基于透明黏土的取土器貫入擾動變形試驗研究

劉同芳,吳躍東,周云峰,劉 堅

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇 南京 210098)

在巖土工程原狀土取樣過程中,由于取土器刃腳處擠土效應及側壁摩阻力等因素的影響,取土器內部土體會受到擾動,發生較大擾動變形,其物理力學性質也將發生較大改變。原狀土樣質量低劣不能正確反映地基土層的真實性狀,可能導致對地基的估計過高,使工程設計偏于危險;更多的是導致對土質的評價過低,造成資源浪費。

對于取土器貫入引起的土樣擾動變形,相關學者進行了一系列理論方法、數值模擬和室內模型試驗方面的研究[1-8]。取土器貫入擾動理論研究主要包括應變路徑法和圓孔擴張法,如Baligh等[1]基于應變路徑法分析了取土器貫入過程中取土器軸線處土體全過程應變;左文榮等[2]基于圓孔擴張理論推導出由取土器貫入引起的土體擾動變形場;汪敏等[3]結合應變路徑法和球孔擴張理論,基于小應變假定,得到管樁壓入過程中土體豎向位移和橫向位移的解析解。在數值模擬研究方面,李家平等[4]采用ANSYS對取土器壓入土體過程做了初步數值模擬研究并對這一過程中產生的擾動進行了評價,同時分析了取土器參數對擾動的影響。

隨著透明土配制技術的快速發展,將透明土與粒子圖像測速(particle image velocimetry,PIV)技術結合使用的方法得到越來越多的應用。PIV技術可以進行實時全場測量和分析,屬于非接觸式測量技術,不會對變形場產生干擾[5]。采用透明土結合PIV技術進行試驗可以非接觸觀測到土體的內部變形,因此該方法也廣泛地用于巖土工程的機理研究。由于理論和數值模擬分析對取土過程做了一定程度的簡化假定,且有限元的計算精度嚴重依賴于本構模型的選擇以及相應參數的確定,因此通過試驗方法獲得取土器貫入過程中土樣內部變形場的分布特性可成為一種較為可靠的研究手段。例如:Liu[6]開發了一套透明土模型試驗觀測系統用于土體結構相互作用問題的研究;曹兆虎等[7]基于PIV技術研究了樁體貫入透明土中的土體內部變形規律,結合數值模擬驗證了模型試驗的可靠性;吳躍東等[8]基于透明土及PIV技術,通過模型試驗研究了取土器貫入過程中土樣擾動變形場的分布特性。已有模型試驗多采用透明砂土,對于透明黏土中的取土擾動情況研究較少。

為加深對取土器貫入過程中土體變形規律的理解,觀測取土器內部土體的變形情況,本文采用由Aristoflex AVC制成的新型透明黏土及PIV技術,通過取土器貫入擾動可視化模型試驗裝置,開展了不同內徑的取土器貫入可視化模型試驗,并對貫入過程中土體的變形規律進行了分析。

1 試驗方法

1.1 試驗材料及方案

為了更好地觀察樁體或取土器貫入過程中土體的變形情況,可采用透明度較高且基本性質與土體較為接近的透明材料來模擬土體,目前主要采用無定型二氧化硅、Laponite RD以及Gelita等材料[9-13]配制透明土,但其透明度相對較低且物理力學性質與天然黏土有較大差距。本文選用吳躍東等[14]研制的一種AVC新型透明黏土,該種透明黏土材料在半透明狀態下具有250mm的可視厚度,性質穩定,可滿足取土器貫入模型試驗中土體變形場的觀測要求。

試驗使用的AVC新型透明黏土采用克萊恩化工(美國)生產的Aristoflex AVC配制,Aristoflex AVC常溫下為白色粉末,含水率為7%,pH值(1%水溶液)為4～6,黏度(1%水溶液)為48～80GPa·s。實際配制過程中采用去離子水以減少溶劑中的金屬離子對AVC膠體強度的影響。采用多壁碳納米管作為示蹤粒子,在近紅外光照射下產生熒光,可滿足產生清晰散斑場的觀測需求。

取土器尺寸對取土器貫入過程中的土體變形有較大影響[15-18]。本文試驗采用3組不同內徑的取土器(圖1)研究其貫入過程中土體的變形情況,取土器長L=120mm,內徑D=20、30、40mm,刃角θ設置為5°,壁厚t=2mm。試驗中取土器貫入速度為2mm/s,土樣中AVC透明膠體的質量分數為2.5%,具體試驗方案見表1。

表1 試驗方案Table 1 Test scheme

圖1 試驗用取土器Fig.1 Soil sampler for tests

試驗采用的AVC新型透明黏土屬于一種高壓縮性土體,與淤泥類似,用于模擬模型試驗中的淤泥土。為了滿足可視化需求,取土器的材質為無色透明有機玻璃,其下端為敞口,上端開設圓孔,類似于工程中常用的敞口薄壁取土器。試驗采用勻速、靜壓貫入方式取樣,與工程取樣方式一致。

1.2 試驗裝置

取土器貫入擾動可視化模型試驗裝置如圖2所示,主要包括阻尼式隔振光學平臺、自動沉樁加載儀、激光光源、模型槽、取土器、透明土、帶孔有機玻璃板、砝碼、佳能70D單反相機。

圖2 試驗裝置Fig.2 Test device

試驗采用的光學平臺為標準阻尼式隔振光學平臺,其上均勻分布螺紋孔以便于各類儀器的固定;自動沉樁加載儀上裝配有調速電機,電機控制壓桿的壓入速度為0～5mm/s,壓桿底部留有直徑為10mm的孔洞,通過螺母可將取土器固定在壓桿上;激光光源為EP532-2W型半導體激光器。

試驗所用模型槽和取土器材質均為有機玻璃,模型槽平面尺寸為150mm×150mm,高度為200mm,厚度為5mm,模型槽底部中央帶有微型凹槽,以便將其固定于光學平臺上。為防止取土器貫入過程中管內空氣壓入透明土中,影響透明土的透明效果,在取土器上部開設兩個圓孔。帶孔有機玻璃板作為透明土的加載承臺,孔洞大小比取土器大1mm,孔與取土器之間的空隙通過橡膠圈連接。

采用分辨率較高的佳能70D單反相機通過定時快門線實現圖像的自動采集,圖片處理軟件為PIVview2C。

1.3 試驗步驟

a.新型透明黏土按文獻[14]進行配制,主要包括以下步驟:①按試驗方案稱取所需的去離子水,放入容積為5～10L的密封桶內;②稱取Aristoflex AVC粉末加入去離子水中;③攪拌機快攪約20min后密封,陰涼處靜置8h,避免陽光直射,確保AVC聚合物完全水解形成膠體;④精確稱取多壁碳納米管加入AVC膠體中,攪拌機慢攪至均勻;⑤使用真空泵抽出膠體中的氣泡,靜置4～8h,完成透明黏土的制備。

b.基于透明黏土和PIV技術的取土器貫入試驗主要包括以下步驟:①將配制好的透明黏土放入固定在光學平臺上的模型槽中;②透明土上放置帶孔有機玻璃板,板上放置砝碼用于加載;③將不同尺寸的取土器與貫入系統的壓桿連接;④調節相機至合適位置,設置單反定時快門線;⑤打開激光器,調節激光器功率至形成質量較高的散斑場,并保證激光切面、模型槽中心線及取土器中心線重合;⑥緊貼模型槽表面放置一把刻度尺并拍照記錄,用于透明土像素標定;⑦調節自動沉樁加載儀至所需貫入速率,打開定時快門線開關,記錄貫入過程。

2 試驗結果與分析

2.1 像素標定試驗

通過讀取圖片上經過PIVview2C處理后得到的像素點坐標以及實際的刻度尺坐標值,擬合像素坐標與實際坐標之間的關系,將像素變形場乘以度量值即可得到實際的土體位移場。圖3為試驗土樣的像素標定結果,可以看出像素坐標與實際坐標之間的線性關系十分顯著,表明相機采集的圖像質量較高,可采用統一的度量值(擬合曲線斜率)對像素坐標與實際坐標進行轉換。

圖3 透明土像素標定曲線Fig.3 Pixel calibration curve of transparent soil

2.2 剪應變分析

圖4為內徑40mm取土器貫入試驗中試樣的剪應變等值線,取土器貫入深度為60mm。從圖4可以看出,貫入過程中土體最大剪應變為0.2。對于取土器內部土體,其剪應變帶主要分布在距離管壁0.31D范圍內,取土器外部土體剪應變帶主要分布在距離管壁0.33D范圍內。因此在進行室內試驗時應盡量采用取土器中軸線0.19D范圍內的土體,即圖4中斜線區域部分。剪應變等值線并未關于中軸線對稱,這是因為透明黏土本身的非均質性以及實際貫入過程中透明黏土上部砝碼質量有一定的差異,透明黏土受力并不完全相同所致。

2.3 透明黏土取土器軸線處土體變形分析

由于取土器貫入取土時,內部土體受到管壁的約束作用,其主要變形為豎向變形,因此選取典型的貫入深度,對取土器軸線處土體的豎向變形情況進行分析。其中土體變形為正表示土體向上隆起,為負表示土體向下壓縮。

圖5為內徑20mm取土器軸線處土體變形曲線(作為對比,以下各圖中也給出了文獻[19]的透明砂土試驗結果)。圖5中取土器貫入透明黏土不同深度時,軸線處土體均表現為壓縮變形。貫入深度為20mm時,軸線處土體壓縮變形在距離土表34.5mm深度處達到最大值0.37mm,隨后逐漸減小,在65mm深度處壓縮變形接近于0;隨著貫入深度的增加,軸線各深度處的壓縮變形不斷增大,最大壓縮變形位置逐漸下移,并沿著圖中虛線方向延伸。這是因為取土器內部土體受到向下的側壁摩阻力作用,土體表現為壓縮變形,且隨著貫入深度的增加,側壁摩阻力增大,軸線處土體壓縮變形增大。此外,隨著取土器貫入深度的增加,其土體變形影響深度也逐漸增大,貫入深度為60mm時的影響深度為115mm。與透明黏土有所不同,透明砂土主要表現為隆起變形,且隨著深度的增加先增大后減小。

圖5 內徑20mm取土器軸線處土體變形曲線Fig.5 Soil deformation curve at the axis of 20mm-diameter soil sampler

圖6為內徑20mm取土器軸線處土體頂部位移曲線與最大變形曲線?？梢钥闯?隨著貫入深度的增加,取土器內透明黏土的壓縮變形不斷增大,當貫入深度為60mm時,頂部壓縮變形為0.47mm,最大壓縮變形為1.47mm。這是因為隨著貫入深度的增加,取土器內部側壁與土體接觸面積逐漸增大,向下的側壁摩阻力逐漸增大,土體壓縮變形增大。而透明砂土中取土器軸線處土體表現為隆起變形,且隨著貫入深度的增加,隆起變形逐漸增大,當貫入深度為60mm時,頂部隆起變形為1.25mm,比黏土中的擾動變形偏大0..78mm;最大隆起變形為1.75mm,比黏土中的擾動變形偏大19.0%。

圖6 內徑20mm取土器軸線處土體頂部位移和最大變形Fig.6 Top displacement and maximum deformation of soil at the axis of 20mm-diameter soil sampler

圖7為內徑30mm取土器軸線處土體變形曲線。與內徑為20mm取土器軸線處土體變形規律不同的是,沿取土器軸線方向上土體表現為部分隆起變形。貫入深度為20mm時,距離土體表面30mm內土體隆起變形逐漸減小,土體表面30mm以下土體壓縮變形逐漸增大,在45mm深度處壓縮變形達到最大值0.25mm,隨后壓縮變形逐漸減小,并在88mm深度處接近于0。隨著貫入深度的增加,軸線處土體擾動變形逐漸增大,最大壓縮變形位置隨著貫入深度的增加逐漸下移。這是因為初始貫入時刃腳擠土效應顯著,土體表現為隆起變形,隨著貫入深度的增加向下的側壁摩阻力逐漸增加,擠土效應逐漸減弱,兩者的疊加作用使軸線處土體表現為壓縮變形。與黏土中試驗結果不同的是,透明砂土中軸線處土體表現為隆起變形。取土器貫入透明黏土過程中的土體變形影響深度隨著貫入深度的增加而逐漸增大,貫入深度為60mm時的影響深度為118mm;在透明砂土中也有類似的規律,但貫入相同深度時影響深度偏小33.9%。

圖7 內徑30mm取土器軸線處土體變形曲線Fig.7 Deformation curve of soil at the axis of 30mm-diameter soil sampler

圖8為內徑30mm取土器軸線處土體頂部位移曲線與最大變形曲線。從圖8(a)可以看出,在透明黏土中取土器頂部土體表現為隆起變形,且隨著貫入深度的增加,隆起變形不斷增大,貫入深度為60mm時的頂部隆起變形為0.54mm。這是因為隨著貫入深度的增加,土壓力逐漸增大,取土器刃腳處擠土效應顯著,頂部土體隆起變形逐漸增大。在透明砂土中取土器軸線處土體也有類似的變形規律,貫入深度為60mm時的頂部隆起變形為1.10mm,比黏土中的擾動變形偏大0.56mm。從圖8(b)可以看出,在透明黏土中軸線處最大變形為壓縮變形,且隨著貫入深度的增加,最大壓縮變形逐漸增大,貫入深度為60mm時的最大壓縮變形為1.21mm。這是因為隨著貫入深度的增加,取土器內部側壁與土體接觸面積逐漸增大,向下的側壁摩阻力逐漸增大,土體壓縮變形增大。而在透明砂土中軸線處擾動變形為隆起變形,且隨著貫入深度的增加,隆起變形逐漸增大,貫入深度為60mm時最大隆起變形為2.26mm,比黏土中的擾動變形偏大1.05mm。

圖8 內徑30mm取土器軸線處土體頂部位移和最大變形Fig.8 Top displacement and maximum deformation of soil at the axis of 30mm-diameter soil sampler

圖9為內徑40mm取土器軸線處土體變形曲線,與內徑為30mm取土器軸線處土體變形規律相似,只是數值大小不同。貫入深度為60mm時,在52mm深度處壓縮變形達到最大值1.02mm,與內徑為30mm取土器相比減小15.7%,這表明增大取土器內徑可減小貫入過程中的擾動變形。

圖9 內徑40mm取土器軸線處土體變形曲線Fig.9 Soil deformation curve at the axis of 40mm-diameter soil sampler

為了方便表示取土器貫入的徑向影響范圍并進行影響因素分析,將土體變形影響深度d通過管內徑D進行標準化,圖10為取土器貫入深度與影響深度的關系曲線,可以看出,取土器貫入的影響深度隨著貫入深度的增加而逐漸增大,當取土器貫入深度由20mm增至60mm時,其中取土器內徑為20mm時的擾動影響深度由2.5D增至6D,可能原因是隨著貫入深度的增加,排開的土體增多,由于取土器的邊界效應,土顆粒逐漸豎向運動,同時造成表面的隆起和底部的壓縮變形。此外,取土器內徑的增大可減小擾動影響深度,以取土器貫入深度60mm為例,取土器內徑為20mm時的擾動影響深度約為115mm(約6D),而取土器內徑增大至40mm時的影響深度為88mm(約2.2D),影響深度相比減小了23.5%。

圖10 取土器貫入深度與影響深度關系Fig.10 Relationship between penetration depth of soil sampling and impact depth

2.4 橫截面上土體變形規律分析

圖11為內徑40mm取土器、貫入深度為60mm時不同截面上的變形特性(圖中4個截面位于取土器橫截面8等分點上,其中A—A截面位于取土器中軸線上)。由圖11可以看出,各截面處土體變形特性基本相似,僅在變形大小上存在差異,距離側壁較近的D—D截面處由于側壁摩阻力相對較大,壓縮變形最大。

圖11 內徑40mm取土器各截面土體變形曲線Fig.11 Soil deformation curve of each section in a 40mm diameter soil sampler

圖12為透明黏土同一橫截面變形敏感性,其值為A—A截面與D—D截面的差值,圖中還給出了透明砂土的試驗結果[19]。從透明黏土曲線可以看出,取土器頂部土體敏感性最大,隨著深度的增加敏感性逐漸減小。土表橫截面處敏感性為0.15mm,深度為60mm的橫截面處敏感性為0.05mm,僅為土表橫截面處的1/3。透明砂土與黏土在同一橫截面處變形敏感性變化規律相似,土表橫截面處敏感性為0.33mm,比黏土中試驗結果偏大約1倍,深度為60mm的橫截面處敏感性為0.11mm。這表明黏土比砂土的整體性好,取土器下部土體敏感性較低,有較強的整體性。在進行室內試驗時,可考慮采用取土器下部土體進行壓縮、強度、滲透等試驗。

圖12 透明土體同一橫截面變形敏感性Fig.12 Deformation sensitivity of different transparent soils at the same cross-section

3 結 論

a.取土器貫入擾動可視化模型試驗裝置具有非接觸式測量的優點,能夠實現取土器貫入過程中的可視化測量,其精度可以滿足試驗要求,對于取土器貫入過程中的變形研究具有重要意義。

b.取土器軸線處土體以壓縮變形為主,取土器貫入引起的土體擾動變形主要由側壁摩阻力及刃腳擠土效應引起,采用大直徑的取土器可提高取土質量。

c.取土器貫入過程中各截面不同位置處土體變形規律基本一致,距離管壁越遠,變形越小;取土器下部土體整體性較好,且距離中軸線0.19D范圍內土體剪應變較小,室內試驗時可切取這部分土體。