（岩土工程专业论文）循环三轴试验土样泊松比测试方法研究.pdf

中文摘要 循环应力作用下土的泊松比是土体受振动荷载时的变形参数，也是工程场地 地震安全性评价和土层地震反应分析中重要的参数。迄今为止，对于循环应力作 用下土的泊松比测量的研究工作进展相对较慢，本文提出了一种对循环三轴试样 泊松比的测量方法，并做了一些相关的试验研究。 首先，研究了如何利用非接触式电涡流位移传感器测量循环三轴试验土样径 向变形的方法。提出了将传感器探头安装于三轴压力室壁上的技术方案，进而开 发了循环三轴试验土样径向变形测量装置，在此基础上，形成了循环三轴试验土 样泊松比测量系统。 其次，根据循环应力作用下三轴土样随土样高度其径向变形的特点，提出了 对实测径向变形的修正方案。 之后对已知泊松比的橡胶圆柱试样，通过循环三轴试样泊松比测量系统测得 橡胶圆柱试样的泊松比与已知橡胶的泊松比相符，验证了循环三轴试样泊松比测 量系统的可靠性和准确性。 利用循环三轴试验土样泊松比测量系统，测量循环应力作用下重塑的饱和细 砂、粉砂和饱和软粘土，在不同固结压力下三轴试验土样的泊松比，试验结果表 明，重塑的饱和砂土和饱和软粘土的泊松比基本都在0 4 5 0 5 2 间，试验中所采 用的不同的固结压力对重塑饱和土的泊松比没有明显影响。 对循环应力作用下原状饱和粘土和原状砂土泊松比也进行了一些试验研究， 试验结果表明，原状饱和粘土的泊松比和重塑饱和软粘土的泊松比很接近，试验 中所采用的固结压力对原状饱和粘土的泊松比也没有明显影响，但原状砂土试验 前没有重新饱和，其泊松比小于饱和土的泊松比。综合原状土和重塑土的试验结 果可以初步得出，试验中所采用的固结压力对循环应力作用下饱和土的泊松比没 有明显的影响，泊松比一般在0 4 5 - 0 5 2 _ 间。 关键词：土的泊松比循环三轴试验径向应变固结压力 a b s t r a c t p o i s s o n sr a t i oo fs o i lu n d e rc y c l i cl o a d i n gi sad e f o r m a t i o np a r a m e t e ro fs o i l u n d e rv i b r a t i o nl o a d ，a n di sa l s oap r i n c i p a lp a r a m e t e ro fe s t i m a t i n gt h es e c u r i t yo f p r o j e c tg r o u n da n da n a l y z i n gt h ee a r t h q u a k er e s p o n s e s of a r ，t h ep r o g r e s so ft h e s t u d yo fm e a s u r i n gp o i s s o n sr a t i oo fs o i lu n d e rc y c l i cl o a d i n gi sc o m p a r a t i v e l ys l o w am e t h o dm e a s u r i n gp o i s s o n sr a t i oo fc y c l i ct r i a x i a ls p e c i m e n sw a sp r o p o s e di nt h i s p a p e r f i r s t ，am e t h o dm e a s u r i n gt h er a d i a ld e f o r m a t i o no ft r i a x i a ls p e c i m e n su n d e r c y c l i cl o a d i n gu s i n gt h en o n - c o n t a c te d d yc u r r e n td i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e r w a s s t u d i e d t h ep r o g r a mo ff i x i n gs e n s o ri nt h ew a l lo ft r i a x i a lp r e s s u r ec h a m b e rw a s p r o p o s e d ，a n dt h e nt h ea p p a r a t u sw h i c hc a n m e a s u r et h er a d i a ld e f o r m a t i o no ft r i a x i a l s p e c i m e n su n d e rc y c l i cl o a d i n gw a sd e v e l o p e d t h es y s t e mo fm e a s u r i n gp o i s s o n s r a t i oo f c y c l i ct r i a x i a ls p e c i m e n sw a sd e v e l o p e d s e c o n d b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er a d i a ld e f o r m a t i o no ft r i a x i a l s p e c i m e n su n d e rc y c l i cl o a d i n g ，a n a m e n d m e n tm e t h o do ft h ea c t u a lr a d i a l d e f o r m a t i o nw a sp r o v i d e d p o i s s o n sr a t i oo fr u b b e rm a t e r i a li sk n o w n p o i s s o n sr a t i oo ft h ec y l i n d r i c a l r u b b e rs p e c i m e nw a sm e a s u r e db yt h es y s t e m a n dt h er e s u l to ft e s tw a st h es a m e w i t ht h ep o i s s o n sr a t i oo fr u b b e rm a t e r i a l ，w h i c hp r o v e dt h er e l i a b i l i t ya n da c c u r a c y o ft h es y s t e m p o i s s o n sr a t i o so ft h er e m o d e l e ds a t u r a t e df i n es a n d ，s i l t yf i n es a n d ，s i l t ys a n d a n dc l a yw e r em e a s u r e du n d e rd i f f e r e n tc o n f i n i n gp r e s s u r e su s i n gt h es y s t e m t h e r e s u l t ss h o w e dt h a ta l lo fp o i s s o n sr a t i o so ft h er e m o d e l e ds a t u r a t e ds a n da n dc l a y w e r eb e t w e e n0 4 5a n d0 5 ，a n dt h ed i f f e r e n tc o n f i n i n gp r e s s u r e sh a dl i a l eo b v i o u s i m p a c to np o i s s o n sr a t i o so ft h er e m o d e l e ds a t u r a t e ds a n da n dc l a yu n d e rc y c l i c l o a d i n g p o i s s o n sr a t i o so ft h eu n d i s t u r b e ds a t u r a t e dc l a ya n dt h eu n d i s t u r b e ds a n dw e r e m e a s u r e db yt h es y s t e m t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta l lo fp o i s s o n sr a t i o so ft h e u n d i s t u r b e ds a t u r a t e dc l a ya n dt h er e m o d e l e ds a t u r a t e dc l a yw e r ev e r yc l o s e ，a n dt h e d i f f e r e n tc o n f i n i n gp r e s s u r e sh a dl i t t l eo b v i o u se f f e c to np o i s s o n sr a t i o so ft h e u n d i s t u r b e ds a t u r a t e dc l a yu n d e rc y c l i cl o a d i n g w h i l et h eu n d i s t u r b e ds a n dw a sn o t s a t u r a t e db e f o r et r i a x i a lt e s t , p o i s s o n sr a t i o so ft h eu n d i s t u r b e ds a n dw e r es m a l l e r t h a np o i s s o n sr a t i o so f t h es a t u r a t e ds a n d i tc a nb ed r a w nt h a tt h ed i f f e r e n tc o n f i n i n g p r e s s u r e sh a d l i t t l eo b v i o u se f f e c to np o i s s o n sr a t i o so f t h es a t u r a t e ds o i lu n d e rc y c l i c l o a d i n g w h i c hw e r eb e t w e e n0 4 5a n d 0 5i ng e n e r a l k e yw o r d s ：p o i s s o n sr a t i oo fs o i l ，c y c l i ct r i a x i a lt e s t s ，r a d i a ls t r a i n ，c o n f i n i n g p r e s s u r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：为妖荔午 签字日期： 卅年i 月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 狄群 签字日期：_ 溺年多月弓日 导师签名： 签字日期如罗年易 月jr 第一章绪论 第一章绪论 1 1 土的泊松比研究背景和意义 土的泊松比是反映土体变形特性的重要参数，在岩土工程领域中有广泛的应 用。在工程勘察设计中，根据土层泊松比，可以判断土层的密实度，为进一步的 勘察设计工作提供材料。在石油勘探中，根据岩土泊松比的变化，可以进行岩性 的横向追踪，判断岩石含油气的特性【l 】。在岩土工程设计中，土的泊松比是土体 应力应变关系研究中必须要考虑的参数，在d u n c a n - - c h a n g 的e - “模型中，泊松 比在给定范围内的取值仍在很大程度上影响到应力水平的分布、位移的计算结果 【2 3 】，如对土石坝的稳定分析中，当泊松比取值偏小时，求得的应力水平偏大1 4 j 。 循环荷载作用下土的泊松比作为土动力学中土体变形特性的重要参数【5 j ， 是动压缩模量和动剪切模量之间关系的重要联系参数。动模量是工程场地地震安 全性评价工作和土层地震反应分析中必须要考虑的重要数据。根据等效线性模 型，由动三轴试验得到的动压缩模量，结合泊松比可以得到动剪切模量，此时的 泊松比只是取为常数。这与土体泊松比随应力状态及加荷方式不同而不断变化的 特点明显不相符1 6 j ，这就可能使循环三轴试验得到的动剪切模量存在较大的误 差，因此对循环三轴试验土样泊松比的研究也就成为了通过三轴试验方法研究动 剪切模量的基础，也在一定程度上成为地震等动荷载作用下土工建筑物设计和计 算应得到的基本参数，其合理的取值对地震反应分析以及工程建筑基础的安全性 和经济性都有重要意义。 土体不同于钢材和塑料等其它材料，土体的力学性质试验成果会因试验方法 和技巧的不同而有较大的出入，其差别可能比力学计算方法不同所引起的差别还 要大。相对于计算分析而言，有经验的岩土工程师们更为重视选择有代表性的试 样、选用符合实际情况的试验方法和提高试验技巧及精度等。土力学一直遵循理 论、试验和工程实践相结合的发展规律，因此土力学的发展离不开土工试验，土 工试验在土力学理论的形成和发展过程中起到了极其重要的作用，如d a r c y 定律 是建立在渗透试验基础上的、剑桥模型是建立在正常固结粘土和微超固结粘土压 缩试验和等向三轴压缩试验基础上的1 7 j 。“工欲善其事，必先利其器”，没有土工 试验及其测试技术的长足发展就不可能出现土力学的蓬勃兴起。土工三轴试验自 二十世纪3 0 年代提出以来，得到了迅速推广和广泛应用，它在土力学的发展中具 第一章绪论 有举足轻重的地位和作用【8 一】，因此，测定循环三轴试验土样的泊松比，对三轴 试验方法的发展和泊松比的研究均具有一定的意义。 综上所述，研究土体的泊松比，可以为土的本构关系提供有关泊松比取值的 合理依据。如d u n c a n - - - c h a n g 的e - 叫模型，等效线性模型。对于振动三轴试验， 确定循环荷载作用下试验土样的泊松比，不仅可以完善土工三轴试样方法，而且 可以结合动压缩模量更为精确的求得动剪切模量。为依据等效线性模型进行土体 的地震反映分析提供更为有效可信的计算依据。 1 2 泊松比的研究方法及研究现状 1 2 1 土体泊松比的研究方法 法国数学家罗蒙泊松在固体力学上曾作过多方面的探讨【l0 1 ，他用一种分子 模型，推导了弹性体平衡和运动的普遍方程，并应用于一些具体问题，泊松发现 在弹性介质中可以传播纵波和横波，他从理论上得到各向同性杆件受拉伸时侧向 与轴向弹性应变之比为一常数，将其定义为泊松比。在塑性术语定义中将泊松比 定义为在材料的比例极限内，由均匀分布的轴向应力所引起的侧向应变与相应的 轴向应变之比的绝对值，当超过比例极限时，泊松比随应力变化而变化，实际上 已不是泊松比，此时若记录泊松比，应指出测试应力值，对于各向异性材料，泊 松比随施加应力的方向变化。试验表明，泊松比的数值随材料而异1 1 1 1 ，一般与泊 松比的理论值有出入。 关于泊松比的定义，各种提法虽然不完全相同，基本思想都是采用了横向与 纵向应变的比值，只是限制条件不一样，比如是否在弹性应变范围之内、是在拉 伸试验还是压缩试验条件下、是否有约束限制，从目前材料力学和弹性力学等相 关学科的研究来看，大家普遍接受的定义是在弹性应变范围内的定义，根据试验 测试，大部分材料的泊松比取值在0 2 0 4 之间，橡胶材料比较特殊，在受力条件 下体积基本保持不变，所以其泊松比接近0 5 1 2 , 1 3 1 。 土体泊松比的定义仍沿用上述的针对固体材料的定义，作为反映土体变形特 性的一个重要参数，几十年来人们己对土体泊松比进行了比较深入的研究。测定 土体泊松比的方法目前主要有两类，即由对三轴土样实测轴向和侧向变形确定泊 松比的静力法以及通过测定土体波速确定泊松比的动力法，两种方法实现的方式 不同，精度和适用范围亦不同【l4 1 。前者可给出泊松比随应变的变化关系，而后者 只能测定在微小变形条件下的弹性泊松比。 三轴试验是土工试验中一项重要的力学试验，可以确定土体的强度和变形特 第一章绪论 性，在动三轴试验中，对于循环应力作用下土样的泊松比，其值为三轴土样径向 应变毛和轴向应交蜀的比值的绝对值，公式为： = l nl ni 通过测定三轴土样在循环应力作用下，轴向和径向位移变化，得到循环应力 作用下土样的泊松比。对于土样泊松比的分析，主要从以下两方面考虑：一是， 对于材料泊松比的研究中，通常也要区分材料是受拉还是受压状态，由于土为散 粒体材料，其拉压强度不同，砂土不能承受拉力，粘性土能够承受很小的拉力1 1 引， 所以在三轴试验土样受到循环应力作用时受拉和受压状态下的泊松比要分别分 析。二是，对于土样施加的是循环应力，那么就应该考虑每次循环中三轴土样泊 松比的整体特点，也就是要分析循环加载过程中的压缩和拉伸的平均泊松比。 振动三轴试验得到的土的动压缩模量和泊松比与动剪切模量的关系是建立 在胡克定律的基础上，也就是弹性变形的范围内。对于土这种材料，在小应变范 围内，通常表现出弹性或粘弹性的特点，在应变较大时发生明显的塑性变形，所 以应该先从小应变范围内研究循环应力作用下三轴土样的泊松比。 1 2 2 土体泊松比的研究进展 泊松比反映土体变形，是许多本构模型计算中选用的重要参数。在岩土工 程中广泛应用的d u n c a n c h a n g 非线性弹性模型中泊松比参数是通过三轴压缩 试验径向应变与轴向应变的关系求解，关于泊松比的定义如下： 以一f 一爿 其中，以为不同吧作用下的初始泊松比，g 、f 是i ：1 ：1 肛一l g o - ，关系曲线求得的参 数。 迄今为止，虽经许多学者深入研究以及d u n c a n 等人的改进，仍未较好的解 决由从的定义式得出的计算结果常偏大的问题l l 5 1 。 其实土力学作为一门实践性很强的学科，它的发展与测试技术的发展密切 相关，因此对泊松比的研究单靠理论的计算还是不够的，还要依靠实验手段和土 工试验仪器技术的发展，才能有更进一步的研究结果。 对于土样变形的直接测量，许多研究者做出了有益的尝试，提出了一些测 量三轴试样变形的方法。上世纪六十年代e s c a r i o 和u r i e l 在三轴压力室的玻璃外罩 第一章绪论 上做了一系列的竖直标记线，再在三轴试样边缘画出明显的标记线，通过玻璃外 罩上的标记线确定标尺的位置，然后读取试样边缘标记线在标尺上的读数，这是 依据纯光学手段来测量试样直径的尺寸变形量【1 6 】。由于当时测量仪器的限制，此 测量方法的测量结果较为粗糙，试验人员的读数产生的误差很难消除，测量精度 有限，但对于当时的实验条件来说，这是测量方法可以为研究试样径向变形提供 一定的参考数据。 m o r g a n 和m o o r e 将具有一定宽度的带状铝箔绕在试样中间部分，并在铝箔 与试样间涂抹硅脂，使铝箔紧密的贴在橡皮膜上，再在包好试样的铝箔上做上标 记，利用测微显微镜测读标记间的距离以测定试样径向的变化【l7 1 。这种方法理论 简单，但是操作比较困难，在安装铝箔的过程中要保证铝箔的表面的平滑，不然 铝箔就不能很好的与橡胶模相贴，不能准确的反应试样直径的变化，而且由于铝 箔出现的褶皱使得铝箔上标记点的相对位置发生变化，试验结果会出现较大的误 差。这种测量方法测量土样的膨胀效果比较好一些，但是由于土样受拉时径向收 缩所产生的铝箔的褶皱对测量的结果影响很大，所以这种测量方法不能很好的测 定径向收缩变形量。 a k a i 和a c a d c h i 通过在试样的中间高度处用钢针固定的侧向应变指示器来测 得直径的变化f l8 1 ，这种方法实现了对土样径向变形的测量，相对与前两种方法其 测量精度有了很大的提高。但这种方法在其测量过程中也有有些不足之处，就是 为了减少应变指示器对土样变形的影响，保证应变指示器与土样位置的相对固 定，而将整个应变指示器是通过插入土样的钢针固定在土样上，再涂胶密封钢针 扎破的橡胶膜，这样确实可以减少由于应变指示器因事先固定好而对土样产生的 硬约束，但是应变指示器的一部分重量和插住土样的钢针对土样的变形都会有影 响。 d a v i d 采用卡曼m u i l t - v r i e l 传感器来测定三轴试验中的径向变形【l9 1 。卡曼 m u i l t v r i e l 传感器是根据电流亏损法则，传感器端部做了一个较大的接触面与土 样中部相接触，当土样的径向发生变形时，传感器端部与土样接触部分就会发生 相应的位移变化，使得传感器内电元件的电流发生变化，以此来测量土样径向的 变形。e i r u w a y i h 自行设计的侧向应变指示器【2 们，与日本龙冈大学的径向半钢环 位移传感器l d t 原理大致相同，都是依据导体中阻值的变化来测定试样径向变形 【2 l 】。将传感器的测量端与土样的径向中部相接触，当土样径向发生变形时传感器 与土样接触的部分一起运动，使得传感器的电阻发生变化，测量径向的位移变化。 这三种位移传感器虽然根据不同的原理测量位移变化，但是测量方法基本相同， 都没有对土样的动态变形进行测量，而且这三种方法都为接触测量，特别是径向 半钢环位移传感器对土样约束较大，很难实现在土样小应变时的测量。 第一章绪论 1 9 9 3 年在美国召开的“数字图像处理技术及其在土木工程的应用会议上 m a c a r i 等人发表的一篇题为“用数字图像技术测量三轴试验的体积变形的文章， 通过采用计算机自动识别与人工辅助判别相结合的方法，通过边缘识别确定土试 样的变形。图像测量技术有传统测量方法不具备的优点，可以不约束土样，实现 对土样任意局部的变形测量，但是计算机目前测量的精度相对较低，对于边缘识 别的准确率只有8 0 - 9 0 ，测量值是相对变形量，不能给出绝对变形量，而且测 量过程中受到水的折射和绕射现象明显1 2 引。 应该承认，所有这些对三轴试验土样径向变形的测量方法的改进，都极大 的提高了对三轴土样径向变形直接测量的精度，但是还存在一些不足之处，如 e s c a r i o 和u r i e l 提出的纯光学测量方法，以及m o r g a n 和m o o r e 提出的铝箔标记法， 这两种试验测量方法，都很难实现对土样的动态变形的测量；卡曼m u i l t v r i e l 传 感器等传感器都不能在水中或其它液体中工作，而且接触式测量对土样变形约束 较大。图像测量技术能够实现非接触式测量，是一种较好的测量位移变化的方法， 但是这种测量技术还没有具体应用到对循环三轴土样径向变形的测量上。 国内对循环三轴试验土样的侧向变形量的测量工作相对有限。清华大学在 日本诚研舍真三轴仪基础上作了改进后设计的真三轴仪，通过在土样侧向加装位 移传感器，以达到测量土样静态侧向变形的目的，但是其位移传感器是与土样相 接触，产生的轴向摩擦力和侧向约束对测量结果有很大影响1 2 3 。孙益振等利用计 算机图像测试技术对局部与整体变形测量的粉土泊松比进行过研究，引入了切线 泊松比的概念，切线泊松比是一种随应力状态及加荷方式变化的变形状态参量， 其取值的大小和计算范围对模型的计算结果有较为显著的影响【川，但是没有涉及 到对土样动态变形的测量问题。还有资料说明国内有科研机构利用g d s 的霍尔径 向传感器1 2 5 1 ，这是一种接触式测量方式，能够测量土样的动态侧向变形，但是还 没有相应的研究成果报告。 综上所述，可以看出国内外的许多研究者在实现三轴试样变形的测量，特别 是径向变形的直接测量方面进行了有益的尝试，推动了三轴试验测试技术和土的 应力应变特性研究的发展。各种试验研究方法都有自己的独特之处，但同时由于 测量技术和仪器的限制，也都存在着各自的不足，特别是难以从根本上解决测量 仪器在试验过程中对土样变形的约束影响。三轴试验中土样侧向变形的测量发展 到目前仍是个较为困难的课题，有关在循环三轴试验中，测试试验土样泊松比的 工作更为少见。 第一章绪论 1 3 论文的研究目标和主要工作 基于以上对三轴土样泊松比测试的研究现状，本文拟对循环荷载作用下三轴 土样泊松比测试方法进行研究，主要工作如下： 1 研究一种适用于三轴压力室内测量循环应力作用下试验土样径向变形的 测量方法。拟选用非接触式电涡流传感器，在试验土样不受约束的条件下，实现 对试验土样径向位移的测量。考虑到三轴试验具体的试验条件和非接触式电涡流 传感器测量位移变化的特点，将设计一种安装位移传感器的辅助的装置，使之满 足三轴压力室的密封要求和传感器探头与试验土样的相对位置可调性要求。 2 通过对已知材料泊松比的测量，检验所开发的循环三轴土样泊松比测量 装置的可信性。众所周知，橡胶是一种超弹性材料，其理论泊松比接近0 5 。因 此，通过测量循环应力作用下橡胶圆柱试样的轴向与径向变形，计算其泊松比， 然后与橡胶材料的理论泊松比进行比较，进而说明测量装置的可行性。 3 利用所开发的三轴土样泊松比测量装置，研究固结不排水循环三轴试验 中，几种三轴土样的泊松比及其影响因素，并分析三轴土样泊松比的变化规律， 包括： ( 1 ) 分别对循环应力作用下三轴土样在压缩、拉伸和一次振动中压缩拉伸的 平均状态下的泊松比进行分析； ( 2 ) 同一固结压力下，压缩、拉伸和一次振动状态的泊松比随土样轴向应变 的变化； ( 3 ) 固结压力对压缩状态和拉伸状态泊松比的影响； ( 4 ) 分析重塑饱和砂土和重塑饱和软粘土，以及原状饱和粘土和原状砂土， 在一定的试验土样轴向应变范围内，其泊松比的变化规律和泊松比大致的取值范 围。 第二章三轴试样径向变形非接触式测量方法 第二章三轴试样径向变形非接触式测量方法 如前所述，对于已提出的测试三轴土样径向变形的仪器和方法，均存在一些 不足之处，对土样径向位移变化测量的问题还有待解决。为了更好的实现对三轴 土样径向位移变化的测量，本章将介绍电涡流传感器的基本原理，探讨如何利用 非接触式电涡流传感器测量循环三轴试验土样径向变形的基本方法。 2 1 三轴试验土样径向变形非接触式测量的原理及系统组成 2 1 1 电涡流传感器的原理和结构 图2 i 给出了非接触式电涡流传感器的基本工作原理。当一个线圈l 中通有高 频交流电时，在线圈附近将产生一个高频电磁场。若将一片金属板放在这个交 变的高频电磁场中时，交变磁场的作用便会在金属板表面产生感生电流，此即电 涡流。根据楞次定理，电涡流也将产生一个交变磁场m 。，其方向与原磁场方向相 反，这两个磁场相互叠加的结果将改变产生交变高频电磁场西的线圈l 的阻抗。 这一变化与金属导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流 频率以及线圈与金属片之间的距离等参数有关 2 6 j 。在控制了上述其它参数保持不 变之后，线圈l 的阻抗就成为了线圈与金属板间间隙的单值函数。 采用含有并联谐振振荡器的电子线路检测线圈阻抗的变化，把联谐振振荡器 测量出来的与线圈阻抗成正比的振荡器的振幅电压值通过检波，滤波，放大，线 性修正后输出，输出的电压值与被测导体和线圈之间的间隙呈线性关系 2 7 , 2 8 。变 换原理如图2 2 所示。 导体 6 线圈l 图2 1 涡流效应 i 拦 蕾 萝 第二章三轴试样径向变形非接触式测量方法 变换级检波级放大级输出级 图2 2 变换原理 电涡流位移传感器主要是由探头，前置器( 变换器) 组成。前置器( 变换器) 内安装电源和电信号的输出端e l i 2 9 1 。测量系统如图2 3 所示。 图2 3 测量系统方块图 2 1 2 利用电涡流传感器测量三轴土样的径向变形 电涡流传感器可以把钢、铁等磁性材料和铜、铝等非磁性材料作为被测体， 而对于土这种特殊材料，由于其导电性很弱所以当电涡流传感器的探头靠近土样 表面时，土样表面不能产生明显的电涡流效应【3 0 1 。因此利用非接触式电涡流传感 器对三轴土样径向变形的测量，是通过在三轴土样的中部贴放一块不锈钢金属薄 片来实现的，见图2 4 。当用橡皮膜将不锈钢金属薄片和土样套上并安装到三轴 压力室中时，不锈钢金属薄片将随三轴土样的径向位移而发生径向运动。于是， 电涡流传感器通过对不锈钢金属片径向位移变化的测量，达到对三轴土样径向位 移测量的目的。图2 5 ，为电涡流传感器测量土样径向变形装置的示意图。 第二章三轴试样径向变形非接触式测量方法 圈2 - 4 贴放不锈钢金属薄片的三轴土样 电缆 舞| 。1 j ! 篓： 一 ；堇_ 试 蠢传感器探头 验 囊二土 奠不锈钢金属薄片样 “ 舞 鬻 蕊压力室壁 * 一 f 图2 - 5 土样径向变形测量装置示意图 在利用电涡流传感器测量三轴土样径向变形的测量方案中，主要涉及到两方 面的试验技术问题；一是被测体的选取，要考虑到被测体的材质、形状、尺寸和 厚度等因素以及将被测体安装到三轴土样上的方法；二是设计电涡流传感器探头 的安装方案。 试验中选用的不锈钢材料主要是从以下两个方面考虑：首先，不锈钢材料本 身磁导率电导率高，电涡流作用强，测量的位移与传感器输出电压之间的线性度 好：其次，由于测量的环境在水中，水对不锈钢材料没有任何影响。 第二章三轴试样径向变形非接触式测量方法 不锈钢金属薄片的尺寸和厚度的确定主要取决于传感器探头的横截面面积 和传感器对被测体厚度的要求。这里使用的传感器量程为o5 r a m ，传感嚣探头的 横截面面积大约为2 e m z 。一般讲，电涡流传感器对被测体横截面砸积要求为探 头横截面面积的15 - 2 倍，而对被测体厚度的要求是大于02 5 m m ，小于这个横 截面面积或厚度不够韵被测体产生的涡流效应将明显减弱。基于这些因素，将不 锈钢金属薄片的尺寸选为18 c m i8 c m ，厚度为04 m m ，而且厚度为0 4 m m 的不 锈钢薄片容易弯曲成型，其弯曲度与三轴试样外径相同。 不锈钢金属薄片表面光滑，要在与三轴土样接触的表面上涂抹一层凡士林或 是真空硅脂，这样就可以在土样套橡皮膜之前将薄片安装到土样上。而且凡士林 或真空硅脂填充了薄片与三轴土样之间的空隙，再经过试验中的固结过程，薄片 将紧贴三轴土样，薄片的运动将与三轴土样径向的位移变化保持一致。另一方面， 由于硅脂的润滑作用，可以适当减小土样变形过程中金属片的约束作用。 利用电涡流传感器测量位移方法简单，而且是非接触式的测量，对被测目标 没有约束。但是三轴试样的试验条件比较复杂三轴土样是在密封、并且充满水 的压力室内中进行试验，只有把传感器密封固定在压力室内的壁上才能测量三轴 土样的径向变形在密封的同时还要保证传感器探头在压力室内的进深的可调 性如图2 - 6 是安装于压力室壁上的传感器探头及其配件的示意图。 图2 - 6 传感器安装在压力室壁上的示意图 采取以下技术方案解决传感器安装在压力室壁上的密封与可调问题。传感器 探头带有螺纹，因此探头的进深可咀通过探头的转动调节探头上带有的螺母可 以锁定探头调整好的位要。图2 - 6 中在三轴压力室壁上的装置能够很好的保证探 第二章三轴试样径向变形非接触式测量方法 头的可进深性和压力室的密封。该装置主要分为两部分，一部分是探头前端的很 薄的白色乳胶套和封在乳胶套内的一段较厚的乳胶管。白色乳胶套的作用就是密 封压力室，在其尾部封死，这样就把压力室与外界隔开。由于白色乳胶套很薄， 所以在白色乳胶套内设有较厚的乳胶套管，为了防止在调节探头进深的过程中， 白色乳胶套在固结压力下直接紧贴于探头的螺纹上被划破。固定于压力室壁上的 部分为探头的套管，主要起到固定探头位置的作用，其组成结构如图2 7 所示。 图2 7 传感器探头固定装置结构图 测量三轴试验土样径向变形的操作步骤如下： 首先，在金属薄片上涂抹真空硅脂，将金属薄片安装到试验土样中部，然后 将试验土样安装到三轴仪的压力室中。 其次，将压力室壁安装好之后，把电涡流传感器的探头通过压力室壁上的带 有内螺纹的不锈钢套管拧入三轴压力室内，对准土样中部的不锈钢金属薄片，在 快要接触到土样的时候停止，此时加压力室盖，进水，给土样施加固结压力。 再次，把探头上的电缆线接到前置器上，通过前置器连接的电压表读出电压 值，再微调传感器探头与三轴土样的相对距离，直到电压表的读数接近零，用探 头的上的螺母锁定探头此时的位置。此时，探头与试验土样的相对位置已经固定， 电压表中显示的电压值的变化就代表试验土样在固结压力下径向的位移变化。 最后，待试验土样固结稳定之后，由于在固结压力下土样有不同程度的收缩 变形，所以要重新调整传感器探头与试验土样的相对位置，让电压表的读数回零。 之后就可以进行振动三轴试验，试验过程中土样的径向变形使得电涡流传感器探 头阻抗发生变化，电涡流传感器的前置器将探头阻抗的变化转换成电压信号，可 以在电压表上读取，同时前置器输出的电压信号也被传送到刖d 采集板，再由 a d 采集板将电压号转换成数字信号记录到计算机中。 第二章三轴试样径向变形非接触式测量方法 2 2 三轴试样径向变形测量方法的率定及误差影响因素分析 2 2 1 电涡流传感器在三轴测量环境的率定 系统的测试精度是测量系统最主要的技术指标【3 1 1 ，对测量系统的精度分析是 保证测量数据可信性的一项必不可少的工作，而且只有清楚地了解测量系统的精 度，才可以更加合理的利用测量所得的试验数据。为了进一步提高系统的测量精 度和避免较大误差的产生，对影响系统测量精度的因素进行研究也是非常有必要 的【3 2 】。 本试验选用的是北京桑拓应用技术研究所生产的s t - 2 型非接触式电涡流传 感器，其量程为5 0 0 j u n ，传感器的测量精度可达到1 | im 。针对本次试验的具体 情况，厂家给出了针对三轴土样上所贴不锈钢金属片的标定系数。标定过程中由 于标定装置的限制，表中的数据是不锈钢金属薄片在空气中标定的结果。表2 1 给出了其标定结果，图2 8 ( a ) 和( b ) 分别给出了探头与被测不锈钢金属薄片 靠近和远离的标定系数。 表2 1 标定数据 相对接近 相对远离 位移( r a m )输出电压( v )位移( m m )输出电压( v ) o000 o o lo 1 8 60 o l0 1 9 7 0 0 2 0 3 9 3 0 0 2 o 4 1 2 0 0 30 6 0 30 0 30 6 2 0 0 4o 8 1 30 0 40 8 2 4 0 0 51 0 2o 0 51 0 2 l 0 12 0 1 1o 12 0 3 9 0 1 52 9 9 50 1 53 0 7 0 23 9 6 80 24 0 8 o 2 5 4 9 3 6 0 2 55 0 6 7 第二章三轴试样径向变形非接触式测量方法 位移( m m ) o 0 00 1 00 2 0o 3 0 ( a ) 电压( v ) 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 0 0 位移( m m ) 0 0 00 1 00 2 00 3 0 ( b ) 图2 8 电涡流传感器标定系数 依据表中的标定结果，探头与被测体相对靠近时的标定系数为0 0 4 9 1 3 m m v ， 相对远离时的标定系数为0 0 5 0 3lm m v ，取平均标定系数为0 0 4 9 7 5m m v 。 在三轴试验中，传感器探头和被测金属体是在充满水的环境中，被测金属体 与水相连，这种环境可能对传感器的标定系数有影响。因此，模拟三轴试验环境， 再次对水中的不锈钢金属薄片且探头上套有橡胶套时的传感器标定系数。位移标 定器选用的是中国测试技术研究院研制的g w b 2 0 0 b 型高精度位移标定器。表 2 2 给出了其标定结果，图2 - 9 ( a ) 和( b ) 分别给出了探头与被测不锈钢金属薄 片靠近和远离的标定系数。 第二章三轴试样径向变形非接触式测量方法 表2 - 2 标定数据 相对接近 相对远离 位移( r a m )输出电压( v )位移( m m )输出电压( v ) 0oo0 0 0 2 5o 5 1 60 0 2 50 5 1 1 0 0 51 0 2 50 0 51 0 2 4 0 0 7 51 5 3 2 0 0 7 51 5 3 3 0 12 0 4 2o 12 0 4 3 0 1 2 52 5 50 1 2 52 5 5 7 0 1 53 0 60 1 53 0 6 8 0 1 7 53 5 6 30 1 7 53 5 7 8 0 24 0 7 5o 2 4 0 8 6 0 2 2 54 5 8 20 2 2 54 5 9 4 0 2 5 5 0 7 20 2 55 0 9 6 电压( v ) 6 o o 4 0 0 2 0 0 o 0 0 0 0 00 1 0 位移( m m ) 0 2 00 3 0 ( a ) - 1 4 第二章三轴试样径向变形非接触式测量方法 电压( v ) 6 o o 4 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 位移( m m ) 0 2 00 3 0 ( b ) 图2 - 9 二次标定系数 模拟三轴仪的实际测量条件下，标定出的位移与输出电压的标定系数为：探 头与被测体相对接近时为o 0 4 9 1 2 m m v ，相对远离时为0 0 4 9 9 5 衄v ，平均为 0 0 4 9 5 4m v 。 厂家给出的标定系数和模拟三轴试验条件下的标定系数之间的相对误差仅 有0 4 。这说明探头与被测金属体之间充满水对标定系数基本没有影响。在以 下进行的三轴试验中，选用第二次标定结果。 2 2 2 测量误差分析 任何测量总是不可避免的存在误差，虽然测量仪器本身有很好的测量精度， 但是也要受到整个试验环境中其它因素的影响，分析产生电涡流传感器测量三轴 土样径向位移变化的误差的原因，主要有以下三大类： 第一类，试验环境的不同所产生的误差。试验中压力室内的压力根据不同试 验条件压力大小不同，因此，水作用到探头和不锈钢金属薄片上的力不同，探头 的标准强度是可以承受到1o m p a 的压力，这远远大于水施加到探头上的压力， 但是在标定过程中没有对探头施加压力，这种压力可能导致传感器探头部分材料 更紧密，从而会对探头产生的高频磁场产生一定影响。 第二类，试验过程中出现的误差。振动三轴试验中由于试样在循环应力作用 下发生振动，可能会导致试验土样上被测金属薄片出现错位或倾斜，使测量结果 不准确。对于这种情况，通过数据分析可以明显的看出这种测量结果的跳跃特点， 排除这种试验结果。还有，采集系统本身可能受到电信号的干扰和噪音，产生采 集误差，对这种误差要进行分析处理。 第二章三轴试样径向变形非接触式测量方法 第三类，其它产生误差的因素。如试验人员的操作所带来的误差，人员误差 主要是由于测量者生理上的最小分辨能力、反应速度、固有习惯和试验操作经验 等引起的误差。这种误差只要试验人员按照规范的方法进行试验操作，具体的测 量过程中并不需要人工因素，所以试验人员误差可不用考虑。还有，对数据分析 方法所引起的误差，这部分在下一章的径向位移变化的数据特点中有具体的分 析。 2 3 本章小结 本章主要介绍了利用电涡流传感器测量三轴土样的径向位移变化的思路，在 振动三轴仪上安装电涡流传感器的方法以及在三轴试验过程中的使用方法。三轴 土样径向变形的测量一直是个较难解决的问题，传统的测量方法均为接触式测 量，由于土的强度较低，这种测量方法很容易造成对土变形的约束条件或直接改 变土的变形特点。利用非接触式电涡流传感器测量三轴土样径向变形，较好的解 决了这一问题。也为土工试验中对土的变形的测量提供了一个新的思路。 两次对非接触式电涡流传感器的测试标定，所得的结果基本一致，说明在三 轴试验中电涡流传感的特性和在正常条件下使用的特性基本相同。试验中对数据 的计算按照在三轴试验环境中的标定结果。 通过对试验装置可能产生的误差的分析，可以看出电涡流传感器对位移变化 的测量应用于土工三轴试验，是一种可行的简单的测量方法，不受到太多因素的 影响，能够很好的测量土的变形。可以预见，在其它土工试验中利用电涡流传感 器测量土的变形也有很好的利用空间。 第三章循环应力作用下三轴试样的泊松比测量系统 第三章循环应力作用下三轴试样的泊松比测量系统 3 1 循环应力作用下三轴试样的泊松比测量系统的构成 测量循环应力作用下三轴土样的泊松比，就是要实现在循环应力作用下，三 轴土样在受拉和受压的过程中，测得其轴向位移和径向位移的变化量。从而得到 三轴土样的轴向应变蜀和径向应变岛，然后通过泊松比的定义= i 岛蜀l ，得到 三轴土样的泊松比。 循环应力作用下，三轴土样的泊松比测量系统，实质上是在动三轴试验系统 的基础上对三轴土样测量方法的改进和完善。三轴土样的泊松比测量系统主要部 分包括：动三轴仪，轴向位移传感器、径向位移传感器和数据采集系统。第二章 已经详细的介绍了利用非接触式电涡流传感器对三轴土样径向位移变化量的测 量，本研究所选用的是f i x 1 0 0 振动三轴仪，其对轴向位移的变化量是通过l v d t 线性差动位移传感器测得。在动三轴试验中，轴向位移传感器和径向位移传感器 输出的电压信号由a d 转换器转换后直接存入计算机中。 3 2 循环应力作用下三轴试样泊松比测量的数据特点及修正 3 2 1 循环应力作用下三轴试