凍土空心圓柱儀的研發(fā)與應(yīng)用

郭 妍，王大雁，馬 巍，穆彥虎

(1.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

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凍土空心圓柱儀的研發(fā)與應(yīng)用

郭 妍1,2，王大雁1，馬 巍1，穆彥虎1

(1.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

為研究復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下凍土的力學(xué)特性，中國科學(xué)院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與美國GCTS公司合作研發(fā)了新型凍土力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備——凍土空心圓柱儀(FHCA-300)，該設(shè)備通過獨(dú)立施加內(nèi)圍壓、外圍壓、軸向荷載和扭矩來改變3個(gè)主應(yīng)力的大小和方向，從而更為真實(shí)地模擬凍土在地震荷載、交通荷載等多向應(yīng)力和主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜應(yīng)力路徑下的應(yīng)力-應(yīng)變行為.詳細(xì)介紹了該儀器各部分的組成、傳感器和動(dòng)荷載頻率的選取過程以及目前可實(shí)現(xiàn)的具體試驗(yàn)類型.此外，著重介紹了凍土空心圓柱儀溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，并且對(duì)其控溫能力進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果證明該系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)期的降溫能力和控溫要求.最后利用凍土空心圓柱儀進(jìn)行了主應(yīng)力軸靜態(tài)旋轉(zhuǎn)和循環(huán)旋轉(zhuǎn)測試試驗(yàn)，驗(yàn)證了儀器實(shí)現(xiàn)包括主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)在內(nèi)的復(fù)雜應(yīng)力路徑的能力，初步試驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)備能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)凍土在復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下的力學(xué)行為和變形行為，可為系統(tǒng)開展凍土在復(fù)雜應(yīng)力條件下的強(qiáng)度、變形特性和本構(gòu)關(guān)系等研究提供技術(shù)手段.關(guān)鍵詞: 復(fù)雜應(yīng)力路徑；動(dòng)荷載；力學(xué)性質(zhì)；溫度；凍土空心圓柱儀

土體的力學(xué)性質(zhì)受到應(yīng)力路徑的影響，理想狀態(tài)下只有室內(nèi)試驗(yàn)條件完全模擬真實(shí)加載過程，才能反應(yīng)土體的真實(shí)響應(yīng)，在動(dòng)力條件下尤其如此[1].對(duì)于寒區(qū)工程而言，構(gòu)建筑物在幾種熟知的動(dòng)力荷載，如交通和地震荷載的作用下，凍土地基土體所受應(yīng)力路徑復(fù)雜，不僅體現(xiàn)在主應(yīng)力軸在時(shí)間上和空間上連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而且主應(yīng)力差的大小也發(fā)生連續(xù)變化，這對(duì)于凍土的變形和強(qiáng)度具有顯著的影響[2].隨著中國經(jīng)濟(jì)的深入發(fā)展，寒區(qū)的交通運(yùn)輸工程建設(shè)發(fā)展迅速，規(guī)模日益擴(kuò)大，等級(jí)日益提高.青藏鐵路、青藏公路、哈大高鐵、哈齊高鐵等一系列重大凍土線性工程的設(shè)計(jì)與運(yùn)行均涉及凍土在交通荷載作用下的動(dòng)力特性研究.而作為我國凍土主要的分布地區(qū)，青藏高原又是地球表面構(gòu)造活動(dòng)最頻繁的大陸高原，自2003年以來，7～8級(jí)以上的大地震已經(jīng)發(fā)生多次，特別是昆侖山口西、玉樹等地的大地震對(duì)地面建筑物及其地基基礎(chǔ)造成了不同程度的破壞，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大的損失[3].地震荷載下凍土的動(dòng)力特性響應(yīng)是寒區(qū)建設(shè)工程抗震設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一，因此開展凍土在動(dòng)力荷載及復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下力學(xué)性質(zhì)研究具有重要的意義.凍土力學(xué)是一門試驗(yàn)科學(xué)，試驗(yàn)手段與試驗(yàn)儀器的研發(fā)是凍土力學(xué)向前發(fā)展的基石[4].目前，受儀器設(shè)備及試驗(yàn)手段限制，現(xiàn)有的凍土強(qiáng)度理論及本構(gòu)模型的建立大都是通過擬合單軸、三軸壓縮和等比加載等簡單應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力路徑下的試驗(yàn)結(jié)果得到的[5-8].而考慮實(shí)際工程中多向應(yīng)力及主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)效應(yīng)下的凍土力學(xué)特性研究仍屬空白.傳統(tǒng)的凍土動(dòng)力試驗(yàn)中，動(dòng)三軸儀只能施加動(dòng)態(tài)的偏應(yīng)力，在試樣45°斜面上模擬地震水平向剪切作用[9-11]，交通荷載和地震荷載均屬于非比例循環(huán)加載，總的偏剪應(yīng)力同時(shí)受到正應(yīng)力偏差(豎向和水平正應(yīng)力之差)和剪應(yīng)力兩者交替變化的影響[12-13].顯然，上述動(dòng)三軸儀所能開展的簡單應(yīng)力路徑的動(dòng)力試驗(yàn)并不能真實(shí)地模擬交通和地震荷載下土體中復(fù)雜的應(yīng)力變化過程[14].因此，為了較為準(zhǔn)確獲取凍土在復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下下的力學(xué)性質(zhì)和變形行為，迫切需要研發(fā)一套新型的凍土力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)多向應(yīng)力和主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)等各種復(fù)雜應(yīng)力路徑，獲得相應(yīng)的力學(xué)和變形參數(shù)，為建立更為準(zhǔn)確可靠的凍土本構(gòu)模型提供試驗(yàn)依據(jù).空心圓柱儀是目前可以實(shí)現(xiàn)包括主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)在內(nèi)的多種復(fù)雜應(yīng)力條件的最先進(jìn)的土工試驗(yàn)設(shè)備[1].但是由于國內(nèi)外現(xiàn)有的空心圓柱儀都是針對(duì)未凍土的研究，沒有考慮對(duì)試樣的降溫和控溫要求，并且加載范圍小、傳感器量程不足，無法開展土體在負(fù)溫條件下的力學(xué)性質(zhì)研究.

凍土是由土顆粒、冰、水和空氣組成的四相混合體，結(jié)構(gòu)具有明顯的各向異性特征，且其強(qiáng)度和變形隨著溫度的變化會(huì)發(fā)生明顯的改變.為此，中國科學(xué)院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與美國GCTS公司聯(lián)合研制了用于研究凍土在復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下力學(xué)特性的試驗(yàn)系統(tǒng)：凍土空心圓柱儀(FHCA-300).本文主要介紹了FHCA-300的組成，設(shè)備參數(shù)的選取以及目前可操作的試驗(yàn)類型，并對(duì)該儀器的工作能力及可靠性進(jìn)行了初步驗(yàn)證.從目前結(jié)果來看，該試驗(yàn)系統(tǒng)具備良好且穩(wěn)定的工作性能，能夠開展復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑條件下凍土的力學(xué)性能試驗(yàn).

1 FHCA-300試驗(yàn)系統(tǒng)的組成及主要性能

圖1是凍土空心圓柱儀FHCA-300主要結(jié)構(gòu)以及各部分之間的相互聯(lián)系的示意圖.從圖中可以看出，F(xiàn)HCA-300由壓力室及伺服主機(jī)系統(tǒng)、液壓伺服加載系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)4部分組成.

圖1 凍土空心圓柱儀結(jié)構(gòu)示意

Fig.1 Schematic of frozen hollow cylinder apparatus structure(FHCA-300)

1.1 壓力室及伺服主機(jī)系統(tǒng)

壓力室及伺服主機(jī)系統(tǒng)是凍土空心圓柱儀的核心部分，其設(shè)計(jì)目的是為加載系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)的正常工作提供基礎(chǔ).壓力室頂部有軸力/扭矩載荷傳感器和位移傳感器，負(fù)責(zé)軸力、扭矩、軸向應(yīng)變和扭剪應(yīng)變的測量.傳感器的上端是軸力扭矩雙驅(qū)動(dòng)裝置，負(fù)責(zé)軸力和扭矩的施加.壓力室內(nèi)部設(shè)有降溫設(shè)施、上壓頭、下壓頭、溫度傳感器和土樣.試驗(yàn)中要保證壓頭與土樣剛性連接以確保加載穩(wěn)定.

1.2 液壓伺服加載系統(tǒng)

凍土和未凍土相比，具有負(fù)溫和強(qiáng)度較高的特點(diǎn).如果采用氣動(dòng)伺服控制或者水壓伺服控制會(huì)存在控制精度低或加載能力不足，以及水在負(fù)溫下發(fā)生凍結(jié)無法提供圍壓等一系列問題.液壓加載方式相對(duì)比較平穩(wěn)，反應(yīng)快，易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和頻繁換向，而且系統(tǒng)地過載保護(hù)功能更加容易實(shí)現(xiàn)[15].因此FHCA-300采取液壓伺服控制的加載系統(tǒng).

整個(gè)液壓伺服加載系統(tǒng)的動(dòng)力由液壓泵提供，然后通過5個(gè)伺服閥單獨(dú)控制的作動(dòng)器(包括軸力、扭矩、內(nèi)圍壓、外圍壓和反壓作動(dòng)器)將載荷傳到土樣表面，使土樣達(dá)到設(shè)定的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑.FHCA-300配備的液壓伺服加載系統(tǒng)與試驗(yàn)系統(tǒng)相連接，可通過數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行控制和反饋.

1.3 數(shù)字控制系統(tǒng)

數(shù)字控制系統(tǒng)由GCTS專用的數(shù)字控制器和一體化的計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)系統(tǒng)(CATS軟件)組成.FHCA-300的控制器類型是SCON-2000，內(nèi)置函數(shù)編輯器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號(hào)的輸出/輸入.最大特點(diǎn)在于其通用的信號(hào)調(diào)節(jié)模板可以連接任何形式的傳感器.CATS軟件中除了靜力加載、動(dòng)力加載、飽和、固結(jié)等集成模塊外，還包含一個(gè)通用試驗(yàn)?zāi)K.通用試驗(yàn)?zāi)K允許試驗(yàn)人員建立預(yù)想的測試程序，包括飽和、固結(jié)、三軸、直剪、共振柱/扭剪、真三軸、循環(huán)加載等單個(gè)試驗(yàn)以及多個(gè)連續(xù)的試驗(yàn)程序.

1.4 溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)是凍土空心圓柱儀能進(jìn)行凍土試驗(yàn)的關(guān)鍵，其目的是確保土樣內(nèi)部溫度的均勻性.整個(gè)溫度控制系統(tǒng)由部分構(gòu)成：冷浴循環(huán)系統(tǒng)、溫度監(jiān)測與反饋系統(tǒng)和保溫系統(tǒng).

冷浴循環(huán)部分由兩臺(tái)冷浴和均勻分布在壓力室內(nèi)壁的雙循環(huán)紫銅管以及空心圓柱土樣內(nèi)腔的倒U型紫銅管組成.分別用于控制空心圓柱土樣外腔和內(nèi)腔傳熱承壓介質(zhì)的溫度，并最終達(dá)到控制土樣溫度的目的.冷浴中使用的冷媒是工業(yè)酒精，降溫能力為-40～+20 ℃，溫度控制精度為±0.1 ℃.為了減少了單向循環(huán)所造成壓力室內(nèi)傳熱介質(zhì)的溫度梯度，我們進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：將其中一根雙螺旋紫銅管內(nèi)的冷液順時(shí)針循環(huán)，另一根逆時(shí)針循環(huán)，具體見圖2.

溫度監(jiān)測與反饋系統(tǒng)由四個(gè)溫度傳感器和相應(yīng)的溫度控制、監(jiān)測和顯示元件組成.其中一個(gè)溫度探頭位于空心圓柱土樣內(nèi)腔的中心處，用來監(jiān)測和反饋測量的土樣內(nèi)腔承壓傳熱介質(zhì)的溫度；另外3個(gè)溫度探頭沿試樣外壁布置，分別位于上中下3個(gè)位置，其中位于土樣中部附近的溫度探頭用來監(jiān)測并反饋土樣外腔承壓傳熱介質(zhì)的溫度.與此同時(shí)，冷浴將內(nèi)外腔溫度探頭反饋的溫度數(shù)值與設(shè)置的目標(biāo)溫度進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷浴的降溫速率，當(dāng)溫度探頭反饋的溫度接近預(yù)設(shè)的目標(biāo)溫度值時(shí)，冷浴通過調(diào)節(jié)冷浴內(nèi)部液體的溫度，使得被降溫的硅油的溫度始終保持在設(shè)定的目標(biāo)溫度值并保持不變.其他兩個(gè)位于試樣頂端附近和底端附近的溫度探頭用來實(shí)時(shí)監(jiān)測試樣外腔硅油的溫度.

保溫的具體措施為：在壓力室外表面嚴(yán)密包裹的泡沫保溫材料，以及底座下部配置的隔熱底板組成，用來減少壓力室與外部環(huán)境的熱交換.

值得指出的是該溫度控制系統(tǒng)同時(shí)與內(nèi)、外圍壓儲(chǔ)油罐相連，可在試驗(yàn)前對(duì)儲(chǔ)油罐中的硅油進(jìn)行預(yù)冷，減少圍壓加載試驗(yàn)中因?yàn)闇囟冗^高的硅油進(jìn)入壓力室中造成試樣環(huán)境溫度升高，導(dǎo)致試樣力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的影響.

圖2 溫度控制系統(tǒng)原理示意

2 FHCA-300的技術(shù)參數(shù)

2.1 傳感器種類和量程、精度

測量對(duì)象決定著傳感器型號(hào)的選擇[16].FHCA-300的傳感器類型包括荷載傳感器、位移傳感器和溫度傳感器三大類.為了使儀器具有廣泛的適用性，該設(shè)備選取了不同類型和量程的荷載、位移傳感器和溫度傳感器.荷載傳感器包括3個(gè)不同量程軸力和扭矩傳感器，用來測量試驗(yàn)過程中作動(dòng)器施加的軸力和扭矩.考慮到凍土的強(qiáng)度等級(jí)較高，因此選取的內(nèi)、外圍壓傳感器的量程都較大.壓力傳感器與位移傳感器均安裝在壓力室的外部，使其不受壓力室內(nèi)部溫度變化的影響.壓力室中的溫度傳感器采用Pt-100傳感器，精度為±0.1 ℃，用于溫度的量測和反饋.FHCA-300配置的主要傳感器的技術(shù)指標(biāo)見表1.

2.2 動(dòng)荷載的加載頻率

FHCA-300 的一個(gè)重要用途是研究交通、地震荷載下凍土試樣的變形和力學(xué)性質(zhì)，因此選擇合適的加載頻率尤為關(guān)鍵.考慮到研究內(nèi)容的廣泛性，同時(shí)兼顧到儀器各方面的配置及能力的適應(yīng)性，最終，F(xiàn)HCA-300 選取加載頻率為0～20 Hz，軸向單調(diào)加載時(shí)激振頻率可以達(dá)到最高值20 Hz，扭剪單調(diào)加載頻率為10 Hz，內(nèi)、外圍壓加載有效頻率為2 Hz，軸向、扭剪耦合動(dòng)態(tài)加載頻率為10 Hz，軸向、徑向雙向同步耦合動(dòng)態(tài)加載頻率為2 Hz，軸向、扭轉(zhuǎn)和圍壓耦合動(dòng)態(tài)加載頻率為2 Hz，可以滿足模擬地震、交通荷載頻率的要求.經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)儀器在單獨(dú)和耦合動(dòng)態(tài)加載時(shí)的工作性能穩(wěn)定，同時(shí)計(jì)算機(jī)顯示的荷載或變形的曲線不會(huì)出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象，可以實(shí)時(shí)反映加載的真實(shí)情況.

表1 FHCA-300主要傳感器的性能指標(biāo)

3 可實(shí)現(xiàn)空心試樣的試驗(yàn)類型

在進(jìn)行空心圓柱試樣尺寸選擇時(shí)，對(duì)國內(nèi)外諸多具有代表性的空心圓柱試樣尺寸進(jìn)行了調(diào)查研究.其中，Sayao等[17]指出合適的試樣尺寸將會(huì)在很大程度上減緩應(yīng)力分布的不均勻性和加載方式不同造成端部效應(yīng)，并且認(rèn)為試樣的壁厚、內(nèi)外徑之比、高徑比滿足下列條件時(shí)試樣內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)比較均勻:

壁厚δ=ro-ri=20～26 mm，

(1)

(2)

(3)

Saada等[18]建議空心圓柱試樣滿足以下準(zhǔn)則時(shí)能夠使試樣內(nèi)部的應(yīng)力-應(yīng)變分布更加均勻：

(4)

(5)

式中：ri、ro分別代表空心圓柱試樣的內(nèi)外半徑，H代表試樣的高度.關(guān)于未凍土在試樣尺寸方面的研究已經(jīng)逐漸趨于成熟[19]，因此在參考以上建議的尺寸標(biāo)準(zhǔn)外，綜合考慮試驗(yàn)的可操作性以及目前相關(guān)設(shè)備的使用經(jīng)驗(yàn)[13-14]，最終選取 FHCA-300空心圓柱試樣尺寸為Do×Di×H=100 mm×60 mm ×200 mm.針對(duì)空心試樣，凍土空心圓柱儀可以在不同溫度實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)類型主要有：1)3個(gè)主應(yīng)力大小可以獨(dú)立控制的三軸靜、動(dòng)試驗(yàn)；2)靜力和動(dòng)力純扭剪試驗(yàn)；3)主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的靜力和動(dòng)力試驗(yàn)(可以同時(shí)施加軸力、扭矩、內(nèi)外圍壓，在靜力試驗(yàn)時(shí)控制加載速率；動(dòng)力試驗(yàn)時(shí)控制軸力、扭矩、圍壓的幅值和頻率).

4 FHCA-300控溫能力以及復(fù)雜應(yīng)力路徑實(shí)現(xiàn)能力的初步驗(yàn)證

FHCA-300主要是針對(duì)凍土力學(xué)性質(zhì)研究而設(shè)計(jì)開發(fā)的試驗(yàn)儀器.主要目的是為了開展主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下的凍土力學(xué)性質(zhì)研究.因此對(duì)儀器分別進(jìn)行了控溫能力測試和復(fù)雜應(yīng)力路徑的實(shí)現(xiàn)能力測試.關(guān)于壓力和加載能力驗(yàn)證和常規(guī)空心圓柱儀普通的儀器一樣，因此在此便不再贅述.

4.1 控溫能力驗(yàn)證

溫度的改變會(huì)對(duì)凍土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的影響，從而導(dǎo)致凍土的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生明顯的變化[20].為了驗(yàn)證凍土空心圓柱儀的控溫能力，設(shè)計(jì)了目標(biāo)溫度為-10、-15和-20 ℃的降溫試驗(yàn).在試驗(yàn)之前，首先測試了試樣內(nèi)部溫度與傳熱介質(zhì)溫度達(dá)到一致所需的時(shí)間，主要的操作是將一個(gè)溫度探頭埋入試樣的內(nèi)部，另一個(gè)溫度探頭放置在傳熱介質(zhì)中后開始降溫，最終兩個(gè)溫度探頭采集的數(shù)據(jù)結(jié)果表明：當(dāng)降溫達(dá)到穩(wěn)定后恒溫時(shí)間超過8 h以上，試樣內(nèi)部的溫度與傳熱介質(zhì)的溫度達(dá)到一致.但是即使土樣內(nèi)部的溫度達(dá)到均勻，但是如果凍結(jié)速率較慢時(shí)，土樣在凍結(jié)的過程中也會(huì)出現(xiàn)凍脹和水分遷移的現(xiàn)象[21]，因此，為了盡量消除土樣中的水分遷移和不均勻凍脹，首先將空心圓柱土樣快速凍結(jié)至-30 ℃，然后再分別升溫至目標(biāo)溫度-10、-15和-20 ℃，恒溫15 h左右后取溫度探頭測量的溫度值進(jìn)行分析.圖3、4、5分別空心圓柱試樣在-10、-15以及-20 ℃的溫度測試結(jié)果.圖4和圖5表明溫度在7 h后達(dá)到穩(wěn)定，并且在24 h之后溫度的波動(dòng)范圍小于±0.1 ℃.溫度穩(wěn)定后，目標(biāo)溫度為-10 ℃時(shí)空心圓柱土樣外壁上中下以及內(nèi)部溫度探頭的溫度平均值分別為-9.62、-10.05、-9.90、-10.04 ℃，目標(biāo)溫度為-15 ℃時(shí)溫度探頭的溫度平均值分別為-14.55、-14.99、-14.87、-15.02 ℃，目標(biāo)溫度為-20 ℃時(shí)溫度探頭的溫度平均值分別為-19.56、-20.01、-19.85、-19.98 ℃，可看出，設(shè)置3個(gè)目標(biāo)溫度下4個(gè)溫度探頭測量的溫度波動(dòng)范圍均小于±0.5 ℃，由此證明該溫度控制系統(tǒng)降溫能力和長時(shí)間控溫能力較好.

圖3 目標(biāo)溫度-10 ℃時(shí)土樣不同位置溫度變化曲線

Fig.3 Temperature variation curves of soil samples at different location when the target temperature is -10 ℃

圖4 目標(biāo)溫度-15 ℃時(shí)土樣不同位置溫度變化曲線

Fig.4 Temperature variation curves of soil samples at different location when the target temperature is -15 ℃

圖5 目標(biāo)溫度-20 ℃時(shí)土樣不同位置溫度變化曲線

Fig.5 Temperature variation curves of soil samples at different location when the target temperature is -10 ℃

4.2 復(fù)雜應(yīng)力路徑的實(shí)現(xiàn)能力試驗(yàn)

通過空心圓柱試樣的不同加載試驗(yàn)，對(duì)凍土空心圓柱儀復(fù)雜應(yīng)力路徑的實(shí)現(xiàn)能力進(jìn)行了測試，下面選取兩組具有代表性的試驗(yàn)進(jìn)行分析，試驗(yàn)1：主應(yīng)力軸靜態(tài)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)；試驗(yàn)2：主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn).兩組試驗(yàn)中采用的土樣均為青藏粉質(zhì)黏土，試樣尺寸為內(nèi)徑60 mm，外徑100 mm，高200 mm，試樣干密度為1.9 g/cm3，含水率為15.9%，見圖6(a).

4.2.1 主應(yīng)力軸靜態(tài)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中試樣的溫度設(shè)置為-15 ℃，試驗(yàn)過程采用應(yīng)力控制，且應(yīng)力的加載速率為30 kPa/min，主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的角度為0.3(°)/min，試驗(yàn)的過程同樣利用FHCA-300專用操作模塊改變p、b、α、q這4個(gè)應(yīng)力參數(shù)來達(dá)到預(yù)先設(shè)定的應(yīng)力路徑.

試驗(yàn)1設(shè)定的應(yīng)力路徑具體如下：保持b=0和p=4 500kPa的條件下，在α=0°時(shí)使切應(yīng)力q從100kPa增加到1 510kPa，保持q=1 510kPa，同時(shí)使主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)至45°，最后保持α不變，增加切應(yīng)力q直至試樣破壞.試樣最終發(fā)生破壞后出現(xiàn)明顯剪切痕跡，見圖6(b).從圖7可看出，實(shí)際應(yīng)力路徑圍繞設(shè)計(jì)的應(yīng)力路徑雖然有略微的波動(dòng)，但整體還是保持不變.因此通過試驗(yàn)1證明凍土空心圓柱儀可實(shí)現(xiàn)凍土主應(yīng)力軸的靜態(tài)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn).

圖6 青藏粉質(zhì)黏土空心圓柱試樣

4.2.2 主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)

為考察儀器在高頻下對(duì)輸入波形的反應(yīng)能力，在-10°對(duì)空心圓柱土樣進(jìn)行了軸力、扭矩與內(nèi)外圍壓相位差為0°的耦合循環(huán)加載試驗(yàn).軸力、扭矩與內(nèi)外圍壓的振動(dòng)頻率采用的頻率為2Hz，波形選擇正弦波，軸力的振幅為4kN，扭轉(zhuǎn)角的振幅為5°，內(nèi)外圍壓的振幅為2MPa，所選的變載振幅均小于全量程的1/10.圖8、9給出了軸向力和軸向位移的振動(dòng)曲線，圖10、11為內(nèi)外圍壓的振動(dòng)曲線，圖12、13為轉(zhuǎn)角和扭矩的振動(dòng)曲線.從圖8～13可看出，軸力、內(nèi)外圍壓、轉(zhuǎn)角、扭矩實(shí)際的振動(dòng)曲線與設(shè)計(jì)的曲線較為一致.因此，本文研制的儀器能夠?qū)崿F(xiàn)凍土主應(yīng)力軸的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn).

圖7 主應(yīng)力軸靜態(tài)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)

圖8 軸向力實(shí)際振動(dòng)曲線

圖9 軸向位移實(shí)際振動(dòng)曲線

圖10 內(nèi)圍壓實(shí)際振動(dòng)曲線

圖11 外圍壓實(shí)際振動(dòng)曲線

圖12 扭矩實(shí)際振動(dòng)曲線

圖13 轉(zhuǎn)角實(shí)際振動(dòng)曲線

5 結(jié) 論

中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與美國GCTS公司合作研發(fā)的凍土空心圓柱儀(FHCA-300)具有4個(gè)獨(dú)立的加載參數(shù)(軸力、扭矩、內(nèi)圍壓和外圍壓)，試驗(yàn)系統(tǒng)采用液壓伺服閉環(huán)控制的加載方式，可以通過計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)系統(tǒng)配合數(shù)字控制器對(duì)儀器進(jìn)行全自動(dòng)控制，具備完善的量測系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).該儀器能夠真實(shí)的模擬包括多向應(yīng)力和主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜應(yīng)力路徑的加載過程，為凍土在交通、地震等動(dòng)力荷載作用下的力學(xué)行為的研究提供了更為先進(jìn)的技術(shù)支持，是目前開展復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下凍土的力學(xué)特性和各向異性研究的較為理想的試驗(yàn)儀器.

致謝：本項(xiàng)儀器的研發(fā)過程得到吳青柏研究員、常小曉高級(jí)工程師、王貴榮高級(jí)工程師、鄧友生高級(jí)工程師、趙淑萍研究員、楊曙光工程師以及王永濤博士、關(guān)輝博士的大力幫助，謹(jǐn)此表示衷心的感謝.

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(編輯 趙麗瑩)

Development and application of frozen hollow cylinder apparatus

GUO Yan1, 2, WANG Dayan1, MA Wei1, MU Yanhu1

(1.State Key Laboratory of Frozen Soils Engineering, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

To study mechanical properties of frozen soil under complex stress path, a novel frozen soil testing system-Frozen Hollow Cylinder Apparatus-300(FHCA-300) was developed by State Key Laboratory of Frozen Soils Engineering and the GCTS company in America. By independently controlling inner, outer confine pressure, axial load and torque, this apparatus can change the magnitude and direction of three principal stresses to accurately simulate the stress-strain behavior of frozen soil under complex stress path including the principal stress rotation and multriaxial stress induced by traffic or seismic. This paper introduced the components of FHCA-300, the selection process of sensors, the frequency of dynamic load and the concrete experimental types in details. The design principle of the temperature control system was concretely presented, and the temperature control ability was verified as well. The results show that the system can meet the desired temperature control requirements. For investigating the apparatus’ performance of realizing the complex stress path including principal stress rotation, static principal stress axis rotation and cyclic rotation tests were designed, preliminary test results show that the instrument can accurately reproduce the frozen soil mechanical and deformation behaviors in complex stress path condition. It provides technical means for systematical researches on the strength, deformation characteristics and constitutive relation of frozen soil under complex stress condition.

complex stress path; dynamic load; mechanical properties; temperature control; FHCA-300

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.12.016

2015-10-13

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973項(xiàng)目)(2012CB026106)；凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(SKLFSE-2T-17)； 國家自然科學(xué)基金(41071048)

郭 妍(1991—)，女，碩士； 王大雁(1971—)，女，研究員，博士生導(dǎo)師

王大雁，dywang@lzb.ac.cn

TU445

A

0367-6234(2016)12-0114-07