一種基于PIV技術(shù)的土體抗拉強(qiáng)度及裂縫形成過程試驗(yàn)裝置研發(fā)

黃 維， 胡勝華*， 許匯源， 艾 東， 袁晶晶， 蔣文豪， 邱 爽， 黃 偉， 劉 勝， 王菁莪

(1.湖北省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊(duì)，湖北 宜昌 443100; 2.中國民用航空飛行學(xué)院 機(jī)場學(xué)院，四川 廣漢 618307；3.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040; 4.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

在土體強(qiáng)度特性研究中，過去多側(cè)重于土體的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，對土體的抗拉強(qiáng)度關(guān)注較少，在工程建設(shè)中也往往將其忽略[1-2]。隨著工程建設(shè)及研究的深入，許多土工問題的研究分析及工程設(shè)計(jì)都必須考慮土體的抗拉強(qiáng)度，例如地裂縫、邊坡路基的拉張裂縫、滑坡后緣裂隙的形成以及隧道拱肩拉張掉塊等都與土體抗拉強(qiáng)度有著密切關(guān)系[3-5]。然而土體抗拉強(qiáng)度一般較低，很難通過測試直接測得。目前比較常用的土體抗拉強(qiáng)度測試方法分為直接法和間接法[6-7]。直接法主要為單軸拉伸法，通過將圓柱體土樣兩端與拉伸儀器黏結(jié)在一起，拉伸土樣兩端來獲得土體抗拉強(qiáng)度，然而這種方法很難將土樣兩端黏結(jié)牢固，造成黏結(jié)處容易斷裂，而且試驗(yàn)過程中位移的監(jiān)測并不精細(xì)，因此在試驗(yàn)過程中存在一定問題。間接法主要為軸向壓裂法、徑向壓裂法，通過二次計(jì)算獲得土體的抗拉強(qiáng)度，一般通過抗壓強(qiáng)度換算抗拉強(qiáng)度，存在中間換算過程，造成抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)確性不能得到保證。在土體裂縫形成過程研究方面，國內(nèi)外學(xué)者主要集中在數(shù)值模擬領(lǐng)域，陶祥令[8]通過擴(kuò)展有限元方法(XFEM)模擬計(jì)算凍土裂縫的形成過程；喬建偉[9]通過有限元模型模擬地裂縫的形成過程。數(shù)值模擬能在一定程度上反映土體裂縫形成過程，但實(shí)際往往與數(shù)值模擬結(jié)果存在一定差距，因此缺乏實(shí)際測試結(jié)果作支撐的抗拉強(qiáng)度不盡合理。

針對目前土體抗拉強(qiáng)度及裂縫形成過程試驗(yàn)方法中存在的問題，本文基于粒子圖像測速(PIV)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種新型土體抗拉強(qiáng)度及裂縫形成過程測試裝置，通過“∞”拉伸盒保證土體受拉均勻，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，準(zhǔn)確獲得土體抗拉強(qiáng)度；同時(shí)通過PIV系統(tǒng)準(zhǔn)確獲得土體裂縫形成過程及變形特征，使得土體抗拉強(qiáng)度及裂縫形成過程測試更加準(zhǔn)確可靠。

1 裝置研制

1.1 裝置構(gòu)成

在現(xiàn)有土體抗拉強(qiáng)度測試裝置基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于PIV系統(tǒng)的新型土體抗拉強(qiáng)度及裂縫形成過程測試裝置(圖1)，主要由拉伸系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PIV系統(tǒng)三部分組成(圖2)。拉伸系統(tǒng)主要提供拉伸動(dòng)力，進(jìn)行土體抗拉強(qiáng)度測試；控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要控制拉伸系統(tǒng)，設(shè)置土體拉伸試樣主要參數(shù)(拉伸速率等)并采集數(shù)據(jù)；PIV系統(tǒng)主要用來測試土體裂縫形成過程及形變。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

圖2 試驗(yàn)裝置實(shí)體圖

1.1.1拉伸系統(tǒng)

拉伸系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)、變速箱、絲杠滑臺(tái)、滑輪導(dǎo)軌、拉伸盒組成。拉伸盒一側(cè)通過剛性連接桿與應(yīng)力傳感器連接，并固定在試驗(yàn)臺(tái)上；其另一側(cè)通過剛性連接桿與絲杠滑臺(tái)連接，再連接至步進(jìn)電機(jī)與變速箱。絲杠滑臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)與變速箱均固定在試驗(yàn)臺(tái)上。拉伸盒底部安裝滾珠滑槽，應(yīng)力傳感器兩端分別固定在試驗(yàn)臺(tái)與拉伸盒一側(cè)，位移傳感器固定在試驗(yàn)臺(tái)上，測頭與拉伸盒另一側(cè)接觸。步進(jìn)電機(jī)主要提供拉伸動(dòng)力，變速箱調(diào)節(jié)拉伸速度，應(yīng)力傳感器用于測試?yán)瓚?yīng)力，位移傳感器用于測量拉伸長度。

為了保證該試驗(yàn)裝置能夠直接真實(shí)地反映試樣受拉狀態(tài)，設(shè)計(jì)拉伸盒如圖3所示。拉伸盒由可通過蝴蝶螺母固定的左右對稱兩部分組成，其材質(zhì)為不銹鋼，固定后長120 mm、寬80 mm、厚40 mm。拉伸盒中心裝樣部分設(shè)計(jì)為“∞”形，由半徑為30 mm的兩個(gè)對稱相交圓組合，相交部分的長度為50 mm。

圖3 拉伸盒示意圖

1.1.2控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由微型計(jì)算機(jī)(帶觸屏功能)組成。軟件系統(tǒng)是基于美國國家儀器公司研制的LabVIEW系統(tǒng)編程開發(fā)的，主要包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等功能。

在計(jì)算機(jī)屏幕初始界面打開試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)程序，彈出如圖4所示的操作界面，在該界面下開展不同土體的抗拉強(qiáng)度測試?？蛇x擇不同的拉伸速度來進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，可控制電機(jī)前進(jìn)或后退，可命令拉伸盒開始拉伸或復(fù)位。與此同時(shí)，拉伸時(shí)的速度、拉伸力、位移—時(shí)間曲線、應(yīng)力—時(shí)間曲線都能實(shí)時(shí)地在此界面顯示出來。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)記錄，能記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并以Excel表格形式導(dǎo)出數(shù)據(jù)，方便后期對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖4 試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的操作界面

1.1.3PIV系統(tǒng)

PIV是一種光學(xué)測量技術(shù)，由于其具有非接觸式測量、操作簡單、精度較高、受外界干擾小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天、巖土、流體試驗(yàn)等領(lǐng)域[10]。在巖土領(lǐng)域，PIV技術(shù)主要應(yīng)用于巖土體的位移及形變測試[11]。PIV技術(shù)的基本原理是：在試樣上標(biāo)記示蹤粒子，然后給試樣提供充足的光源，讓示蹤粒子能夠輕易被分辨；用CCD工業(yè)相機(jī)對試樣進(jìn)行連續(xù)拍照，記錄試樣表面示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)過程，得到連續(xù)時(shí)刻(t1-t2)的光學(xué)圖像；通過分析模塊，運(yùn)用圖像相關(guān)性算法，識別同一示蹤粒子在連續(xù)2張照片中的位移，進(jìn)而計(jì)算出試樣在t1-t2時(shí)刻的形變。

PIV系統(tǒng)主要由CCD工業(yè)相機(jī)及攝影燈組成。工業(yè)相機(jī)分辨率為2 748×2 200像素，曝光時(shí)間為0.06～1×106ms，具有黑白平衡、色彩還原等功能，能將拍攝的照片通過USB接口傳輸?shù)诫娔X中。攝影燈為工業(yè)相機(jī)拍攝過程提供補(bǔ)充光源，降低照片的噪點(diǎn)[12]。

1.2 裝置主要技術(shù)指標(biāo)

本裝置的核心部件為拉伸系統(tǒng)、應(yīng)力傳感器、位移傳感器和工業(yè)相機(jī)。各部件核心參數(shù)如下：

(1) 拉伸系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最大空載速度7.6 mm/min、最小空載速度0.059 mm/min；

(2) 應(yīng)力傳感器量程為30 kg，測試最大拉力為300 N，精度達(dá)到0.03%；當(dāng)拉伸試樣20 mm厚時(shí)，可測得抗拉強(qiáng)度范圍是0～312 kPa；

(3) 位移傳感器量程為12.7 mm，精度為0.01 mm；

(4) 工業(yè)相機(jī)有效分辨率為600萬像素，成像距離為50～100 cm，畸變率<1%。

1.3 儀器驗(yàn)證與標(biāo)定

1.3.1儀器驗(yàn)證

該試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵是保證試樣拉伸破壞面處于完全受拉狀態(tài)，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。為消除試樣拉伸過程中的應(yīng)力集中，拉伸盒采用“∞”形設(shè)計(jì)，拉伸破壞面位于兩圓相交部分。通過FLAC 3D數(shù)值模擬軟件,建立“∞”形拉伸盒的試樣受拉模型，設(shè)定試樣一端固定，另一端以恒定速度移動(dòng)，完全模擬土體拉伸強(qiáng)度測試裝置的試驗(yàn)過程。

數(shù)值模擬試樣受力云圖(圖5)顯示，試樣受力較為均勻，在試樣中心拉伸破壞面為拉張受力狀態(tài)，未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。數(shù)值模擬試樣塑性破壞區(qū)(圖6)顯示，試樣塑性變形主要集中在試樣拉伸破壞面，且都為拉張破壞。因此通過數(shù)值模擬可知，土體拉伸破壞面處于完全受拉狀態(tài)，破壞主要集中在拉伸破壞面，拉伸破壞面未存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，該試驗(yàn)裝置滿足設(shè)計(jì)要求[13]。

圖5 數(shù)值模擬試樣受力云圖

圖6 數(shù)值模擬試樣塑性破壞區(qū)

1.3.2傳感器的標(biāo)定

(1) 壓力傳感器的標(biāo)定。壓力傳感器較為精密，在長時(shí)間使用后，可能形成一定誤差，為了保證測量的準(zhǔn)確性，需要對壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)室中最常用的方法就是通過測力砝碼來標(biāo)定。將壓力傳感器一端固定，另一端通過細(xì)線懸掛不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼,取重力加速度g=9.8 m/s2，砝碼所受重力大小作為標(biāo)準(zhǔn)輸入值。每次施加的砝碼穩(wěn)定后，采集壓力傳感器讀數(shù)，最后對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，確定各比例系數(shù)，完成壓力傳感器的標(biāo)定。

(2) 位移傳感器的標(biāo)定。位移傳感器采用靜態(tài)標(biāo)定。將位移傳感器固定在支架上，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)千分尺使測試盤貼緊探頭，記為標(biāo)定起始點(diǎn);轉(zhuǎn)動(dòng)手柄1圈，測試轉(zhuǎn)盤位移0.5 mm，依次轉(zhuǎn)動(dòng)手柄4圈，測試轉(zhuǎn)盤移動(dòng)2.0 mm，獲得5個(gè)測點(diǎn)，分別記錄位移傳感器讀數(shù)。將測試轉(zhuǎn)盤位移作為輸入值，位移傳感器讀數(shù)作為采集值，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，完成位移傳感器的標(biāo)定。

(3) 工業(yè)相機(jī)的標(biāo)定。工業(yè)相機(jī)采用張正友棋盤格法[14]進(jìn)行標(biāo)定。棋盤是一塊由黑白方塊間隔組成的標(biāo)定板，用來作為標(biāo)定物。通過調(diào)整相機(jī)的方向，為標(biāo)定物拍攝10～20張不同方向的照片，從照片中提取棋盤格角點(diǎn)，估算理想無畸變情況下的5個(gè)內(nèi)參和6個(gè)外參。應(yīng)用最小二乘法估算實(shí)際存在徑向畸變下的畸變系數(shù)，優(yōu)化相機(jī)參數(shù)，完成相機(jī)標(biāo)定。

2 測試流程

2.1 試樣制備

該試驗(yàn)裝置可測試不同干密度、不同含水率的土樣。拉伸盒上下兩端用蝴蝶螺母固定，參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)[15]，為試樣配置目標(biāo)干密度和目標(biāo)含水率。先將重塑試樣配置到液限含水率附近，通過制樣器制樣。同時(shí)，在試樣表面布置中國ISO標(biāo)準(zhǔn)紅色石英砂，石英砂粒徑0.08～0.25 mm，作為PIV測試示蹤粒子。將試樣放入無水保濕缸中，利用水分自然蒸發(fā)來降低試樣含水率，每隔一段時(shí)間稱量試樣質(zhì)量，直至達(dá)到目標(biāo)含水率。當(dāng)試樣達(dá)到目標(biāo)含水率后，將其用保鮮膜包裹，放入保濕缸中靜置24 h，讓試樣中的水分充分運(yùn)移，保證水分均勻分布，完成試樣制備(圖7)。

圖7 制備完成的試樣

2.2 測試過程

首先將試樣正確安裝在滑槽上，給試驗(yàn)裝置設(shè)定微小位移，使拉伸盒受到一個(gè)微小拉應(yīng)力，并使試驗(yàn)裝置各部件連接緊密，消除桿件中連接松動(dòng)而產(chǎn)生的誤差。去除拉伸盒上下兩端的固定蝴蝶螺母，將位移傳感器、應(yīng)力傳感器讀數(shù)歸零。拉伸速率設(shè)定為0.02 mm/min，打開并固定攝影燈，設(shè)置PIV系統(tǒng)拍照時(shí)間間隔為3 s。試驗(yàn)開始后，控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集拉伸過程的應(yīng)力讀數(shù)和位移讀數(shù)，PIV系統(tǒng)拍攝照片，數(shù)據(jù)采集頻率為3 s/次。當(dāng)試樣產(chǎn)生明顯拉張裂縫且拉應(yīng)力降為0時(shí)，視為試樣完全受拉破壞，試驗(yàn)裝置隨即停止工作，試驗(yàn)結(jié)束。

3 測試結(jié)果

3.1 抗拉強(qiáng)度

應(yīng)力傳感器可獲得拉力F，位移傳感器可獲得位移ΔL。土樣總長度L為100 mm，土樣中心平面面積S為9.6 cm2。則拉應(yīng)力σt、拉應(yīng)變?chǔ)趴煞謩e表示為：

σt=F/S×10

(1)

ε=ΔL/L×100

(2)

以拉應(yīng)變?chǔ)艦闄M坐標(biāo)，拉應(yīng)力σt為縱坐標(biāo)，繪制試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線(圖8)，其峰值對應(yīng)抗拉強(qiáng)度。結(jié)合裂縫形成過程，將應(yīng)力—應(yīng)變曲線劃分為4個(gè)階段，即結(jié)構(gòu)調(diào)整階段(Ⅰ)、微裂縫發(fā)育階段(Ⅱ)、裂縫形成階段(Ⅲ)、裂縫貫通階段(Ⅳ)。同時(shí)，制作了含水率相同、干密度不同的試樣，測試土體抗拉強(qiáng)度。以含水率18%為例，制作了干密度分別為1.4、1.6、1.8 g/cm3的試樣，分別測試其抗拉強(qiáng)度，并繪制應(yīng)力—應(yīng)變曲線(圖9)，結(jié)果顯示曲線數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，隨著干密度增大，抗拉強(qiáng)度也增大，符合實(shí)際情況，說明儀器測試滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖9 不同干密度試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線

3.2 裂縫形成過程

PIV系統(tǒng)捕捉了試樣裂縫形成過程及變形情況，獲得了裂縫各個(gè)階段發(fā)育特性(圖10)。其中，a為試樣拉伸破壞面照片，可以直接觀察到試樣表面裂縫形成過程；b為試樣拉伸破壞面位移矢量圖，可觀察試樣中示蹤點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向及大??；c為試樣拉伸破壞面應(yīng)變云圖，可以觀察試樣應(yīng)變大小。

圖10 試樣裂縫形成過程

在結(jié)構(gòu)調(diào)整階段，試樣表面未形成裂縫，拉應(yīng)力緩慢增加，位移矢量圖表明試樣頂部出現(xiàn)微小位移差，從應(yīng)變云圖中可以看到試樣頂部應(yīng)變較大，預(yù)示著裂縫將從試樣頂部開始形成，此時(shí)土體結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整。進(jìn)入微裂縫發(fā)育階段，試樣頂部形成微裂縫，拉應(yīng)力逐漸增加至峰值，應(yīng)變云圖顯示應(yīng)變較大區(qū)域與微裂縫一致，且裂縫尖端附近應(yīng)變最大，此時(shí)土體局部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。在裂縫形成階段，試樣表面宏觀裂縫逐漸形成，拉應(yīng)力迅速降低，裂縫兩邊出現(xiàn)明顯位移差，且位移方向基本與裂縫垂直，應(yīng)變云圖顯示試樣底部應(yīng)變較大，已經(jīng)形成潛在貫穿裂縫，土體結(jié)構(gòu)大部分已經(jīng)發(fā)生破壞。進(jìn)入裂縫貫通階段后，試樣表面裂縫逐步向下貫通，拉應(yīng)力逐漸減小至0，從位移矢量圖中看到裂縫左上半部分位移基本為0，已經(jīng)和右上半部分分離，此時(shí)試樣底部應(yīng)變較大，裂縫已經(jīng)從上至下貫通形成，土體結(jié)構(gòu)完全破壞[16]。

4 結(jié)論

針對目前土體抗拉強(qiáng)度較難直接測量的問題，研制了一種基于PIV系統(tǒng)的新型土體抗拉強(qiáng)度及裂縫形成過程試驗(yàn)裝置，取得以下認(rèn)識：

(1) 該裝置由拉伸系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PIV系統(tǒng)組成。拉伸系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、變速箱、絲杠滑臺(tái)、滑輪導(dǎo)軌、拉伸盒組成，主要提供拉伸動(dòng)力，進(jìn)行土體抗拉強(qiáng)度測試。控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由微型計(jì)算機(jī)組成，主要控制拉伸系統(tǒng)并采集數(shù)據(jù)。PIV系統(tǒng)包括工業(yè)攝像機(jī)及攝影燈，主要用來測試土體裂縫形成過程及形變。

(2) 通過數(shù)值模擬，表明土體拉伸破壞面處于完全受拉狀態(tài)，破壞主要集中在拉伸破壞面，拉伸破壞面未存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此該裝置滿足設(shè)計(jì)要求，能準(zhǔn)確獲得土體抗拉強(qiáng)度。同時(shí)通過PIV系統(tǒng)，可獲得土樣裂縫形成過程及裂縫各個(gè)階段發(fā)育、變形特征。

(3) 該裝置可用于開展不同干密度、不同含水率、不同性質(zhì)土體的抗拉強(qiáng)度及變形破壞試驗(yàn)，對土體抗拉特性研究具有指導(dǎo)意義。