黃 維， 胡勝華*， 許匯源， 艾 東， 袁晶晶， 蔣文豪， 邱 爽， 黃 偉， 劉 勝， 王菁莪

(1.湖北省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊，湖北 宜昌 443100; 2.中國民用航空飛行學(xué)院 機場學(xué)院，四川 廣漢 618307；3.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040; 4.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

在土體強度特性研究中，過去多側(cè)重于土體的抗剪強度和抗壓強度，對土體的抗拉強度關(guān)注較少，在工程建設(shè)中也往往將其忽略[1-2]。隨著工程建設(shè)及研究的深入，許多土工問題的研究分析及工程設(shè)計都必須考慮土體的抗拉強度，例如地裂縫、邊坡路基的拉張裂縫、滑坡后緣裂隙的形成以及隧道拱肩拉張掉塊等都與土體抗拉強度有著密切關(guān)系[3-5]。然而土體抗拉強度一般較低，很難通過測試直接測得。目前比較常用的土體抗拉強度測試方法分為直接法和間接法[6-7]。直接法主要為單軸拉伸法，通過將圓柱體土樣兩端與拉伸儀器黏結(jié)在一起，拉伸土樣兩端來獲得土體抗拉強度，然而這種方法很難將土樣兩端黏結(jié)牢固，造成黏結(jié)處容易斷裂，而且試驗過程中位移的監(jiān)測并不精細，因此在試驗過程中存在一定問題。間接法主要為軸向壓裂法、徑向壓裂法，通過二次計算獲得土體的抗拉強度，一般通過抗壓強度換算抗拉強度，存在中間換算過程，造成抗拉強度準確性不能得到保證。在土體裂縫形成過程研究方面，國內(nèi)外學(xué)者主要集中在數(shù)值模擬領(lǐng)域，陶祥令[8]通過擴展有限元方法(XFEM)模擬計算凍土裂縫的形成過程；喬建偉[9]通過有限元模型模擬地裂縫的形成過程。數(shù)值模擬能在一定程度上反映土體裂縫形成過程，但實際往往與數(shù)值模擬結(jié)果存在一定差距，因此缺乏實際測試結(jié)果作支撐的抗拉強度不盡合理。

針對目前土體抗拉強度及裂縫形成過程試驗方法中存在的問題，本文基于粒子圖像測速(PIV)系統(tǒng)，設(shè)計了一種新型土體抗拉強度及裂縫形成過程測試裝置，通過“∞”拉伸盒保證土體受拉均勻，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，準確獲得土體抗拉強度；同時通過PIV系統(tǒng)準確獲得土體裂縫形成過程及變形特征，使得土體抗拉強度及裂縫形成過程測試更加準確可靠。

1 裝置研制

1.1 裝置構(gòu)成

在現(xiàn)有土體抗拉強度測試裝置基礎(chǔ)上，設(shè)計一種基于PIV系統(tǒng)的新型土體抗拉強度及裂縫形成過程測試裝置(圖1)，主要由拉伸系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PIV系統(tǒng)三部分組成(圖2)。拉伸系統(tǒng)主要提供拉伸動力，進行土體抗拉強度測試；控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要控制拉伸系統(tǒng)，設(shè)置土體拉伸試樣主要參數(shù)(拉伸速率等)并采集數(shù)據(jù)；PIV系統(tǒng)主要用來測試土體裂縫形成過程及形變。

圖1 試驗裝置示意圖

圖2 試驗裝置實體圖

1.1.1拉伸系統(tǒng)

拉伸系統(tǒng)主要由步進電機、變速箱、絲杠滑臺、滑輪導(dǎo)軌、拉伸盒組成。拉伸盒一側(cè)通過剛性連接桿與應(yīng)力傳感器連接，并固定在試驗臺上；其另一側(cè)通過剛性連接桿與絲杠滑臺連接，再連接至步進電機與變速箱。絲杠滑臺、步進電機與變速箱均固定在試驗臺上。拉伸盒底部安裝滾珠滑槽，應(yīng)力傳感器兩端分別固定在試驗臺與拉伸盒一側(cè)，位移傳感器固定在試驗臺上，測頭與拉伸盒另一側(cè)接觸。步進電機主要提供拉伸動力，變速箱調(diào)節(jié)拉伸速度，應(yīng)力傳感器用于測試拉應(yīng)力，位移傳感器用于測量拉伸長度。

為了保證該試驗裝置能夠直接真實地反映試樣受拉狀態(tài)，設(shè)計拉伸盒如圖3所示。拉伸盒由可通過蝴蝶螺母固定的左右對稱兩部分組成，其材質(zhì)為不銹鋼，固定后長120 mm、寬80 mm、厚40 mm。拉伸盒中心裝樣部分設(shè)計為“∞”形，由半徑為30 mm的兩個對稱相交圓組合，相交部分的長度為50 mm。

圖3 拉伸盒示意圖

1.1.2控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由微型計算機(帶觸屏功能)組成。軟件系統(tǒng)是基于美國國家儀器公司研制的LabVIEW系統(tǒng)編程開發(fā)的，主要包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)儲存等功能。

在計算機屏幕初始界面打開試驗裝置控制系統(tǒng)程序，彈出如圖4所示的操作界面，在該界面下開展不同土體的抗拉強度測試。可選擇不同的拉伸速度來進行拉伸試驗，可控制電機前進或后退，可命令拉伸盒開始拉伸或復(fù)位。與此同時，拉伸時的速度、拉伸力、位移—時間曲線、應(yīng)力—時間曲線都能實時地在此界面顯示出來。點擊數(shù)據(jù)記錄，能記錄試驗數(shù)據(jù)，并以Excel表格形式導(dǎo)出數(shù)據(jù)，方便后期對試驗數(shù)據(jù)進行處理。

圖4 試驗裝置控制系統(tǒng)的操作界面

1.1.3PIV系統(tǒng)

PIV是一種光學(xué)測量技術(shù)，由于其具有非接觸式測量、操作簡單、精度較高、受外界干擾小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航天、巖土、流體試驗等領(lǐng)域[10]。在巖土領(lǐng)域，PIV技術(shù)主要應(yīng)用于巖土體的位移及形變測試[11]。PIV技術(shù)的基本原理是：在試樣上標記示蹤粒子，然后給試樣提供充足的光源，讓示蹤粒子能夠輕易被分辨；用CCD工業(yè)相機對試樣進行連續(xù)拍照，記錄試樣表面示蹤粒子的運動過程，得到連續(xù)時刻(t1-t2)的光學(xué)圖像；通過分析模塊，運用圖像相關(guān)性算法，識別同一示蹤粒子在連續(xù)2張照片中的位移，進而計算出試樣在t1-t2時刻的形變。

PIV系統(tǒng)主要由CCD工業(yè)相機及攝影燈組成。工業(yè)相機分辨率為2 748×2 200像素，曝光時間為0.06～1×106ms，具有黑白平衡、色彩還原等功能，能將拍攝的照片通過USB接口傳輸?shù)诫娔X中。攝影燈為工業(yè)相機拍攝過程提供補充光源，降低照片的噪點[12]。

1.2 裝置主要技術(shù)指標

本裝置的核心部件為拉伸系統(tǒng)、應(yīng)力傳感器、位移傳感器和工業(yè)相機。各部件核心參數(shù)如下：

(1) 拉伸系統(tǒng)可實現(xiàn)最大空載速度7.6 mm/min、最小空載速度0.059 mm/min；

(2) 應(yīng)力傳感器量程為30 kg，測試最大拉力為300 N，精度達到0.03%；當拉伸試樣20 mm厚時，可測得抗拉強度范圍是0～312 kPa；

(3) 位移傳感器量程為12.7 mm，精度為0.01 mm；

(4) 工業(yè)相機有效分辨率為600萬像素，成像距離為50～100 cm，畸變率<1%。

1.3 儀器驗證與標定

1.3.1儀器驗證

該試驗裝置的關(guān)鍵是保證試樣拉伸破壞面處于完全受拉狀態(tài)，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。為消除試樣拉伸過程中的應(yīng)力集中，拉伸盒采用“∞”形設(shè)計，拉伸破壞面位于兩圓相交部分。通過FLAC 3D數(shù)值模擬軟件,建立“∞”形拉伸盒的試樣受拉模型，設(shè)定試樣一端固定，另一端以恒定速度移動，完全模擬土體拉伸強度測試裝置的試驗過程。

數(shù)值模擬試樣受力云圖(圖5)顯示，試樣受力較為均勻，在試樣中心拉伸破壞面為拉張受力狀態(tài)，未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。數(shù)值模擬試樣塑性破壞區(qū)(圖6)顯示，試樣塑性變形主要集中在試樣拉伸破壞面，且都為拉張破壞。因此通過數(shù)值模擬可知，土體拉伸破壞面處于完全受拉狀態(tài)，破壞主要集中在拉伸破壞面，拉伸破壞面未存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，該試驗裝置滿足設(shè)計要求[13]。

圖5 數(shù)值模擬試樣受力云圖

圖6 數(shù)值模擬試樣塑性破壞區(qū)

1.3.2傳感器的標定

(1) 壓力傳感器的標定。壓力傳感器較為精密，在長時間使用后，可能形成一定誤差，為了保證測量的準確性，需要對壓力傳感器進行標定。實驗室中最常用的方法就是通過測力砝碼來標定。將壓力傳感器一端固定，另一端通過細線懸掛不同質(zhì)量的標準砝碼,取重力加速度g=9.8 m/s2，砝碼所受重力大小作為標準輸入值。每次施加的砝碼穩(wěn)定后，采集壓力傳感器讀數(shù)，最后對采集數(shù)據(jù)進行線性擬合，確定各比例系數(shù)，完成壓力傳感器的標定。

(2) 位移傳感器的標定。位移傳感器采用靜態(tài)標定。將位移傳感器固定在支架上，手動旋轉(zhuǎn)千分尺使測試盤貼緊探頭，記為標定起始點;轉(zhuǎn)動手柄1圈，測試轉(zhuǎn)盤位移0.5 mm，依次轉(zhuǎn)動手柄4圈，測試轉(zhuǎn)盤移動2.0 mm，獲得5個測點，分別記錄位移傳感器讀數(shù)。將測試轉(zhuǎn)盤位移作為輸入值，位移傳感器讀數(shù)作為采集值，對采集數(shù)據(jù)進行線性擬合，完成位移傳感器的標定。

(3) 工業(yè)相機的標定。工業(yè)相機采用張正友棋盤格法[14]進行標定。棋盤是一塊由黑白方塊間隔組成的標定板，用來作為標定物。通過調(diào)整相機的方向，為標定物拍攝10～20張不同方向的照片，從照片中提取棋盤格角點，估算理想無畸變情況下的5個內(nèi)參和6個外參。應(yīng)用最小二乘法估算實際存在徑向畸變下的畸變系數(shù)，優(yōu)化相機參數(shù)，完成相機標定。

2 測試流程

2.1 試樣制備

該試驗裝置可測試不同干密度、不同含水率的土樣。拉伸盒上下兩端用蝴蝶螺母固定，參照《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)[15]，為試樣配置目標干密度和目標含水率。先將重塑試樣配置到液限含水率附近，通過制樣器制樣。同時，在試樣表面布置中國ISO標準紅色石英砂，石英砂粒徑0.08～0.25 mm，作為PIV測試示蹤粒子。將試樣放入無水保濕缸中，利用水分自然蒸發(fā)來降低試樣含水率，每隔一段時間稱量試樣質(zhì)量，直至達到目標含水率。當試樣達到目標含水率后，將其用保鮮膜包裹，放入保濕缸中靜置24 h，讓試樣中的水分充分運移，保證水分均勻分布，完成試樣制備(圖7)。

圖7 制備完成的試樣

2.2 測試過程

首先將試樣正確安裝在滑槽上，給試驗裝置設(shè)定微小位移，使拉伸盒受到一個微小拉應(yīng)力，并使試驗裝置各部件連接緊密，消除桿件中連接松動而產(chǎn)生的誤差。去除拉伸盒上下兩端的固定蝴蝶螺母，將位移傳感器、應(yīng)力傳感器讀數(shù)歸零。拉伸速率設(shè)定為0.02 mm/min，打開并固定攝影燈，設(shè)置PIV系統(tǒng)拍照時間間隔為3 s。試驗開始后，控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集拉伸過程的應(yīng)力讀數(shù)和位移讀數(shù)，PIV系統(tǒng)拍攝照片，數(shù)據(jù)采集頻率為3 s/次。當試樣產(chǎn)生明顯拉張裂縫且拉應(yīng)力降為0時，視為試樣完全受拉破壞，試驗裝置隨即停止工作，試驗結(jié)束。

3 測試結(jié)果

3.1 抗拉強度

應(yīng)力傳感器可獲得拉力F，位移傳感器可獲得位移ΔL。土樣總長度L為100 mm，土樣中心平面面積S為9.6 cm2。則拉應(yīng)力σt、拉應(yīng)變ε可分別表示為：

σt=F/S×10

(1)

ε=ΔL/L×100

(2)

以拉應(yīng)變ε為橫坐標，拉應(yīng)力σt為縱坐標，繪制試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線(圖8)，其峰值對應(yīng)抗拉強度。結(jié)合裂縫形成過程，將應(yīng)力—應(yīng)變曲線劃分為4個階段，即結(jié)構(gòu)調(diào)整階段(Ⅰ)、微裂縫發(fā)育階段(Ⅱ)、裂縫形成階段(Ⅲ)、裂縫貫通階段(Ⅳ)。同時，制作了含水率相同、干密度不同的試樣，測試土體抗拉強度。以含水率18%為例，制作了干密度分別為1.4、1.6、1.8 g/cm3的試樣，分別測試其抗拉強度，并繪制應(yīng)力—應(yīng)變曲線(圖9)，結(jié)果顯示曲線數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，隨著干密度增大，抗拉強度也增大，符合實際情況，說明儀器測試滿足設(shè)計要求。

圖8 試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖9 不同干密度試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線

3.2 裂縫形成過程

PIV系統(tǒng)捕捉了試樣裂縫形成過程及變形情況，獲得了裂縫各個階段發(fā)育特性(圖10)。其中，a為試樣拉伸破壞面照片，可以直接觀察到試樣表面裂縫形成過程；b為試樣拉伸破壞面位移矢量圖，可觀察試樣中示蹤點的運動方向及大??；c為試樣拉伸破壞面應(yīng)變云圖，可以觀察試樣應(yīng)變大小。

圖10 試樣裂縫形成過程

在結(jié)構(gòu)調(diào)整階段，試樣表面未形成裂縫，拉應(yīng)力緩慢增加，位移矢量圖表明試樣頂部出現(xiàn)微小位移差，從應(yīng)變云圖中可以看到試樣頂部應(yīng)變較大，預(yù)示著裂縫將從試樣頂部開始形成，此時土體結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整。進入微裂縫發(fā)育階段，試樣頂部形成微裂縫，拉應(yīng)力逐漸增加至峰值，應(yīng)變云圖顯示應(yīng)變較大區(qū)域與微裂縫一致，且裂縫尖端附近應(yīng)變最大，此時土體局部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。在裂縫形成階段，試樣表面宏觀裂縫逐漸形成，拉應(yīng)力迅速降低，裂縫兩邊出現(xiàn)明顯位移差，且位移方向基本與裂縫垂直，應(yīng)變云圖顯示試樣底部應(yīng)變較大，已經(jīng)形成潛在貫穿裂縫，土體結(jié)構(gòu)大部分已經(jīng)發(fā)生破壞。進入裂縫貫通階段后，試樣表面裂縫逐步向下貫通，拉應(yīng)力逐漸減小至0，從位移矢量圖中看到裂縫左上半部分位移基本為0，已經(jīng)和右上半部分分離，此時試樣底部應(yīng)變較大，裂縫已經(jīng)從上至下貫通形成，土體結(jié)構(gòu)完全破壞[16]。

4 結(jié)論

針對目前土體抗拉強度較難直接測量的問題，研制了一種基于PIV系統(tǒng)的新型土體抗拉強度及裂縫形成過程試驗裝置，取得以下認識：

(1) 該裝置由拉伸系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PIV系統(tǒng)組成。拉伸系統(tǒng)由步進電機、變速箱、絲杠滑臺、滑輪導(dǎo)軌、拉伸盒組成，主要提供拉伸動力，進行土體抗拉強度測試。控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由微型計算機組成，主要控制拉伸系統(tǒng)并采集數(shù)據(jù)。PIV系統(tǒng)包括工業(yè)攝像機及攝影燈，主要用來測試土體裂縫形成過程及形變。

(2) 通過數(shù)值模擬，表明土體拉伸破壞面處于完全受拉狀態(tài)，破壞主要集中在拉伸破壞面，拉伸破壞面未存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此該裝置滿足設(shè)計要求，能準確獲得土體抗拉強度。同時通過PIV系統(tǒng)，可獲得土樣裂縫形成過程及裂縫各個階段發(fā)育、變形特征。

(3) 該裝置可用于開展不同干密度、不同含水率、不同性質(zhì)土體的抗拉強度及變形破壞試驗，對土體抗拉特性研究具有指導(dǎo)意義。