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張 希 巍

(歐美大地，廣東 廣州 510030)

摘  要：非飽和土力學研究受儀器制造水平的影響,目前國內外研究的成果遠不如飽和土研究成果豐富。本文介紹了目前國內外非飽和土試驗系統的研制和應用現狀，著重介紹GDS的非飽和土試驗系統，包括非飽和土應力路徑三軸系統和非飽和土直剪系統。該系統是目前商業化程度的非飽和土試驗系統，在吸力控制、體變測量、自動化程度等方面都是在其它儀器廠商的之上。在有400多個客戶，在我國有40多個不同系統的客戶，其中非飽和土系統有接近25個。

關鍵詞：GDS系統；非飽和土系統；吸力；體變

Advanced unsaturated soil test system introduction

ZHANG Xi-wei,

(EPC, Guangzhou 510030, China)

Abstract: The developed test apparatus for unsaturated soil was influenced by fabrication technology, the test result is not rich as the theory aspect at home and abroad. The research and application were introducted at current in this paper, especially the GDS the advanced unsaturated soil system, include unsaturated soil triaxial stress path system and direct shear system. It is the highest level of commercialized in the world, whilst the suction control, measuring for volume change, automatization are also representational and one-up other manufactures. There are more than forty clients use all kinds of GDS system, nearly twenty five unsaturated soil test system in China.

Key words: GDS system; unsaturated soil; suction; volume change

0  引    言

究竟什么是非飽和土試驗？有人認為只要試樣是非飽和的，在三軸儀上進行的試驗就是非飽和土試驗；也有人認為非飽和的試樣在剪切的時候控制水氣不排出試樣，就是非飽和土試驗。實際上在早期的時候，的確有一些非飽和土試驗是這樣做的，但現在這樣回答似乎不正確。在60年代以前，非飽和土剪切試驗的方法與飽和土類似。采用的是粗孔陶瓷透水板和相對較高的應變速率^[1]。非飽和土試驗是要在固結和剪切的過程中保持土樣的飽和度為常值，這樣試驗測得的參數為既定飽和度下的結果。早期的試驗實際上是含水量不變，但飽和度時刻在變。非飽和土試驗過程中飽和度應該保持不變而含水量是變化的，那么是否可以直接控制含水量而讓飽和度保持不變呢？這樣的方法從控制的角度是很難精確的控制的，另外受非飽和土滲透性的影響，排水體積的變化是不敏感的。幸好，研究發現非飽和土吸力和飽和度有對應關系，即土水特征曲線。非飽和土的試驗方法和儀器在60年代初期得到了改進。為了將試樣內的孔隙氣壓和孔隙水壓量測和控制分別進行，在試樣底部放置高進氣值陶土板?？梢酝ㄟ^控制土中吸力來控制飽和度來完成非飽和土試驗。近年來國外有眾多廠家相繼開發出先進的非飽和土試驗系統，本文詳細介紹了國際上的非飽和土系統，并結合GDS系統予以詳細論述。

1  國內外非飽和土試驗系統介紹

1.1  國內非飽和土試驗系統概況

國內在很早就已經關注非飽和土理論了，試驗技術受制造等因素的影響一直滯后于理論研究。正如飽和土三軸儀的制造一樣仍然是采用借鑒國外技術的基礎上設計和制造。不過可喜的是近年來一些學者在非飽和土理論和試驗研究方法取得了大量的成果，國內已經能夠獨立生產非飽和土三軸儀器了。早期俞培基、陳愈炯首先使用了高進氣值陶土板改進的三軸儀^[2]，90年代后南京水科院改進了雙壓力室試驗^[3]，隨后西安理工大學謝定義和王永勝在嘗試改進常規三軸儀上獲得成功^[4]。進一步推動國內非飽和土三軸試驗系統的是后勤工程學院陳正漢、香港理工大學殷建華和浙江大學詹良通。陳正漢與溧陽市永昌工程實驗儀器廠合作開發出商業化國產三軸系統，殷建華和詹良通的研究成果和思想已經被國際土工試驗系統制造廠商如GDS、VJtech和WF采用。可以說為推動非飽和土商業化測試系統做出了貢獻。

國外非飽和土試驗系統概況

英國、美國和日本較早開展這方面的研究。第一臺非飽和土三軸儀是Bishop和Donald與1961年研制成功的^[5]，當時用于科研使用，而非商業系統。這臺系統采用了高進氣值的陶土板底座，實現了軸平移技術；氣壓采用水銀汞柱施加；采用了內壓力室；體變采用光學放大的人工讀數方法?，F在的各種非飽和土系統仍能看到陶土板底座和運用軸評議技術。近年來國外開發出至少5個品牌的商業化非飽和土測試系統，他們的設計思想基本都延續了第一代系統的經驗，只不過在體變測量、內壓力室結構、孔隙氣壓和孔隙水壓控制方面各異。其中具有代表性的是英國GDS公司的非飽和土測試系統，他們可以提供非飽和土三軸系統和非飽和土直剪系統。系統詳細劃分可以分為2代6個系列產品，在中國目前有接近25個高校和科研單位客戶。

2  GDS非飽和土測試系統的特點

2.1  GDS的非飽和土三軸測試系統

GDS UNSATUREATED SOIL試驗系統是對傳統三軸試驗系統的延伸。該系統提到的特征和方法都可以應用在GDS三軸試驗系統或其它廠家生產的三軸試驗系統上。如果要從常規的GDS三軸試驗系統升級到非飽和土試驗系統，則需要增加一些硬件和軟件。有些硬件是選項。這些選項可以根據用戶的需要加入（例如中平面吸力探頭，大氣壓力傳感器和局部應變測量傳感器）。GDS開發出的第二代系統GDS-HKUST系統是在借鑒詹良通博士在香港科技大學的研究成果基礎上完成的，該系統采用精密的體變傳感器測量體變，上部開口的內壓力室結構是體變測量更好。GDS非飽和土試驗系統（也叫UNSAT）提供一系列非飽和土試驗方法供最終用戶自由選擇。GDS 可以提供的四種方法：方法 A: 通過GDS孔隙氣壓/體積控制器直接測量；方法 B: HKUST 內壓力室；方法 C: 雙層壓力室；方法 D: 直接在試樣上安裝應變傳感器助計算機可以很方便地求解，而且編程比較方便。其中在中國采用第一代方法A的測試系統比較多，采用方法B的第二代非飽和土測試系統的客戶這兩年內增加到了6個。下表詳細說明了各個方法的有缺點。

表1測量試樣體變的各種方法：優點和缺點或特定條件比較

Table 1 Mechanical parameters of backfill with different tailing-cement ratios

需要注意的是以上的非飽和土試驗實驗室溫度控制非常必要(A, B, 和 C)，同時為了為了減少體變測量的誤差，當施加壓力時，檢查閥門和接頭是否滲漏 (A, B, 和C)。當設置試驗前和試驗完成一個階段后需要進行標定（例如圍壓體變特性）。方法 A, C 和 D 可以在同一個試驗中同時采用。方法B 是一個直接測量的方式，不能和其它任何一種方法同時采用。第二代GDS的非飽和土三軸試驗系統有關體變測量部分詳細內容可以參見文獻^[6]。

2.2 GDS的非飽和土直剪測試系統

由于非飽和土三軸系統的試驗周期較長，為了在盡可能短的時間內獲得非飽和土力學試驗參數，GDS公司特意開發了商用的GDS非飽和土直剪試驗系統GDS-UBPS。GDS非飽和土直剪系統的關鍵部件是反壓剪切盒，它用來用于通過控制土樣內的孔隙水壓力及孔隙氣壓力而得到的不同飽和度土樣的剪切試驗。GDS-UBPS基于標準的直剪試驗裝置，對標準直剪裝置進行了修改以便于測量基質吸力（基質吸力＝孔隙氣壓力－孔隙水壓力）。整套系統可采用GDSLAB控制與數據采集軟件運行。該裝置可以在計算機控制下進行標準的直剪試驗和非飽和土直剪試驗。主要控制的參數有：剪切力和位移、應力控制、總應力控制、孔隙氣和水壓力、軸向力和位移。因此，UPBS為當今世界中的許多巖土工程問題，如半飽和情況下的邊坡穩定性問題，提供了理想的試驗系統。

圖3 GDS非飽和反壓剪切盒結構圖

Fig. 3 Schematic of the GDS Unsaturated Back Pressured Shearbox


3  GDS系統的控制技術

3.1  吸力控制與測試技術

   GDS高級非飽和土系統采用軸平移技術，吸力的控制是分別獨立控制孔隙氣壓和孔隙水壓力。第一代GDS非飽和土系統采用高級型GDS氣壓控制器，容積1000cc/壓力2MPa，該方法的缺點是氣壓控制器容積有限，受溫度影響比較明顯。GDS第二代非飽和土系統采用了無限體積的氣壓控制器技術。這樣需要外連接壓力源（空壓機或者高壓氣瓶）。壓力控制的精度比較高可以做到1kPa，而且做到閉環反饋控制，這也是全自動系統必需的。目前采用第二代非飽和土試驗系統的中國客戶有6個。GDS中平面孔壓探頭可以直接在試樣中間高度測量試樣孔隙水壓力。


    GDS中平面吸力探頭是在傳感器的頂部安裝了一個高進氣值的陶土板，從而可以在非飽和土試驗中測量吸力。引起非飽和土應力狀態改變的原因之一是基質吸力。GDS吸力探頭直接測量孔隙水壓力從而測量基質吸力。這種直接測量方法在非飽和土試驗中是很有用的，因為可以更快地測量到孔隙水壓力值。當傳感器頂部完全飽和后，吸力探頭反饋的時間通常小于3秒，即使孔壓變化很大也沒有關系。采用吸力探頭測量吸力的原理是土中孔隙水壓等于多孔一端后面的傳感器水艙中的孔隙水壓。在這兩種水壓到達平衡之前，水從水艙流到土中，反之亦然。在非飽和土中，負孔隙水壓導致水從水艙流到土中。相反的，在飽和土中，正孔隙水壓導致水從土中流到水艙中。GDS非飽和土測試系統可以做到吸力控制，在試驗中根據需要選配中平面吸力傳感器。

3.2  體變測量技術和體變傳感器的標定

    GDS采用差壓傳感器測量體變技術應用在它的第二代非飽和土系統上，第一代非飽和土測試系統采用表1的方法A。新的體變測量技術實際上是采用香港科技大學吳宏偉和詹良通等人的研究成果，香港科大購買了GDS 三軸系統，他們在此基礎上采用體變傳感器進行體變測量，優點是可以做到采集自動化，高精度等。GDS公司在此基礎上進一步完善，開發出商用的體變測量技術。該傳感器的差壓測量范圍是從-1kPa 到+1kPa (即-100mm 至+100mm 的水頭變化)。其精度等于測量范圍的0.1%(即可測讀到0.1mm 的水位變化)。這樣，該體變系統的精度可達31.4mm3(即等于過水截面積與差壓傳感器測量精度的乘積，314mm²×0.1mm)，對于一個直徑38mm 高度76mm 的土樣，此精度相當于0.04%體積應變，這個精度是相當高的。當然，該體變系統精度還受其他測量誤差的影響，但是這些誤差可通過標定消除，標定方法可參考文獻^[6]。采用該方法客戶必須仔細標定，而且必須在客戶的實驗室安裝完所有管路以后，要求壓力室中采用高質量的除氣水，確保清除所有接頭和管路中的氣泡。為了準確測量體變，必須做到在實驗條件下進行標定（比如圍壓大小、試樣體積壓縮和膨脹）。我們客戶反饋的不同條件下的標定系數如下圖，最大系數和最小系數有3.7％的誤差。正如我們土工的一些傳感器在室溫常壓下的標定數據，在試驗的任何環節中應用一樣，沒有考慮是否系數保持不變。這個標定系數的變異是我們的一個新發現，這個對提高體變測試精度是有好處的。

3.3  內置水下荷重傳感器

    外置傳感器進出壓力室的桿與壓力室采用零間隙的高精密配合，此處的摩擦力如果采用任何類型的外置測力傳感器都將被測到，而且被計到試樣的軸向力當中。無疑給試驗帶來誤差，即使采用標定濾去此值，也不可取，因為該摩擦力在不一定是一個常值。另外外置傳感器傳力桿作用在試樣帽上的接觸面，該面以下試樣不受圍壓作用，必須用軸向力補償才可以。考慮以上因素影響，GDS公司采用內置水下荷重傳感器成果解決了以上的問題。其他系統多是應用測力環或者外置弓型傳感器。這樣所有的試驗都有一定軸力測量誤差。那么，GDS內置水下荷重傳感器是如何工作的呢？GDS設計了抗信號干擾補償結構，傳感器內部充滿油使其降低溫度的影響。接觸面軸力補償，沒有采用主動加載方式，而是將傳感器的環形頭兩側面開兩個貫通的孔道，在中間位置布置一個與接觸面同等面積的環形腔。這樣軸力補償得以實現。如下圖所示。

圖5 GDS Loadcell 內部結構及其與外置傳感器對比

Fig. 5 The comparison between outlay transducer and GDS Loadcell and its inner structure

4   結論

   本文介紹了目前世界上有代表性的GDS非飽和土試驗系統，包括非飽和土三軸試驗系統和非飽和土直剪系統，該系統自動化程度高、測試精度高。主要特點和優勢有：

(1) 第二代非飽和土測量系統解決了第一代非飽和土系統孔隙氣壓控制器容積受限的不足；

(2) 體變測量由于采用差壓傳感器和獨立的內置結構，是的精度可達試樣總體積的0.04%（試樣直徑38mm，高度76mm）；

(3) 內置的水下傳感器和中平面吸力探頭的應用，對非飽和土試驗做出了貢獻。

參考文獻：

[1] D.G. Fredlund. Soil Mechanics for Unsaturated Soils [M]1993

[2] 俞培基,陳愈炯.非飽和土的水－氣形態及其力學性質的關系[J]. 水利學報,1965,(1): 1-15

[3] 楊代泉. 非飽和土廣義固結理論及其數值模擬與試驗研究[D]. 南京水利水電科學研究院 博士學位論文,1990,9

[4] 陳正漢,謝定義,王永勝. 非飽和土的水氣運動規律及其工程性質研究[J]. 巖土工程學報,1993,15(3),9-20

[5] A W Bishop and I B Donald. The experimental study and of partly saturated soil in triaxial apparatus[C]. Proc. 5^th Int. Conf on SMFE,Vol.3,1157

[6] Ng, C.W.W., Zhan, L T. & Cui, Y. J. A new simple system for measuring volume changes in unsaturated soils. Can. Geotech. J.,

39, No. 2, 757-764, 2002.