膨胀土-光纤界面力学性质试验

2018-10-09徐洪钟孙义杰李雪红

水利水电科技进展 2018年5期

徐洪钟,孙义杰,权政,顾鹏,李雪红

(南京工业大学交通运输工程学院,江苏南京 210009)

随着我国经济的快速发展,各类基础工程建设的数量和规模都发展迅猛。但与此同时,大量工程灾害事故也频繁发生,如山体滑坡、基坑坍塌、房屋倒塌等,造成巨大的人员伤亡和经济损失[1]。如何进行及时和有效的监测,已成为现代岩土工程领域重要的课题之一[2]。工程监测一般由传感器系统、数据采集及分析系统、监控中心等各种软硬件组成。其中传感器系统一般指的是感知元件及其组合布置。常规的传感器包括差动电阻式、钢弦式、电感式和电阻应变计式等。尽管上述传感器已取得了广泛应用,但它们普遍存在稳定性和耐久性不足的问题,愈来愈难以符合现代岩土工程的监测要求[3]。近些年兴起的光纤传感器作为一种新型的工程监测技术,具有耐久性好、分布范围广和长期稳定等优点,可以有效弥补传统测量技术的不足[4]。

国内外学者对光纤传感器在岩土工程中的应用,已开展了大量的研究工作。Miyagawa等[5]结合光纤传感技术研发了一套边坡倒塌预报系统,并对日本某地区发生的滑坡成功进行了预报。施斌等[6]将布里渊散射光时域反射(BOTDR)技术应用于南京鼓楼西隧道的监测中,并考虑了隧道内温度、震动等环境因素的影响。Mohamad等[7]采用光纤传感技术进行基坑连续墙变形监测,测试结果与传统测试结果相近。张丹等[8]基于光纤光栅技术(FBG)测量土体变形,监测了膨胀土失水开裂过程。王宏宪等[9]基于布里渊光时域分析(BOTDA)技术,研究膨胀土在干湿循环中应变和裂缝发展情况,有效地确定了裂缝发育位置。Lienhart等[10]将光纤传感技术应用于奥地利南部某滑坡的长期监测中,数据与全站仪等传统方法测试结果较吻合。徐洪钟等[11]设计了素膨胀土和纤维加筋膨胀土的干湿循环对比试验,采用BOTDA技术获取了土体内部应变的变化,检验了纤维加筋抑制膨胀土变形的效果。

各类工程实践和试验研究表明,光纤应变传感器与被测物间的变形协调性会对监测结果有影响[12-15],而由于土体具有结构疏松、模量低、不均匀、大变形等特点,传感器-土体间的变形耦合性问题将尤为突出。为此部分学者已开展了相关工作,如张勇等[16]研究了复杂变形下光纤土体间的应力应变传递规律,佘骏宽等[17]研究了不同光纤-砂土界面力学特性,Zhang等[18-19]建立了光纤-砂土作用力学模型。但目前对多因素影响下的光纤-土体相互作用机制和界面的应力应变传递规律等仍缺乏很好的认识。本文重点研究了膨胀土-光纤界面力学性质,基于拉伸试验数据,提出了膨胀土-光纤界面的位移-拉力模型,定量分析了土体干密度、含水量和上覆压力三因素对土-光纤界面力学性能的影响。研究成果将为光纤感测技术更好地应用于岩土体变形监测提供参考。

1 试验原理、装置和材料

1.1 试验原理

光纤测量膨胀土体变形时,如图1所示,在土体自重、上覆压力及膨胀力等作用下,光纤将有从中心向两端拉伸变形的趋势,这种趋势相当于在光纤的两端作用轴向拉力。在试验的初始阶段即作用于光纤上的轴向拉力较小时,膨胀土和光纤可以视为一个整体,光纤测量值可以代表膨胀土的变形量。随着轴向拉力的不断增大,膨胀土-光纤界面将逐渐发生滑移和脱离,此时光纤与膨胀土间的变形量间将存在偏差,偏差超过一定程度,光纤应变测量值将不再能代表土体变形量。

图1 试验原理

1.2 试验装置

光纤与土体间的剪切强度是影响两者变形协调性能的关键。为此,设计了一套测试膨胀土-光纤界面力学性质的试验装置,如图2和图3所示。

图2 实际试验装置

图3 试验装置示意图

结合图2和图3,对试验装置中A、B、C、D四部分分别作简单说明:

A:由环刀、围压装置、光纤和夹具所组成。围压装置在本试验中采用的是WG型单杠杆固结仪(中压),通过增减砝码来控制施加于环刀上的上覆压力,夹具固定试验仪器。

B:由数显拉力计和位移计,轴承平台和夹具组成。轴承平台远离环刀方向移动时,通过位移计获取光纤拉伸位移量,拉力计测量光纤轴向拉力。拉力、位移值同步实时获取,并自动记录、保存。

C:本区域为电动机,电动机可以使B中轴承平台匀速水平移动。电动机与B中的轴承平台改装于ZJ型应变控制式直剪仪。

D:由笔记本电脑和数据线所组成。通过数据线将计算机和数显拉力计、数显位移计连接,方便试验数据的读取、保存和处理。

1.3 试验材料

试验选用直径2 mm的聚氨酯紧套应变光纤,膨胀土取自南京浦口区,其基本物理性质见表1。试验用环刀高为20 mm,直径为61.8 mm。事先于环刀壁中部对称钻孔,孔径略大于光纤直径。根据设计的压实干密度,称取对应质量土样,并将一半的土样均匀压实至环刀深度一半位置(10 mm),而后将光纤通过环刀壁上的孔,施加预拉应力后置于在土体表面,将剩余光纤的末端伸出环刀15 cm,使得拉伸过程中光纤与膨胀土的接触面积保持不变,最后将另一半土压实至表面与环刀口齐平。图4为安装好光纤的环刀试样。

表1 膨胀土的物理性质指标

图4 环刀土样

2 试验结果和分析

2.1 试验结果

试验的影响因素为土体干密度、含水量和上覆压力,其中干密度分别取1.35 g/cm3、1.40 g/cm3、1.45 g/cm3和1.50 g/cm3,含水量分别取16%、20%、24%、28%、32%和36%,土体的上覆压力分别取12.5 kPa、25.0 kPa、37.5 kPa和62.5 kPa。试验采用控制变量法,例如上覆压力取12.5 kPa、25.0 kPa、37.5 kPa和62.5 kPa时,其他2个影响因素保持不变。不同条件下光纤位移与作用在光纤上的轴向拉力间关系曲线如图5～7所示。

图5 不同干密度下界面位移-拉力曲线

图6 不同含水量下界面位移-拉力曲线

图7 不同上覆压力下界面位移-拉力曲线

从图5～7可以看出,不同影响因素下的膨胀土-光纤界面的位移-拉力曲线变化规律有较高的相似性。以影响因素中的土体干密度(图5)为例来说明曲线变化的相似规律:首先,在同一干密度下,随着位移的增大,界面拉力不断增大,且增大的速度基本保持不变。当位移达到一定值时,拉力达到峰值(此时拉力为峰值拉力,对应位移为峰值位移)。然后随着位移的增大,拉力逐渐减小。试验的后期,随着位移的继续增大,拉力逐渐趋于一个相对稳定的值(此时拉力为残余拉力,对应位移为残余位移);其他条件不变时,土体干密度越大,膨胀土-光纤界面的峰值拉力越大,峰值拉力对应的峰值位移也越大,残余拉力和残余位移均随土体干密度的增大而增大。

2.2 试验结果分析

土体不同干密度、含水量和上覆压力下,各膨胀土-光纤界面位移-拉力关系曲线均可以简化成一条分段曲线, 符合三段式的拉拔力-拉拔位移关系模型[17-19], 如图8所示。

图8 膨胀土-光纤界面位移-拉力曲线模型

图8中,膨胀土-光纤界面位移-拉力曲线可以分为以下3个阶段:

阶段Ⅰ:试验开始阶段,随着位移的增大,拉力线性增加。此阶段由于拉力较小,光纤和膨胀土界面之间存在摩擦力和黏聚力,光纤和膨胀土界面未发生相对滑移,位移对应光纤的受拉伸长和膨胀土界面剪切层的剪切变形。

阶段Ⅱ:在峰值位移点,拉力达到峰值,此时界面上的剪切应力已经从受拉端传递到了光纤尾端,剪切应力达到界面的最大静摩擦力。膨胀土界面剪切层逐渐发生剪切破坏和界面剥离,此时拉力开始下降,峰值位移过后膨胀土-光纤界面出现相对滑移。

阶段Ⅲ:膨胀土界面完全破坏后,光纤和膨胀土界面发生相对移动,界面作用力以滑动摩擦力为主,并基本保持不变,此时稳定值称为残余拉力。

该模型中,主要涉及3个变量,即峰值拉力、峰值位移和残余拉力。根据界面模型和光纤的实际应用可知,当位移大于峰值位移时,膨胀土-光纤界面出现相对滑移,光纤测量得到的数据开始部分失效。故峰值位移越大越好(其对应峰值拉力也越大),因为这样光纤测量得到的有效位移、拉力范围更广。而当拉力接近残余拉力时,膨胀土-光纤界面发生滑移和脱离,此时光纤监测得到的数据已基本完全失效。故残余拉力越小越好,因为能更早判断出光纤监测是否完全失效。

光纤的力学性能取决于其和被监测基体之间界面应力传递能力,而能反映传递能力大小的正是界面剪切强度[14]。下面分析上述3个因素对膨胀土-光纤界面剪切强度(峰值剪切强度和残余剪切强度)的影响, 其中峰值剪切强度和残余剪切强度的定义如下:

(1)

(2)

式中:up、ur为峰值剪切强度和残余剪切强度;Fp、Fr为峰值拉力和残余拉力;A为膨胀土-光纤界面接触面积;d为光纤外径;D为环刀内直径。

图9 干密度-界面剪切强度关系

图9～11分别为土体干密度、含水量和上覆压力3个因素对膨胀土-光纤界面剪切强度的影响,图中分别对实测结果进行了线性拟合,得出拟合段的方程(图中ρd为膨胀土干密度；w为含水量；σv为上覆压力)。

图10 含水量-界面剪切强度关系

图11 上覆压力-界面剪切强度关系

图9表明在其他条件不变时,膨胀土-光纤界面剪切强度与干密度成高度线性正比关系,土体干密度越大,光纤与接触土体之间的咬合越紧密,光纤越不容易从土体中拔出,剪切强度值越大;图10表明在其他条件不变时,膨胀土-光纤界面峰值剪切强度、残余剪切强度与土体含水量成近似线性反比关系;图11表明在其他条件不变时,膨胀土-光纤剪切强度与上覆压力近似线性正相关,这可以利用库伦公式作相应的解释——即假设界面黏聚力和界面摩擦角不变,上覆压力(界面法向应力)越大,界面剪切强度也越大,且上覆压力与界面剪切强度成线性正比关系。