進后凍土直剪儀凍結強度試驗效果,選用南京地區(qū)地鐵施工區(qū)域典型粉細砂進行試驗,其密度為1.98 g/cm3,孔隙比為0.721,壓縮系數(shù)為0.145 MPa-1,壓縮模量為12.98 MPa,內摩擦角為30.2°。試驗時按26%原狀土含水量重塑,土樣分3層定量裝入凍土盒,每層裝樣后均勻振搗,控制土樣平均密度為1.96 g/cm3。凍土盒內空腔為長方體(長200 mm×寬100 mm×高87 mm),長邊兩側對稱布置溫度傳感器(圖4)。進行單程(11 mm)剪切,剪切速率7 mm/min。剪切板粗糙度R定義為剪切板表面凹痕的垂直深度,以 mm計,其凹痕各齒邊沿剪切板水平向等間距均勻分布,各齒邊的邊長關系如圖4所示。

圖5為接觸面溫度T=-2 ℃、R=1.4 mm、法向應力σ=300 kPa時部分凍結強度測試結果。由圖5可知：剪應力隨剪切位移增加先快速增長并達到峰值即極限凍結強度,隨后剪應力顯著下降并隨剪切位移增加而呈循環(huán)波動變化;接觸面溫度隨剪切位移增加呈分段遞增趨勢。其原因為粗糙剪切板沿有凹痕凍土接觸面滑動摩擦生熱使接觸面溫度升高,剪切過程中接觸面處凍土體處于剪壓狀態(tài),凍土壓融也使接觸面溫度升高;因溫度升高接觸面處凍土體凍結強度隨之降低,同時由于接觸面處凍土體沿粗糙剪切板錯動滑移,故剪應力在峰值后波動變化,并呈逐漸減小趨勢。

圖5 剪應力及接觸面溫度隨剪切位移變化曲線Fig.5 Curve of shear stress and interface temperature varying with shear displacement

圖6為T=-10 ℃、R=0.3 mm、σ=300 kPa時部分凍結強度測試結果,由圖6可發(fā)現(xiàn):剪應力在達到極限凍結強度后隨剪切位移繼續(xù)增加而循環(huán)波動變化;法向位移變化趨勢與剪應力變化趨勢相似;由于剪切破壞瞬間剪切板脫離凍土接觸面凹痕顯著抬升,故法向位移隨剪切位移遞增先增大至0.18 mm,后顯著減小至-0.25 mm;后因粗糙剪切板沿有凹痕凍土接觸面滑動,故法向位移隨剪切位移繼續(xù)增加也呈循環(huán)波動變化。

圖6 剪應力及法向位移隨剪切位移變化曲線Fig.6 Curve of shear stress and normal displacement varying with shear displacement

圖7 不同粗糙度條件下剪應力隨剪切位移變化曲線[18]Fig.7 Curve of shear stress changing with the shear displacement under different roughness [18]

通過比較前述2組測試結果發(fā)現(xiàn):當R=1.4 mm(圖5),剪應力在峰值后的波峰間距較大,當R減小為0.3 mm(圖6),剪應力在峰值后的波峰間距相應減小。其他組測試結果也呈相似現(xiàn)象,且當剪切板光滑時剪應力在峰值后下降并保持恒定(圖7,T=-14 ℃,σ=500 kPa)。據(jù)此推斷剪應力在峰值后呈現(xiàn)波動變化與剪切板表面凹痕有關,且其波峰間距隨剪切板粗糙度減小而減小。

測試結果表明改進后的凍土接觸面凍結強度試驗裝置能滿足凍結強度試驗要求,且其試驗結果與前期研究發(fā)現(xiàn)的剪應力在峰值后波動變化、其變化趨勢與剪切板粗糙度相關的結論(圖7)相吻合。裝置改進后,能更有效地凍結土樣，更精準地測量、控制溫度，更精確地測量水平和豎向位移,因此試驗精準度大幅度提高。

3 凍土界面層力學特性試驗功能研發(fā)

凍土與結構相互作用問題不僅指接觸面問題,還包括受接觸面約束影響的那部分凍土薄層,即接觸界面層,因此有必要研制專門進行凍土界面層力學特性試驗的裝置。

3.1凍土界面層力學特性試驗裝置研制

3.1.1 改進凍土盒

保持原土樣尺寸(200 mm×100 mm×87 mm)不變前提下,降低凍土盒高度,以使土樣能凸出凍土盒頂面10 mm,以滿足對凍土接觸界面層側表面圖像采集要求。

3.1.2 改進制樣方法

采用厚度為10 mm、內方孔尺寸為100 mm×200 mm制樣模板(圖8)疊合在凍土盒上表面輔助進行凍土試樣制作,實現(xiàn)土樣凸出凍土盒頂面10 mm。

1—凍土盒；2—土樣；3—土樣界面層；4—制樣模板；5—防翹棒；6—防翹軸承；7—工業(yè)相機；8—圖像處理裝置(筆記本電腦)；9—剛性支架；10—底座；11—定焦鏡頭；12—LED照明燈圖8 凍土接觸界面層力學試驗裝置示意圖Fig.8 Schematics of the mechanical test apparatus for interface layer of frozen soil

3.1.3 研制接觸界面層圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)由工業(yè)相機和鏡頭、LED光源、剛性支架和圖像處理裝置等組成(圖8)。該系統(tǒng)采用的工業(yè)相機為針對高清晰度、高分辨率視覺檢測領域設計的一款1 400 W像素CMOS彩色相機,采用7.2 mm高清無畸變工業(yè)定焦鏡頭,鏡頭與測量物體距離約20 cm,視野大小約13 cm×17 cm,該鏡頭能克服透視相差(成像時由于距離不同而造成放大倍數(shù)不一致現(xiàn)象)的影響,使檢測目標在一定范圍內運動時得到的尺寸數(shù)據(jù)幾乎不變,滿足接觸界面層試驗對土顆粒位移測量高精度要求。

3.1.4 研發(fā)接觸界面層圖像測量軟件

針對凍土接觸界面層力學特性試驗自主研發(fā)圖像測量1400軟件,實現(xiàn)界面層數(shù)字圖像處理,位移測量精度達±1 μm。具體程序如下:將相機安裝于剪切盒支架上,在被測界面層位置安置標定板,連接相機與計算機系統(tǒng);采集標定板圖像并進行灰度變換、濾波、二值化、開始運算和區(qū)域標識等圖像處理操作,得到各標定點重心像平面坐標(單位:像素);把各標定點像平面坐標和已知物平面坐標(單位: mm)一一對應,形成標定樣本并進行系統(tǒng)標定(圖9(a)),得到兩坐標間映射關系;采集測量點圖像并利用軟件進行圖像處理(圖9(b)),得到各測量點重心像平面坐標,利用已有映射關系得出測量點物平面坐標,各點物平面坐標減去各自初始值即為各測量點物平面位移。由此精確測量剪切過程中凍土接觸界面層各點水平位移。

圖9 標定板標定及圖像測量軟件操作界面Fig.9 Operation interface of calibration board and image measurement software

3.2凍土界面層力學特性相關測試研究

為驗證接觸面界面層力學特性試驗裝置性能,選用南京地鐵穿越地區(qū)典型粉質黏土進行2組單程剪切試驗,其含水率為30%,密度為1.84 g/cm3,孔隙比為0.946,液限為32.4%,塑限為19.9%,內摩擦角為11.9°,黏聚力為17 kPa。第1組T=-10 ℃,R分別為100 kPa、300 kPa、500 kPa、700 kPa;第2組σ=500 kPa,T分別為-2 ℃、-6 ℃、-10 ℃、-14 ℃,試驗結果如圖10所示。

圖10 不同法向荷載及溫度條件下接觸界面剪應力隨剪切位移變化關系曲線Fig.10 Curve of interface shear stress varying with shear displacement under different normal loadings and temperatures

圖11 不同法向荷載條件下凍土深度～凍土體平均剪切位移關系曲線Fig.11 Curve of frozen soil depth and average shear displacements under different normal loadings

通過界面層圖像測量軟件得到不同法向荷載下凍土深度～凍土體平均水平位移關系曲線(圖11),由圖11可知,隨凍土深度增加,界面層內凍土體平均水平位移減小。隨法向荷載增加,界面層中同一層凍土體平均水平位移增加,而不同層凍土體平均水平位移隨深度減小,在深度5 mm范圍內影響較明顯。究其原因為凍土體與剪切板接觸界面層水平剪切應力與法向荷載呈正比,靠近接觸界面凍土體受剪切應力較大,而隨著距接觸界面越遠該剪切應力逐漸衰減,直至趨向于零,而剪切應力是引起該剪切位移的直接原因。

試驗研究表明該系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)接觸界面層力學特性試驗,且能對接觸界面層凍土體微量位移進行量測、分析，可以比較真實地反映凍土與結構接觸界面層應力和變形力學特性。

4 結 論

對凍土直剪儀進行多功能改進與試驗研究,為凍土與結構接觸面力學性能試驗研究提供更好軟硬件條件,并可為凍土接觸面同類試驗研究和試驗儀器研發(fā)提供借鑒,其主要研究結論如下:(a)對原大型凍土直剪儀進行改進和優(yōu)化,重點對溫度采集記錄裝置、位移測量裝置、凍土盒裝卸裝置等進行優(yōu)化改進,使其能更好滿足凍土接觸面多功能力學特性試驗要求;(b)在原大型凍土直剪儀基礎平臺上進行功能開發(fā),研制出凍土接觸面凍結強度試驗、凍土界面層力學特性試驗等多功能試驗模塊;(c)凍土直剪儀多功能改進采用模塊化設計,注重各功能模塊的合成、兼容性和切換方便性;(d)測試研究表明該試驗儀可以滿足凍土與結構接觸面和界面層應力變形特性精準研究的要求。

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Multi-functionimprovementandexperimentalstudyonthedirectshearapparatusforfrozensoil

SHIQuanbin1,2,YANGPing1,SUNHouchao1,3

(1.SchoolofCivilEngineering,NanjingForestryUniversity，Nanjing210037,China;2.SchoolofArchitecturalEngineering,TaizhouPolytechnicalCollege，Taizhou225300,China;3.SchoolofCivilEngineering,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng224051,China)

For the purpose of making a more accurate study on the interface mechanical properties of the frozen soil from more perspectives, improvements on the original multi-function direct shear apparatus for frozen soil are conducted, which involve improvements on temperature collecting and recording device, displacement measuring device, and loading and unloading device for frozen soil box. These improvements will allow the direct shear apparatus to better meet testing requirements on the interface mechanical properties of frozen soil. Based on the original direct shear apparatus, modules related to the adfreezing strength test on the interface of frozen soil and the mechanical property test on the interface layer of frozen soil are integrated, meeting the multi-function testing requirements. The new functions are developed by means of modular design, in which the compatibility and convenience of switching between different functional modules are emphasized. The experimental results have shown that the improved direct shear apparatus is able to meet the multi-function experiment requirements for the frozen soil, such as the research on the adfreezing strength and mechanical properties of interface layer, and the testing data is demonstrated to be stable and reliable.

direct shear apparatus for frozen soil; interface; interface layer; multi-function improvement; functional synthesis

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.05.013

2016-09-01

國家自然科學基金(51278251);江蘇省青藍工程資助項目(蘇教師〔2016〕15號);泰州市科技支撐計劃項目(TS201522)

石泉彬(1978—),男,江蘇泰州人,副教授,博士研究生,主要從事環(huán)境巖土與城市地下工程研究。E-mail:sqb.tz@163.com

楊平,教授。E-mail:yangping@njfu.edu.cn

TU445

A

1000-1980(2017)05-0457-07