（工程力学专业论文）循环孔隙水压力作用下饱和砂土变形的试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 波浪荷载是海洋工程中一种重要的基本荷载，是海洋地基土受到最频繁的周期性动 荷载，在海洋工程中，波浪荷载作用使得海床土中的孔隙水压力发生变化，孔隙水压力 的循环作用会导致土体中有效应力的降低，使土样降低或丧失抵抗剪切的能力，从而导 致土体结构的破坏。因此，研究循环孔隙水压力作用下砂床土体的力学行为对海岸和近 海工程有重要意义。 本文选用福建标准砂为研究对象，自动控制水压力发生装置作为动力源，通过固结 不排水三轴试验，研究分析了在循环孔隙水压力作用下影响饱和砂土变形性能的试验参 数。试验结果表明，当固结应力比、频率较大，而相对密度较小时，试样有较大的变形， 更容易发生破坏。 本文提出了动孔隙水压力系数的概念，通过大量试验研究，绘制了试样应变与动孔 隙水压力系数的关系曲线，并分析了试样应变与动孔隙水压力系数关系曲线的变化规律。 试样应交与动孔隙水压力系数关系曲线大致可以分为三个阶段，对应有两个临界值r l 、 r 2 。在一定围压和固结应力比条件下，只有当循环孔隙水压力达到某一临界值之后，土 样才会发生明显的变形。当孔隙水压力幅值小于该临界值时，循环作用基本上不产生可 观测的变形，而当孑l 隙水压力幅值超过此临界值时，孔隙水压力幅值越大则土样变形随 着孔隙水压力的循环作用增长越快。 最后，应用有效应力原理对循环孔隙承压力作用下饱和砂土变形进行了理论分析。 研究了试样总应力、循环孔隙水压力、有效应力随时间的变化规律及试样有效应力与轴 向应变的关系曲线。 关键词：波浪荷载：循环于l 隙水压力；饱和砂土；三轴试验；土样变形 堡堑塾堕查垦垄堡旦! 塑塑壁圭銮垄塑蔓堕堕茎 e x p e r i m e n t a ls t u d y o nd e f o r m a t i o no fs a t u r a t e ds a n du n d e rc y c l e p o r e w a t e r p r e s s u r e a b s t r a c t w a v el o a di so n eo f t h ei m p o r t a n tl o a d si no c e a ne n g i n e e r i n g ，w h i c hi st h em o s tf r e q u e n t l o a di nt h es a n df o u n d a t i o no f o f f i n g a n da l s oi ti sp e r i o d i c a la n dd y n a m i cl o a d a c t i n go nt h e s u b m a r i n es o i l s w a v el o a dc a r li n d u c et h ec h a n g eo f p o r ew a t e rp r e s s w i 血t h er a i s i n go f t h e p o r ew a t e rp r e s s u r e ，t h es o i le f f e c t i v es t r e s sw i l lb ed e c r e a s i n g ，w h i c hm a y l e a dt 0t h ed a m a g e o f s o i lm a s s t h e r e f o r e i t sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro f s a n ds o i l su n d e r t h ea c t i o no f c y c l ep o r ew a t e r p r e s s u r ef o r c o a s ta n d o f f m ge n g i n e e r i n g b a s e do nt h er e s u l to fc o n s o l i d a t e du n d r a i n e dt r i a x i a lt e s to ff u j i a ns t a n d a r ds a n d ，t h e p a r a m e t e r so f r a t i oo fc o n s o l i d a t i o ns t r e s s ，r e l a t i v ed e n s i t ya n df r e q u e n c yo b v i o u s l ye f f e c to n d e f o r m a t i o no fs a t u r a t e ds a n du n d e rc y c l ep o r ew a t e rp r e s s u r ep r o d u c e db yw a t e rp r e s s u r e c o n t r o l l i n gi n s t r u m e n t w h i c h a r es t u d i e dr e s p e c t i v e l y n ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e s p e c i m e nh a sal a r g e d e f o r m a t i o nw h e nt h ep a r a m e t e r so fr a t i oo fc o n s o l i d a t i o ns t r e s s ， f r e q u e n c ya r eh i g h e ra n d t h es p e c i m e nh a sas m a l ld e f o r m a t i o nw h e nt h ep a r a m e t e ro fr e l a t i v e d e n s i t yi sh i g h e r t h ec o n c e p to fd y n a m i cp o r ew a t e rp r e s s u r ec o e f f i c i e n ti sd e f m e d b a s e do nl o t so ft e s t d a t a ，t h ec n r v e so f s t r a i na n dd y n a m i cp o r ew a t e rp r e s s u r ec o e f f i c i e n ta r ef i g u r e da n da n a l y z e d b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e f i s f i c so ft h e c u r v e s t h r e ev a r i a t i o np r o c e s s e sa n dt w oc r i t i c a l c o n s t a n t sc o u l db ef o u n d i nt h ec o n d i t i o no ft h ec e r t a i nr a t i oo fc o n s o l i d a t i o ns t r e s sa n dc e i l p r e s s u r e t h es p e c i m e n h a sav i s i b l ed e f o r m a t i o nw h e nt h ec y c l ep o r ew a t e rp r e s s u r ec o m e st o s o m eac r i t i c a lc o n s t a n t ；t h es p e c i m e nh a sai m d s i b l ed e f o r m a t i o nw h e nt h ec y c l ep o r ew a t e r p r e s s u r ei sl e s st h a ns o m e ae r i t i c a lc o n s t a n t ；a n dt h es p e c i m e nh a saf a s t e rd e f o r m a t i o nw h e n t h ec y c l ep o r ew a t e r p r e s s u r ei sg r e a t e r t h a ns o m eac r i t i c a lc o n s t a n t ， f i n a l l y ，e f f e c t i v es t r e s sp r i n c i p l ei sa p p l i e df o ra n a l y z i n gt h es p e c i m e nd e f o r m a t i o nu n d e r c y c l ep o r ew a t e r p r e s s u r e c u r v e so f t o t a ls t r e s sa n dt i m e ，o f c y c l ep o r ew a t e r p r e s s u r e a n d t i m e ， o f e f f e c t i v es t r e s sa n dt i m e ，o f e f f e c t i v es t r e s sa n da x i a ls t r a i na r er e s p e c t i v e l ys t u d i e d k e y w o r d s ：w a v e l o a d ；c y c l ep o r e w a t e r p r e s s u r e ；s a t u r a t e ds a n d ；t r i a x i a lt e s t ；s p e c i m e n d e f o r m a t i n n 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士学位论文 第一章绪论 随着中、深海域海上建筑物和海上采油工程的不断发展，波浪荷载作用下这些建筑 物地基的动力反应分析受到重视，其中孔隙水压力增长与消散是有效应力分析必须研究 的课题。在海洋环境中，风浪往往在海上建筑物地基中引起周期荷载，从而引起孔隙压 力增长，使得地基土不断软化，不排水抗剪强度不断衰减。由于海洋环境荷载的特殊性， 海洋土与陆地土的静、动力反应存在很大差异，它不仅要承受海洋建筑物巨大的重力作 用，而且暴风、波浪等荷载对建筑物产生的强大的随机性水平力、竖向力和力矩也同时 作用于基础底面。此外，海洋土本身还要承受波浪、地震等复杂荷载的作用。在这些复 杂荷载作用下，海洋土有可能产生大的变形或超孔隙水压力，从而引起土体强度破坏或 液化，使作用其上的结构物失稳破坏，最终造成巨大的危害和损失。因此，研究海洋土 在波浪荷载作用下的力学性质就显得十分必要。1 。 1 1 课题选题背景及研究意义 海洋自然条件复杂多变，海洋工程经常受风、波浪、潮汐、海流等的强烈作用：在 浅海中还受复杂地形以及岸滩演变、泥沙运移等影响；其它环境因素如温度、地震等也 对海洋工程有影响。海洋土十分复杂，由多种成分组成，主要包括淤泥、砂性土、粉土、 粉质粘土、亚粘土。海域不同其组成也有所差异。砂陛土在海床中广泛分布，海岸区大 部分是砂性土。该类土在波浪荷载作用下易于液化，常导致海底滑坡、建筑物失稳等灾 害现象。因此，砂性土具有一定的代表性，适于实验室研究。3 。 在海洋工程中，波浪荷载作用下海床土将产生孔隙水压力，孔隙水压力的产生会引 起土体强度的软化，从而导致土体结构的破坏：波浪荷载作用下，孔隙水压力的升高会 导制土体中有效应力的降低，土样将会丧失抵抗剪切的能力，在波浪荷载作用下，海床 土的应力一应变关系的研究已经成为现代课题研究的重点方向。 研究海床土层在波浪荷载作阁下的动应力特性是海洋工程中关注的重要课题，目前 国内外在这方面的研究尽管较多，但还有不少问题亟待解决。波浪荷载是海洋地基土受 到最频繁的周期性动荷载土体在动荷载作用下的强度特征与静荷载下有很大不同。因 此，有必要通过室内三轴试验方法来研究土的动强度变化，探求孔隙水压力的发展变化 规律，分析土体在循环动荷载作用下的破坏机理，从而为海上工程设计提供有力的科学 依据。模拟波浪荷载作用下，海底砂土产生的孔隙水压力对饱和砂土应力应变的影响是 本文研究工作的主要内容o ，。 循环孔隙水压力作用下饱和砂土变形的试验研究 1 2 波浪荷载作用下饱和砂土动力特性的研究 1 2 1 波浪荷载的特性 在海洋工程中，波浪荷载是一种很重要的基本荷载。波浪荷载直接作用于海底土层 上，在土体中引起动应力、动应变和孔隙水压力。孔隙水压力降低土的强度，甚至引起 海床土体液化和滑动，导致地基失稳。这种破坏现象已经为不少工程实例所证实。因此， 海底土层稳定性评价己成为海洋工程研究中必不可少的一项内容，揭示波浪荷载在海底 土层中引起的动应力特性就显得十分必要0 3 。 波浪荷载是海洋工程中一种重要的基本荷载。当考虑到持续几个小时到几天波浪荷 载作用的短期效应时，一般可以认为海洋土地基基本是不排水的，此时波浪葡载的持续 作用使海洋土的应变增大、孔隙水压力升高，并伴随着内部结构的改变。由此造成的严 重后果有两种：一是海洋土地基在波浪荷载作用过程中动强度和刚度衰化，发生大幅度 滑移或液化，从而使海洋土丧失承载力，导致上部建筑物失稳或破坏；二是海洋土地基 在波浪荷载作用中尚未达到破坏，但在随后受到海洋平台和管线等上部建筑物的静载作 用时，其不排水强度和刚度衰化，上部建筑物也因而会失稳或破坏“1 。 在海洋工程设计中，海洋波浪引起的荷载一般考虑百年一遇的风暴所引起的波浪作 用。它是以海浪实测资料为基础，由统计方法得出的。根据统计资料，海洋波浪荷载的 状况：波浪的周期一般在5 2 0 s 范围内，随着波高不同而改变。由我国南海五十年遇 的波浪推算的最大波高为1 8 2 1 m ，周期为1 5 s 左右，而渤海百年一遇的波浪最大波高 为8 1 l m ，周期为1 1 s 左右。 波浪荷载是海洋地基土受到的最频繁和最严峻的动荷载。它与一般的地震荷载不同， 主要差别表现为： ( 1 ) 荷载周期长。波浪荷载的周期一般为5 2 0 秒，地震荷载的周期一般为o5 1 秒。 ( 2 ) 荷载历时长。波浪荷载一般持续3 9 小时，甚至更长，而地震荷载一般不超过 2 分钟。 ( 3 ) 作用方式不同。波浪荷载是从海洋表面产生，通过水体下传，作用到海洋地基土 上，而地震荷载发源于地壳内部，从地层深处向地表传播。因此，波浪荷载不同于普通 的地震荷载，它们在试验方法、试验程序以及分析计算等方面也都不同。因而，应对波 浪荷载作用进行特殊的分析和研究。 ( 4 ) 在一次大的风浪到来之前，已有若干小系列风浪出现，这些先期的小波浪荷载作 2 大连理工大学硕士学位论文 用在海洋土上，会对土性产生明显的影响，小风浪引起的波浪荷载在地基中产生的孔隙 水压力是可以消散的，对土体起到预剪作用。1 。 1 2 2 波浪荷载作用下孔隙水压力变化特性的研究 波浪周期加载问题，在上世纪六十年代还不太被重视，自七十年代以来，无论其研 究的广度与深度都有了较大的进展。最初的一些研究工作大多是关于波浪载荷下砂土液 化的可能性或液化强度，但主要还是沿用地震研究中的方法，继而考虑到波浪荷载的时 间效应研究了孔隙水压力消散的影响。李( l e e ) 曾对北海建立的第一个埃科菲斯克 ( e k o f i s k ) 油罐地基砂土液化的可能性进行了研究，考虑了孔隙水压力部分消散的影响。 西特( s e e d ) 对埃科菲斯克油罐砂基的孔隙水压力发展过程进行了分析，不仅考虑了孔 隙水压力的部分消散，而且进一步研究了地基中剪应力的分布，并对由波浪直接作用在 海底无粘性土中产生的孔隙水压力及海底表面覆盖层的影响进行了探讨。埃特森 ( a n d e r s e n ) 研究了由于风暴波浪力的周期作用对海洋平台引起的周期垂直位移、周期 水平位移以及旋转位移。同时提出了计算波浪周期加载引起沉降的分析计算程序的建议。 大连理工大学的王中正教授曾对渤海海底土在一次风暴作用下孔隙水压力、应力一应变 关系的变化规律进行了研究。1 。 波浪作用产生的海底压力波不但使海床产生瞬态的附加孔隙水压力和有效应力，而 且在海床中产生的循环剪切作用可能引起土体中孔隙水压力的动态累积和有效正应力的 不断降低，大幅度降底海床土体的抗剪强度甚至导致土体的液化。波浪作用下海床的稳 定性和液化分析可根据海床中的动剪应力幅值与土的不排水动强度进行初步评估：s e e d 和r a h a m 提出了一个同时考虑孔压累积和消散的一维模型；f i n n 等基于有效应力原理 将该法扩展至稳定性分析，该方法忽略了瞬态与循环动态效应的耦合作用和二维效应。 海床对波浪的响应，实际上是土体变形与孔隙水渗流相互作用的过程，要全面考虑波浪 作用下各种效应的耦合影响，应采用b i o t 固结方程耦合计算海床的孔隙水压力场和有效 应力场。所采用的本构模型能否比较准确地模拟循环荷载作用下土体的变形特性尤其是 体变特性，是计算结果准确性的关键。由于经典的弹塑性模型不能反映卸载和重加载过 程中的塑性变形，一些学者通过设立多重屈服面和修改硬化规则来模拟循环荷载作用下 土体的变形，并用于计算海床的动态响应，但其计算结果与波浪槽试验中反映的特性差 别很大”“。 近海区域，海面上的波浪会在海床面上产生波浪压力，这种波浪压力存在时间和空 间上的差异，导致海床中产生渗流，影响海床和建筑物的稳定。若干工程实例和现场观 3 循环孔隙水压力作用下饱和砂土变形的试验研究 测表明，海工建筑物的失稳和破坏在很大程度上与海床中的孔隙水压力有关。从四十年 代至今，已建立了多种孑l 隙水压力的分析模型。其中y a m a m o t o 利用b i o t 提出的关于考 虑多孔介质的弹性变形、孔隙流体的可压缩性以及达西流的固结理论，求解了海床对波 浪的响应，其研究结果表明，早期p u m a m ( 1 9 4 9 ) 、n a k a m u r a ( 1 9 7 3 ) 、p r e v o s t ( 1 9 7 5 ) 根 据不同的假设所得到的关于孔隙水压力响应的结果是他所提出的更普遍解的三神特殊情 况。之后许多学者如m a d s o n 和o k u s a 等进行了大量的研究工作，逐步考虑了有限厚度、 非均质、各向异性、阻尼、惯性力等因素的影响，这些研究基本上都是在假设海床为水 平均质、波浪荷载为余弦或正弦的情况下，给出解析解、半解析解以及数值解”3 。 1 2 3 波浪荷载作用下饱和砂土动力特性的室内试验研究 波浪荷载作用下砂土的特性，通过室内试验已初步证实：频率在o 1 1 6 h z 范围内 的周期加载对砂土没有什么影响。由于一次大风暴引起的波浪荷载持续时间相当长，因 此需要考虑周期荷载引起孑l 隙水压力时，由于部分排水而造成的孔隙水压力的消散作用。 在室内试验中，周期加载的频率应根据波浪统计资料确定，一般常为0 1 h z ”3 。 以往的研究人员通过室内动三轴试验方法来研究土的动强度特性，分析土的孔压响 应。所谓动三轴试验，主要是测定饱和砂土在动应力作用下应力、应变和孔隙水压力的 变化过程，从而确定其在动应力作用下的破坏强度。由于土体的液化同土体内各点处的 应力、应变以及其应力和应变变化的相互影响有密切关系，故在研究液化条件时，必须 考虑土的应力状态，并且应特别注意土体内各点应力和应变之间的相互影响。动三轴试 验是从静三轴试验发展而来的，通过对饱和试样施加模拟的动主应力，测定试样在动主 应力作用下应力、应变和孔隙水压力的变化过程，从而确定饱和试样在动应力作用下的 破坏强度。但是对于动孔隙水压力的量测，都是基于动应力作用下引起的孔隙水压力的 变化被动的量测，然后通过数学分析和力学研究，建立一个合理反映土体应力应变关系 的数学模型”。 在海洋工程中，波浪荷载作用下饱和砂土将产生孔隙水压力，孔隙水压力的产生会 引起土体强度的降低，从而导致士体结构的破坏，甚至在砂土中产生液化现象。在波浪 荷载作用下，海床上饱和砂土的应力应变关系研究已经成为现代海洋土力学研究的一个 重要内容。在道路工程中，在高速公路和城市快速道路建设中，普遍存在早期损害现象， 而其中发生频率较高的是早期水损害，即存在动水压力的影响。在试验室里模拟该工况， 我们可以抽象为研究循环孔隙水压力作用下混合料的力学性能，该课题的研究在国内尚 属于很少有人涉及的领域。 4 大连理工大学硕士学位论文 1 3 论文研究的目的和主要工作 本文应用大连理工大学环境土力学实验室研制开发的产生循环孔隙水压力的装置一 自动控制水压力发生器。该试验装置通过计算机控制，产生预设的循环孔隙水压力波形， 将其直接作用在饱和试样底部。通过室内三轴试验，并结合本实验室自主研制的“三轴 试验土样变形的数字测量方法及设备”( 中国发明专利号：z l l l 3 8 3 1 9 ) ，对土体在循 环孔隙水压力作用下的力学性能进行深入、系统的研究，确定土体变形破坏的影响因素， 为完善、发展海底土的动力特性提供试验数据及理论资料。本论文的主要研究目的在于 试验室内模拟循环孔隙水压力的循环作用对饱和砂土变形的影响，研究饱和砂土在此作 用下的应力应变特性，从而得到一些有意义的研究成果。 围绕上述目标，主要开展了如下研究工作： ( 1 ) 以福建标准砂为试验研究对象，通过固结不排水三轴试验，逐一分析了固结应力 比、循环孔隙水压力、相对密度、频率、围压、振次等试验参数的变化对试样变形的影 响。 ( 2 ) 定义了波浪荷载动孔隙水压力系数，绘制了动孔隙水压力系数与试祥轴向、径向 应变之间的关系曲线，进而分析了动孔隙水压力系数的变化对试样轴向、径向变形的影 响。 ( 3 ) 最后，应用有效应力原理对循环孔隙水压力作用下饱和砂土变形进行了理论分 析。研究了试样总应力、循环孔隙水压力、有效应力随时间的变化规律及试样有效应力 与轴向应交的关系曲线。 整个论文共分五章。第一章绪论，主要介绍了本论文的选题背景和研究意义，以及 波浪荷载的特性、波浪荷载作用下孔隙水压力变化特性的研究和波浪荷载作用下饱和砂 土特性的室内试验研究，最后是本论文的研究目的和主要工作。 第二章试验仪器与设备，主要介绍了三轴试验、三轴土样变形测量的常规方法和二t 样变形的数字图像测量系统，以及自动控制水压力发生器的研究意义、自动控制水压力 发生器的设计思路和自动控制水压力发生器的构造。 第三章循环孔隙水压力作用下饱和砂土变形的试验研究，为本论文的主体内容。是 三轴试验、土样变形的数字图像测量系统以及自动控制水压力发生器在试验室中的具体 应用。本试验研究对象是福建标准砂，主要试验方法是固结不排水三轴试验。在此基础 上研究了一定初始条件下，固结应力比、循环孔隙水压力、相对密度、频率、围压、振 动次数、动孔隙水压力系数等试验参数的变化对试样变形的影响。 5 循环孔隙水压力作用下饱和砂土变形的试验研究 第四章循环孔隙水压力作用下饱和砂土变形的理论分析，有效应力原理在研究循环 孔隙水压力作用下饱和砂土变形的理论中得到了具体应用。本章主要研究了试样总应力、 循环孔隙水压力、有效应力随时间的变化规律及试样有效应力与轴向应变的变化曲线。 第五章结论与展望，是本论文研究工作的全面总结与进一步工作的展望。 6 大连理工大学硕士学位论文 第二章试验仪器与设备 2 1 三轴试验及土样变形测量 2 1 1 三轴试验仪 三轴试验仪是c a s a g r a n d e 于2 0 世纪3 0 年代发明的，目前土工三轴试验已成为测定 土体抗剪强度的主要手段”“1 。三轴试验仪由三轴压力室、轴向加荷系统、施加周围压力 系统、孔隙水压力量测系统等组成，如图2 1 所示。三轴压力室是三轴试验仪的主要组 成部分，它是一个由金属上盖、底座和透明有机玻璃组成的密封容器。 三轴试验仪能较严格地控制排水条件并且可以量测试件中孔隙水压力的变化。试件 中的应力状态也比较明确，破裂面是在最弱处。三轴试验除了能够测定土的抗剪强度“ 妒值外，还可以测定土的其它力学参数，如土的变形指标弹性模量e 、泊松比“和固结 系数c 。等。 2 1 ，2 三轴试验方法 图2 1 三轴试验仪示意图 f i g ，2 ，1t r i a x i a la p p a r a t u s 量 管 三轴剪切试验能控制试验过程中的排水条件，可根据工程施工和运行的实际情况选 择不同排水条件的试验，无论粘质土或砂质土均可适用。三轴剪切试验通常分为不固结 不排水剪试验( u u 试验) ，固结不排水剪试验( c u 试验) 和固结排水剪试验( c d 试 7 循环孔隙水压力作用下饱和砂土变形的试验研究 验) 。 ( 1 ) 不固结不排水剪试验( u u 试验) 。从地基中或土工建筑物内取出或由实验室制 备的土样放在三轴仪的压力室内，在排水阀关闭的情况下施加周围压力盯，不让试件固 结，即试件不压密，仃，所引起的孔隙水压力不让消散。然后增加轴向主应力差a o ，即 偏差应力( 吼一a 、) ，进行剪切，在这一过程中也关闭排水阀门不让试件排水。不固结不 排水剪试验也简称为不排水剪试验。 这种方法适用的条件是土体受力而孔隙压力不消散的情况。当建筑物施工速度快， 土体渗透系数较低( 如小于a l o 4 c m s ) ，而排水条件又差时，为考虑施工期的稳定， 可采用u u 试验。对于非饱和土，如压实填土，或未饱和的天然她层，它们的强度是随仃， 的增加而增加的，但当盯，增加到一定值后，空气会逐渐溶解于水而使试样达到饱和，此 时土体强度不再增加，所以非饱和土的强度包线并非直线。因此，用总应力方法分析时， 应在规定的压力范围内选取c p 妒p 如非饱和地层预计施工期可能有雨水入渗或地下水 位上升会使土体饱和，则试样应在剪切前予以饱和。 不排水剪试验的应变速率对强度的影响不大，可根据试验方便来选择剪切应变速率。 通常建议剪切应变速率为每分钟应变0 5 1 左右，以使试样在1 5 3 0 m i n 内完成剪 切试验。 ( 2 ) 固结不排水剪试验( c u 试验) 。让几个试件分别在不同周围压力以作用下固结， 将固结后的试件在不排水条件下加轴向主应力差a o 进行剪切，剪切中试件内将出现一 定数值的孔隙水压力，其值可从孔压测量系统中测定。 c u 试验的主要目的是：一是借测量孔隙压力求得士的有效强度c 、，以便进行 土体稳定的有效应力分析；其次是求得总应力强度指标c 。、妒矿 固结不排水剪试验的剪切速率依据剪切过程中是否测量孔隙水压力而有所区别：当 不测量孔隙水压力时，可以选用不排水剪试验的剪切速率；但如果需要测量孔隙水压力， 则要求剪切速率相当慢，这是因为在常规三轴土样剪切过程中孔隙压力分布是不均匀的， 一般中部较大两端较小，为了使底部测得的值能代表剪切区的孔隙压力，需要有足够时 间使孔隙压力分布均匀。通常建议粘质土的剪切应变速率为每分钟o 0 5 0 1 ，粉质 土的剪切速率为每分钟应变0 1 0 5 。 ( 3 ) 固结排水剪试验( c d 试验) 。在三轴试验中，让排水阀门始终打开，试样先在 周围压力a ，作用下充分固结。稳定后缓慢增加轴向主应力差瓯，使得试样在剪切过程 中充分排水，试验过程中恒不出现超孔隙水压力。用这种试验方法测得的抗剪强度称为 8 大连理工大学硕士学位论文 排水强度，相应的抗剪强度指标为土的排水强度指标c 。、。 固结排水剪的应变速率选择标准是保证在剪切过程中超孔隙水压力为零。通常建议 粘质土的剪切应变速率为每分钟o 0 1 2 o 0 0 3 。 采用应变控制式三轴仪的固结排水剪比较费时，故仅应用于透水性较强的土料。在 测试土的应力应变关系时，为了模拟实际工程的排水条件，也需用应变控制三轴压缩仪 的固结排水剪试验成果来确定变形模量e 、洎松比“和剪切模量g 等变形指标。 2 1 3 三轴土样变形测量的常规方法 三轴剪切过程中，试验土样的变形测量主要包括试样的轴向变形、径向变形和体积 变形。在常规三轴试验中，土样变形量测方法为： ( 1 ) 试样的轴向变形，通过量力环上的百分表或位移传感器，量测传力杆的位移量得 到。压力室在其内部压力的作用下，体积和高度会变化，因此在周围压力变化的三轴试 验中，会导入基座的移动误差；另外，当试样帽( 底座) 与试样以及传力杆与试样帽之 间留有间隙时，在压力作用下会产生贴紧误差。即使采取一定的措施消除这两种可能存 在的误差，测量得到的轴向变形也是土样总体的轴向变形，据此得到的轴向应变也是试 样的轴向平均应变。 ( 2 ) 试样的体积变化，通过试样在试验过程中排出的水体体积确定。为了能够得到比 较准确的试样体积变化量，三轴试验需要对试样进行饱和。试样体积变化测量存在的主 要问题除了试样达到完全饱和比较困难外，较薄橡皮膜的针眼漏水以及橡皮膜与试样帽 ( 和底座) 之间的接合缝漏水常常困扰着三轴试样体积变形的准确测量。实际上，即使 上述问题得到了很好的解决，通过试样内部水体变化量得到的试样体积变化也同样是试 样的平均体积应变。 ( 3 ) 土样的径向变形，是通过土样的体积变化和轴向变形换算得到的试样整体的平均 径向应变。由于受到剐性试样帽和刚性试样底座的影响，土样的鼓形破坏使得试验过程 中土样的径向变形极不均匀，因此平均的径向变形并不能够反映土样的实际径向应变状 态。 2 1 4 土样变形的数字图像测量系统 ( 1 ) 数字图像测量系统的基本原理及组成 采用计算机图像测量的方法进行三轴试验土样的交形量测，主要包括三轴试验系统、 图像采集系统与图像处理系统。其中三轴试验系统仍然采用常规应变控制式三轴仪，只 g 循环孔隙水压力作用下饱和砂土变形的试验研究 是从光学角度出发，为尽量减少三轴试样图像的侧向畸变，把三轴压力室的圆形玻璃外 罩改为前部为平板密封的有机玻璃外罩。为配合土样变形的自动量测，对试验过程中的 应力、孔压采用传感器测读。图像识别处理系统中的图像采集任务由数字采集设备c c d 摄像仪完成：图像识别和分析由一块视频采集卡配合p c 机完成。计算机图像测量系统 的组成如图2 2 所示。 三轴土样变形的计算机图像测量系统主要包括c c d 摄像和计算机图像处理两部分。 其基本工作原理可以概括为：三轴土样的图像由c c d 摄像仪采集，经过图像采集卡处理 后暂存于帧存里，再经过程序处理将帧存中的信息与需要的图形文本混合，通过显示卡 送至显示器。同时对帧存中的信息进行分析处理，通过识别图像边缘确定土样的形状进 而确定变形量。 | ；变焦c c d 摄像仪 l 哟 ) 数据 显示器 抟输线 7 当 扩倍镜 显i i 卡视觊采集卡 噍暴。氍。 l c c d 摄像部分数字图像处理部分 图2 2 数字图像测量系统组成 f i g 2 2d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m ( 2 ) 三轴土样变形数字图像测量的特点 把计算机数字图像测量技术应用于土工三轴试验的变形测量，能够实现试样轴向变 形和径向变形的非接触式直接测量，减小了对试样体的扰动。数字图像测量系统用计算 机自动采集数据并自动存贮，提高了数据采集频率，同时也降低了试验人员的劳动强度。 三轴土样径向变形的测量以试样的外轮廓线作为检测边缘，而轴向变形的测量则以 橡皮膜上白色标志线为检测对象，因此，数字图像测量可以任意选择测量范围，并把局 部试样的轴向应变与径向应变一一对应，这为研究土体的强度和应力应变本构关系提供 了更加准确、方便的测量手段。 在三轴剪切试验过程中，数字图像测量系统能够按试验人员自行设定的时间间隔自 1 0 大连理工大学硕士学位论文 动保存试样变形图像，为试验结束后真实、直观的再现试样变形全过程提供了可能。 因为能够实现三轴土样径向变形和轴向变形的直接测量，不再受常规三轴试验中体 积变形测量必须要求试样饱和这条件的限制，能够把它直接应用于非饱和土试样变形 的测量。 数字图像测量系统在对三轴土样径向变形测量的过程中，可以输出c c d 采集到的图 像信息中任意一象素点的位移，这等价于在试样径向和轴向安设了许多个非接触式局部 位移传感器，用来量测试样的局部变形，利用它的这特点，可以用来捕捉三轴压缩过 程中试样剪切带的形成时间和形成规律。 采用数字图像测量技术，试样的应变测量精度可达到1 0 4 量级，满足精确测量目的。 关于数字图像测量系统在三轴试验中的各种具体应用将在后续章节中详细叙述。 ( 3 ) 数字图像测量系统的精度 系统的测试精度是测量系统最主要的技术指标，对测量系统的精度分析是保证测量数 据可信性的项必不可少的技术分析工作。数字图像测量包括光学成像、电信号采集和 转移等一系列过程，可能存在的误差来源包括c c d 光电转换误差，系统参数标定误差， 数据舍入误差，物体成像误差，图像畸变误差，环境误差，人员误差瞄1 。其中对数字图 像测量精度影响最大的是图像畸变误差。变形数字图像测量系统的图像畸变属于筒形畸 变，误差的大小和出现位置具有明显的规律性，是一种系统误差，可以采用事先标定的 方法消除。 在目前的设备及使用条件下，变形数字图像测量系统的理论误差为0 0 0 3 r a m ( 相对 误差为1 0 - 5 ) 。实际校核的真实测量误差大于理论误差，其径向变形测量的绝对误差最 大值为o o l m m ，相对误差最大值为2 1 0 4 ；垂直变形测量的绝对误差最大值为0 0 2 r a m ， 相对误差最大值为5 1 0 4 “”。 2 2 自动控制水压力发生装置 大连理工大学环境土力学实验室历经两年的开发，成功的研制出能产生循环孔隙水 压力的装置自动控制水压力发生器。该仪器利用计算机精确控制，取代常规的室内压 力源；可以产生不同频率、不同振幅的动态水压力波形；同时可以根据设定的压力值进 行水压力的稳态控制。实际应用表明，该仪器抗干扰能力强、精度高、机械装置部分运 行可靠、计算机程序控制能力强：在w i n d o w s 平台下实时显示系统工作状态，具有定时、 定量位移数据采集的功能；该仪器设计先进、运行稳定、安全可靠、功能完善、扩展性 好，具有广阔的应用前景。 循环孔隙水压力作用下饱和砂土变形的试验研究 2 2 1 自动控制水压力发生装置的研究意义 土体的受力特性与它的物理性质有关。为了研究土体在不同应力条件下的破坏行为， 需要用科学仪器来模拟土体的各种负载环境，观察和测量土体的应力应交关系，建立土 的剪切破坏准则。要想研究循环孔隙水压力作用下饱和砂土的力学特性，就需要相应的 仪器设备来模拟试验条件。自动控制水压力发生器，是产生和控制循环孔隙水压力的重 要装置，通过水压力发生器控制系统，可以产生不同频率、不同幅值水压力，模拟现场 工况。要想改进、完善地基工程的设计，必须从土体特性入手，在研究循环孔隙水压力 的循环作用对饱和砂土变形影响的基础上，运用合理的力学工具，找出其必然的规律， 并将其应用于具体的工程设计中。这一研究将推动和发展土动力学理论研究，而且具有 广泛的实际工程意义，将带来巨大的社会和经济效益。 在实验室内，以往的动三轴试验，都是通过对饱和试样施加模拟的动主应力，测定 试样在动主应力作用下应力、应变和孔隙水压力的变化过程，从而确定饱和试样在动应 力作用下的破坏强度。而本课题试图在饱和试样底部直接作用循环孔隙水压力，通过计 算机控制，产生预设的循环孔隙水压力波形，从而获得饱和试样在循环孔隙水压力作用 下的力学特性。正基于此，大连理工大学环境土力学实验室与机械学院师生联合研制开 发了产生循环孔隙水压力的装置一自动控制水压力发生器。 2 2 2 自动控制水压力发生装置的设计思路 ( 1 ) 总体方案设计 自动控制水压力发生器实现的功能就是：以单片机系统作为整个水压力控制系统的 核心；用单片机系统来控制执行机构的动作；单片机系统与p c 机进行可靠通讯：p c 机 进行大量数据存取和提供良好人机交互界面。 单片机系统( 下位机) 接收的控制信号，可以通过下位机的人机交互界面进行手动 设置，也可以是上位机通过r s 2 3 2 串行通讯传送来的信号，并可以把压力设定值显示在 l c d 显示器上。与此同时，下位机采集回来的实际水压力值实时显示在另一块l c d 显示 器上并送到上位机( p c 机) 。这样，把压力设定值与实际反馈回来的水压力进行双液晶 显示。下位机对水压力的控制是基于闭环控制原理，对比实际压力值与设定压力值，根 据对比结果来控制步进电机的方向和速度，进而驱动滚珠丝杠并带动活塞控制气缸里的 水压力变化，达到预期的水压力控制效果。上位机接收到下位机传来的数据后，将数据 进行保存并实时描绘出水压力变化曲线，效果直观，且可以进行大量的数据存储，以便 1 2 大连理工大学硕士学位论文 随时可以实现试验数据和水压力曲线重现，为将来实验数据分析所用。总体方案设计示 意图如图2 _ 3 所示： 图2 3 总体方案设计图 f i g 2 3d e s i g n i l l u s t r a t i o no f t _ h ew h o l es y s t e m ( 2 ) 系统硬件结构设计 水压力发生器的总体设计思想是：以单片机a t 8 9 c 5 2 为中央处理器，辅以功能强大 的外围模拟、数字电路功能模块，实现水压力发生器接收控制命令、数据采集处理、驱 动步进电机、显示水压力状态、故障的报警、处理等全方位闭环控制，真正做到控制器 的数字化、智能化。 从控制系统的信号通道类型来分，水压力发生器主要由以下几个部分组成( 如图2 4 所示) ： 1 、单片机运算处理与监控 将命令信号与当前水压力采样值进行比较，控制步进电机如何动作。 随时扫描键盘、行程开关等外围部件并随时中断接收上位机发送来的命令，执行 一些紧急处理指令。 2 、前向通道 水压力数据信号是两线制压力传感器采集到的4 2 0 m a 的电流模拟量信号，经过模 拟数字转换( a d o ) ，处理为单片机系统能够接受的数字信号，送入指定寄存器等候下一 步工作的指示。另外，前向通道还要处理调零电位计信号。 3 、后向通道 通过步进电机驱动器，来控制步进电机的转向和速度，推动活塞在气缸内动作。若 出现异常情况，控制蜂鸣器发出报警信号。 4 、人机通道 将经过运算处理的实际水压力值送l c d 显示。 微处理器对工作过程进行扫描鉴别，通过指示灯反映当前工作状态。 堡墅! ! 堕查垦垄堡旦! 堕塑堡圭壅兰盟堕丝婴壅一 通过按键，可以设定系统的工作状态。 5 、相互通道 单片机应用系统与微机之间传送控制指令或数据，信号传送要遵循一定的通信规程 和编码要求。 l ，一一，一- _ - - 。_ - _ 。- - - - 。- - ，- _ 一一- 一一- - _ j 图2 4 单片机控制系统的硬件模块构成 f i g 2 4h a r d w a r e c i r c u i tm o d u l e so f t h ec o n t r o l l e r ( 3 ) 系统软件设计 软件与硬件的有机结合就像人一样。如果硬件是人的身体，那么软件就相当于人的 大脑，空有身体，头脑中没有知识或头脑干脆有了疾病，则干工作的能力就会受到很大 限制。因而编制正确、完善的程序，采用合理的算法是至关重要的。硬件电路设计完成 后，系统的主要功能将依赖于系统软件来实现。系统能否正常可靠地工作，自动化程度 的高低，智能实施控制的能力大小，除了硬件的合理设计外，很大程度上取决于功能完 善、算法先进的软件设计。程序的编制过程需要不断地修改、调试与完善，因此结构化 好，可读性强的编程风格，有助于缩短开发周期，同时便于日后的维护和改进。 首先，单片机系统的系统程序与应用程序密不可分，系统程序与应用程序必须在一 起考虑；其次，在单片机系统中，硬件与软件紧密结合，软件直接操作硬件，硬件电路 的设计不具有通用性，必须根据具体的硬件设计对应的软件。硬件设计的优劣直接影响 到软件设计的难易和质量，软件设计的水平又直接影响硬件功能的发挥。同时，很多时 候软件可以替代硬件的功能。原则上，只要软件能做到的，就不用硬件。硬件多了，不 但增加成本，而且使系统出故障的机会也增加了。单片机的内存不像p c 机内存那样大， 可以任由程序员发挥自己的能力。单片机的内存很小，其中每一字节，甚至每一位都必 1 4 大连理工大学硕士学位论文 须合理安排。这样，对一个算法的实现，要求程序更紧凑，更精致。 除了以上所述单片机编程的一些特点外，也同样有一般软件的共同特点。首先，应 采用合理、正确的算法，以合理的资源耗费实现预定的功能；其次，软件应有较好的模 块化，可读性强，可维护性好。 软件设计可按如下步骤进行： 1 、分析问题，明确所要解决问题的具体要求，编写任务说明书。 2 、根据具体要求，确定软件应实现的功能。 3 、根据各功能，确定功能模块，并为每一模块进行接口定义，即输入、输出定义。 同时规划监控程序，确定监控程序与各功能模块之间的关系。 4 、确定算法，根据不同的功能，选择或设计不同的算法。算法正确与否，直接决定 了程序的正确性和能否达到预期的目标。 5 、确定数据类型、规划数据结构。 6 、分配内配资源。列出r a m 资源的详细分配清单，作为编程依据。 7 、编程及调试。编制程序时，要根据算法，首先绘制出流程框图，有时甚至需要绘 制出多级框图，逐步细化。编制完了还需要对程序进行调试。对单片机来说，没有自开 发功能，需要使用仿真器。 8 、程序优化。程序优化就是通过对源代码进行调整，达到缩短程序的长度，加快运 算速度和节省数据存储单元的目的。而有时，上述目标是相互矛盾的，只能以主要目标 为主。在程序设计中经常使用循环程序和函数或子程序的形式来缩短程序( 但这样会降 低程序运行速度