基于透明黏土的取土器贯入扰动变形试验研究

刘同芳,吴跃东,周云峰,刘 坚

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098;2.河海大学岩土工程科学研究所,江苏 南京 210098)

在岩土工程原状土取样过程中,由于取土器刃脚处挤土效应及侧壁摩阻力等因素的影响,取土器内部土体会受到扰动,发生较大扰动变形,其物理力学性质也将发生较大改变。原状土样质量低劣不能正确反映地基土层的真实性状,可能导致对地基的估计过高,使工程设计偏于危险;更多的是导致对土质的评价过低,造成资源浪费。

对于取土器贯入引起的土样扰动变形,相关学者进行了一系列理论方法、数值模拟和室内模型试验方面的研究[1-8]。取土器贯入扰动理论研究主要包括应变路径法和圆孔扩张法,如Baligh等[1]基于应变路径法分析了取土器贯入过程中取土器轴线处土体全过程应变;左文荣等[2]基于圆孔扩张理论推导出由取土器贯入引起的土体扰动变形场;汪敏等[3]结合应变路径法和球孔扩张理论,基于小应变假定,得到管桩压入过程中土体竖向位移和横向位移的解析解。在数值模拟研究方面,李家平等[4]采用ANSYS对取土器压入土体过程做了初步数值模拟研究并对这一过程中产生的扰动进行了评价,同时分析了取土器参数对扰动的影响。

随着透明土配制技术的快速发展,将透明土与粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术结合使用的方法得到越来越多的应用。PIV技术可以进行实时全场测量和分析,属于非接触式测量技术,不会对变形场产生干扰[5]。采用透明土结合PIV技术进行试验可以非接触观测到土体的内部变形,因此该方法也广泛地用于岩土工程的机理研究。由于理论和数值模拟分析对取土过程做了一定程度的简化假定,且有限元的计算精度严重依赖于本构模型的选择以及相应参数的确定,因此通过试验方法获得取土器贯入过程中土样内部变形场的分布特性可成为一种较为可靠的研究手段。例如:Liu[6]开发了一套透明土模型试验观测系统用于土体结构相互作用问题的研究;曹兆虎等[7]基于PIV技术研究了桩体贯入透明土中的土体内部变形规律,结合数值模拟验证了模型试验的可靠性;吴跃东等[8]基于透明土及PIV技术,通过模型试验研究了取土器贯入过程中土样扰动变形场的分布特性。已有模型试验多采用透明砂土,对于透明黏土中的取土扰动情况研究较少。

为加深对取土器贯入过程中土体变形规律的理解,观测取土器内部土体的变形情况,本文采用由Aristoflex AVC制成的新型透明黏土及PIV技术,通过取土器贯入扰动可视化模型试验装置,开展了不同内径的取土器贯入可视化模型试验,并对贯入过程中土体的变形规律进行了分析。

1 试验方法

1.1 试验材料及方案

为了更好地观察桩体或取土器贯入过程中土体的变形情况,可采用透明度较高且基本性质与土体较为接近的透明材料来模拟土体,目前主要采用无定型二氧化硅、Laponite RD以及Gelita等材料[9-13]配制透明土,但其透明度相对较低且物理力学性质与天然黏土有较大差距。本文选用吴跃东等[14]研制的一种AVC新型透明黏土,该种透明黏土材料在半透明状态下具有250mm的可视厚度,性质稳定,可满足取土器贯入模型试验中土体变形场的观测要求。

试验使用的AVC新型透明黏土采用克莱恩化工(美国)生产的Aristoflex AVC配制,Aristoflex AVC常温下为白色粉末,含水率为7%,pH值(1%水溶液)为4～6,黏度(1%水溶液)为48～80GPa·s。实际配制过程中采用去离子水以减少溶剂中的金属离子对AVC胶体强度的影响。采用多壁碳纳米管作为示踪粒子,在近红外光照射下产生荧光,可满足产生清晰散斑场的观测需求。

取土器尺寸对取土器贯入过程中的土体变形有较大影响[15-18]。本文试验采用3组不同内径的取土器(图1)研究其贯入过程中土体的变形情况,取土器长L=120mm,内径D=20、30、40mm,刃角θ设置为5°,壁厚t=2mm。试验中取土器贯入速度为2mm/s,土样中AVC透明胶体的质量分数为2.5%,具体试验方案见表1。

表1 试验方案Table 1 Test scheme

图1 试验用取土器Fig.1 Soil sampler for tests

试验采用的AVC新型透明黏土属于一种高压缩性土体,与淤泥类似,用于模拟模型试验中的淤泥土。为了满足可视化需求,取土器的材质为无色透明有机玻璃,其下端为敞口,上端开设圆孔,类似于工程中常用的敞口薄壁取土器。试验采用匀速、静压贯入方式取样,与工程取样方式一致。

1.2 试验装置

取土器贯入扰动可视化模型试验装置如图2所示,主要包括阻尼式隔振光学平台、自动沉桩加载仪、激光光源、模型槽、取土器、透明土、带孔有机玻璃板、砝码、佳能70D单反相机。

图2 试验装置Fig.2 Test device

试验采用的光学平台为标准阻尼式隔振光学平台,其上均匀分布螺纹孔以便于各类仪器的固定;自动沉桩加载仪上装配有调速电机,电机控制压杆的压入速度为0～5mm/s,压杆底部留有直径为10mm的孔洞,通过螺母可将取土器固定在压杆上;激光光源为EP532-2W型半导体激光器。

试验所用模型槽和取土器材质均为有机玻璃,模型槽平面尺寸为150mm×150mm,高度为200mm,厚度为5mm,模型槽底部中央带有微型凹槽,以便将其固定于光学平台上。为防止取土器贯入过程中管内空气压入透明土中,影响透明土的透明效果,在取土器上部开设两个圆孔。带孔有机玻璃板作为透明土的加载承台,孔洞大小比取土器大1mm,孔与取土器之间的空隙通过橡胶圈连接。

采用分辨率较高的佳能70D单反相机通过定时快门线实现图像的自动采集,图片处理软件为PIVview2C。

1.3 试验步骤

a.新型透明黏土按文献[14]进行配制,主要包括以下步骤:①按试验方案称取所需的去离子水,放入容积为5～10L的密封桶内;②称取Aristoflex AVC粉末加入去离子水中;③搅拌机快搅约20min后密封,阴凉处静置8h,避免阳光直射,确保AVC聚合物完全水解形成胶体;④精确称取多壁碳纳米管加入AVC胶体中,搅拌机慢搅至均匀;⑤使用真空泵抽出胶体中的气泡,静置4～8h,完成透明黏土的制备。

b.基于透明黏土和PIV技术的取土器贯入试验主要包括以下步骤:①将配制好的透明黏土放入固定在光学平台上的模型槽中;②透明土上放置带孔有机玻璃板,板上放置砝码用于加载;③将不同尺寸的取土器与贯入系统的压杆连接;④调节相机至合适位置,设置单反定时快门线;⑤打开激光器,调节激光器功率至形成质量较高的散斑场,并保证激光切面、模型槽中心线及取土器中心线重合;⑥紧贴模型槽表面放置一把刻度尺并拍照记录,用于透明土像素标定;⑦调节自动沉桩加载仪至所需贯入速率,打开定时快门线开关,记录贯入过程。

2 试验结果与分析

2.1 像素标定试验

通过读取图片上经过PIVview2C处理后得到的像素点坐标以及实际的刻度尺坐标值,拟合像素坐标与实际坐标之间的关系,将像素变形场乘以度量值即可得到实际的土体位移场。图3为试验土样的像素标定结果,可以看出像素坐标与实际坐标之间的线性关系十分显著,表明相机采集的图像质量较高,可采用统一的度量值(拟合曲线斜率)对像素坐标与实际坐标进行转换。

图3 透明土像素标定曲线Fig.3 Pixel calibration curve of transparent soil

2.2 剪应变分析

图4为内径40mm取土器贯入试验中试样的剪应变等值线,取土器贯入深度为60mm。从图4可以看出,贯入过程中土体最大剪应变为0.2。对于取土器内部土体,其剪应变带主要分布在距离管壁0.31D范围内,取土器外部土体剪应变带主要分布在距离管壁0.33D范围内。因此在进行室内试验时应尽量采用取土器中轴线0.19D范围内的土体,即图4中斜线区域部分。剪应变等值线并未关于中轴线对称,这是因为透明黏土本身的非均质性以及实际贯入过程中透明黏土上部砝码质量有一定的差异,透明黏土受力并不完全相同所致。

2.3 透明黏土取土器轴线处土体变形分析

由于取土器贯入取土时,内部土体受到管壁的约束作用,其主要变形为竖向变形,因此选取典型的贯入深度,对取土器轴线处土体的竖向变形情况进行分析。其中土体变形为正表示土体向上隆起,为负表示土体向下压缩。

图5为内径20mm取土器轴线处土体变形曲线(作为对比,以下各图中也给出了文献[19]的透明砂土试验结果)。图5中取土器贯入透明黏土不同深度时,轴线处土体均表现为压缩变形。贯入深度为20mm时,轴线处土体压缩变形在距离土表34.5mm深度处达到最大值0.37mm,随后逐渐减小,在65mm深度处压缩变形接近于0;随着贯入深度的增加,轴线各深度处的压缩变形不断增大,最大压缩变形位置逐渐下移,并沿着图中虚线方向延伸。这是因为取土器内部土体受到向下的侧壁摩阻力作用,土体表现为压缩变形,且随着贯入深度的增加,侧壁摩阻力增大,轴线处土体压缩变形增大。此外,随着取土器贯入深度的增加,其土体变形影响深度也逐渐增大,贯入深度为60mm时的影响深度为115mm。与透明黏土有所不同,透明砂土主要表现为隆起变形,且随着深度的增加先增大后减小。

图5 内径20mm取土器轴线处土体变形曲线Fig.5 Soil deformation curve at the axis of 20mm-diameter soil sampler

图6为内径20mm取土器轴线处土体顶部位移曲线与最大变形曲线。可以看出,随着贯入深度的增加,取土器内透明黏土的压缩变形不断增大,当贯入深度为60mm时,顶部压缩变形为0.47mm,最大压缩变形为1.47mm。这是因为随着贯入深度的增加,取土器内部侧壁与土体接触面积逐渐增大,向下的侧壁摩阻力逐渐增大,土体压缩变形增大。而透明砂土中取土器轴线处土体表现为隆起变形,且随着贯入深度的增加,隆起变形逐渐增大,当贯入深度为60mm时,顶部隆起变形为1.25mm,比黏土中的扰动变形偏大0..78mm;最大隆起变形为1.75mm,比黏土中的扰动变形偏大19.0%。

图6 内径20mm取土器轴线处土体顶部位移和最大变形Fig.6 Top displacement and maximum deformation of soil at the axis of 20mm-diameter soil sampler

图7为内径30mm取土器轴线处土体变形曲线。与内径为20mm取土器轴线处土体变形规律不同的是,沿取土器轴线方向上土体表现为部分隆起变形。贯入深度为20mm时,距离土体表面30mm内土体隆起变形逐渐减小,土体表面30mm以下土体压缩变形逐渐增大,在45mm深度处压缩变形达到最大值0.25mm,随后压缩变形逐渐减小,并在88mm深度处接近于0。随着贯入深度的增加,轴线处土体扰动变形逐渐增大,最大压缩变形位置随着贯入深度的增加逐渐下移。这是因为初始贯入时刃脚挤土效应显著,土体表现为隆起变形,随着贯入深度的增加向下的侧壁摩阻力逐渐增加,挤土效应逐渐减弱,两者的叠加作用使轴线处土体表现为压缩变形。与黏土中试验结果不同的是,透明砂土中轴线处土体表现为隆起变形。取土器贯入透明黏土过程中的土体变形影响深度随着贯入深度的增加而逐渐增大,贯入深度为60mm时的影响深度为118mm;在透明砂土中也有类似的规律,但贯入相同深度时影响深度偏小33.9%。

图7 内径30mm取土器轴线处土体变形曲线Fig.7 Deformation curve of soil at the axis of 30mm-diameter soil sampler

图8为内径30mm取土器轴线处土体顶部位移曲线与最大变形曲线。从图8(a)可以看出,在透明黏土中取土器顶部土体表现为隆起变形,且随着贯入深度的增加,隆起变形不断增大,贯入深度为60mm时的顶部隆起变形为0.54mm。这是因为随着贯入深度的增加,土压力逐渐增大,取土器刃脚处挤土效应显著,顶部土体隆起变形逐渐增大。在透明砂土中取土器轴线处土体也有类似的变形规律,贯入深度为60mm时的顶部隆起变形为1.10mm,比黏土中的扰动变形偏大0.56mm。从图8(b)可以看出,在透明黏土中轴线处最大变形为压缩变形,且随着贯入深度的增加,最大压缩变形逐渐增大,贯入深度为60mm时的最大压缩变形为1.21mm。这是因为随着贯入深度的增加,取土器内部侧壁与土体接触面积逐渐增大,向下的侧壁摩阻力逐渐增大,土体压缩变形增大。而在透明砂土中轴线处扰动变形为隆起变形,且随着贯入深度的增加,隆起变形逐渐增大,贯入深度为60mm时最大隆起变形为2.26mm,比黏土中的扰动变形偏大1.05mm。

图8 内径30mm取土器轴线处土体顶部位移和最大变形Fig.8 Top displacement and maximum deformation of soil at the axis of 30mm-diameter soil sampler

图9为内径40mm取土器轴线处土体变形曲线,与内径为30mm取土器轴线处土体变形规律相似,只是数值大小不同。贯入深度为60mm时,在52mm深度处压缩变形达到最大值1.02mm,与内径为30mm取土器相比减小15.7%,这表明增大取土器内径可减小贯入过程中的扰动变形。

图9 内径40mm取土器轴线处土体变形曲线Fig.9 Soil deformation curve at the axis of 40mm-diameter soil sampler

为了方便表示取土器贯入的径向影响范围并进行影响因素分析,将土体变形影响深度d通过管内径D进行标准化,图10为取土器贯入深度与影响深度的关系曲线,可以看出,取土器贯入的影响深度随着贯入深度的增加而逐渐增大,当取土器贯入深度由20mm增至60mm时,其中取土器内径为20mm时的扰动影响深度由2.5D增至6D,可能原因是随着贯入深度的增加,排开的土体增多,由于取土器的边界效应,土颗粒逐渐竖向运动,同时造成表面的隆起和底部的压缩变形。此外,取土器内径的增大可减小扰动影响深度,以取土器贯入深度60mm为例,取土器内径为20mm时的扰动影响深度约为115mm(约6D),而取土器内径增大至40mm时的影响深度为88mm(约2.2D),影响深度相比减小了23.5%。

图10 取土器贯入深度与影响深度关系Fig.10 Relationship between penetration depth of soil sampling and impact depth

2.4 横截面上土体变形规律分析

图11为内径40mm取土器、贯入深度为60mm时不同截面上的变形特性(图中4个截面位于取土器横截面8等分点上,其中A—A截面位于取土器中轴线上)。由图11可以看出,各截面处土体变形特性基本相似,仅在变形大小上存在差异,距离侧壁较近的D—D截面处由于侧壁摩阻力相对较大,压缩变形最大。

图11 内径40mm取土器各截面土体变形曲线Fig.11 Soil deformation curve of each section in a 40mm diameter soil sampler

图12为透明黏土同一横截面变形敏感性,其值为A—A截面与D—D截面的差值,图中还给出了透明砂土的试验结果[19]。从透明黏土曲线可以看出,取土器顶部土体敏感性最大,随着深度的增加敏感性逐渐减小。土表横截面处敏感性为0.15mm,深度为60mm的横截面处敏感性为0.05mm,仅为土表横截面处的1/3。透明砂土与黏土在同一横截面处变形敏感性变化规律相似,土表横截面处敏感性为0.33mm,比黏土中试验结果偏大约1倍,深度为60mm的横截面处敏感性为0.11mm。这表明黏土比砂土的整体性好,取土器下部土体敏感性较低,有较强的整体性。在进行室内试验时,可考虑采用取土器下部土体进行压缩、强度、渗透等试验。

图12 透明土体同一横截面变形敏感性Fig.12 Deformation sensitivity of different transparent soils at the same cross-section

3 结 论

a.取土器贯入扰动可视化模型试验装置具有非接触式测量的优点,能够实现取土器贯入过程中的可视化测量,其精度可以满足试验要求,对于取土器贯入过程中的变形研究具有重要意义。

b.取土器轴线处土体以压缩变形为主,取土器贯入引起的土体扰动变形主要由侧壁摩阻力及刃脚挤土效应引起,采用大直径的取土器可提高取土质量。

c.取土器贯入过程中各截面不同位置处土体变形规律基本一致,距离管壁越远,变形越小;取土器下部土体整体性较好,且距离中轴线0.19D范围内土体剪应变较小,室内试验时可切取这部分土体。