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卦莎莫
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1 第 35 卷第 6 期西南大学学报 ( 自然科学版 ) 2013 年 6 月 Vol.35 No.6 JournalofSouthwestUniversity (NaturalScienceEdition) Jun 文章编号 : (2013) 重塑膨胀土结构性损伤 CT 三轴试验研究李贤 1, 彭贞 1, 汪时机 1,2, 陈正汉 3 1. 西南大学工程技术学院, 重庆 ; 2. DepartmentofCivilandEnvironmentalEngineering,ImperialColegeLondon,London W72AZ; 3. 中国人民解放军后勤工程学院建筑工程系, 重庆摘要 : 膨胀土是一种在世界范围内分布广泛的非饱和特殊土, 具有吸水膨胀失水收缩和反复胀缩的特性, 被工程界称为灾害土. 以南水北调中线工程南阳陶岔引水渠坡重塑膨胀土为研究对象, 针对膨胀土裂隙性的结构特征, 通过 CT 三轴排水剪切试验, 研究具有不同初始损伤程度和不同损伤位置的膨胀土试样结构演化情况及其力学特性. 研究发现 : 轴向应变与偏应变之间成线性正比例关系, 相同吸力不同围压时, 围压越大, 体应变最大值越大 ; 相同围压不同吸力时, 吸力越大, 体应变达到最大值所用时间越短. 研究结论可以为分析膨胀土变形强度和稳定性问题提供科学依据, 对保障膨胀土地区工程建设的顺利进行有重要的意义. 关键词 : 膨胀土 ;CT 三轴试验 ; 损伤 ; 结构演化中图分类号 :TU411 文献标志码 :A 膨胀土中普遍发育各种形态的裂隙, 这些裂隙是膨胀土在成土过程中由各种地质营力如沉积压密 [1-2] 风化及膨胀效应作用下形成的产物. 在荷载和环境的作用下, 由于细观结构的缺陷 ( 如微裂纹微孔洞 [3] 等 ) 引起的材料或结构的劣化过程, 称为损伤. 由于土体内部微裂纹是相互作用相互影响的, 不存在某一孤立的控制损伤发展状态的裂纹, 因此, 把含有众多分散的微裂纹区域看成是局部均匀场, 在场内考虑裂纹的整体效应, 通过定义一个表征损伤的合适状态变量来描述均匀场的损伤状态, 这个状态变量就是损伤变量. 近年来, 随着电子成像技术的不断发展,CT(ComputerizedTomography) 技术作为一种无损检测技术 [4] [5] 开始被应用到岩土工程研究中.Petrovic 等首次将 X 射线 CT 引入到土的密度研究中. 葛修润杨更 [6] 社等利用 CT 技术对岩石受载破坏过程中裂纹变化及损伤演化过程进行跟踪观察, 并对 CT 数的变化进 [7-8] 行初步定量分析. 党发宁利用集合论和测度论知识, 以 CT 数为基础, 研究了破损产生的位置和破损判据. 文献 [9-13] 利用与 CT 机配套使用的非饱和土工三轴仪, 对在三轴剪切试验过程和干湿循环过程中非饱和原状膨胀土内部结构的变化进行了动态实时和无损的量测, 得到了土样内部损伤结构演化的清晰的 CT 图像和相应的 CT 数据, 提出了相应的损伤演化方程. 综上可以看出, 膨胀土的各种宏观力学反应与它们的细观结构变化是密切相关的,CT 技术可以将土体的这种细观损伤结构可视化, 并通过图像分析软件, 进一步准确量化, 从而与宏观力学特性建立起内在联系. 1 收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金项目资助 ( ); 中央高校基本科研业务费专项资金资助 (XDJK2010C014,XDJK2013C042); 西南大学科研基金资助项目 (SWU208010). 作者简介 : 李贤 (1978 ), 女, 石家庄人, 硕士, 讲师, 主要从事工程力学方面的教学和研究. 通信作者 : 汪时机, 博士, 教授, 主要从事岩土力学方面的教学和研究, shjwang@swu.edu.cn.

DepartmentofCivilandEnvironmentalEngineering,ImperialColegeLondon,London W72AZ; 3.

2 2 西南大学学报 ( 自然科学版 ) htp://xbbjb.swu.cn 第 35 卷 1 CT 三轴试验 1.1 试样制备试验用土为南水北调中线工程陶岔引水渠坡的膨胀土, 试样直径为 3.91cm, 高度为 8cm, 横截面面积为 12cm 2, 初始体积为 96cm 3. 首先根据目标含水率 24% 配好试验用土, 然后在制样筒中分五层击实, 试样的初始参数见表 1. 表 1 制备试样初始参数表相对密度 Gs 干密度 /(g cm -3 ) 含水率 w/% 饱和度 Sr/% 孔隙比 e 在试样从套筒取出前, 用不同直径的金属棒在试样内制成孔径不同的均匀孔, 分别为 6mm 偏孔试样 6mm 中孔试样 3mm 中孔试样 4 个 3mm 孔试样和无孔常规试样, 如图 1 所示. 1.2 试验方案试验在后勤工程学院汉中 CT 三轴科研工作站完成, 如图 2 所示, 仪器采用与 CT 机配套的多功能非饱和土三轴仪,CT 机型号为 GE 公司生产的 prospeedai 螺旋 CT 机. 本文试验中 CT 扫描图像的窗宽统一设置为 1000, 窗位统一设置为 1450, 具体扫描参数见表 2. 图 1 剪切后试样照片图 2 CT 三轴试验系统表 2 CT 机扫描参数电压 /kv 电流 /ma 时间 /s 层厚 /mm 空间分辨率 /mm 本实验共做了 5 个重塑膨胀土试样进行 CT 三轴剪切试验. 试验前, 将试样放在非饱和土三轴双层压力室内进行一定围压下的固结, 等变形和排水稳定后, 进行净围压为 100kPa, 吸力为 50kPa 的三轴排水剪切试验. 由于试样排水量很小, 故以体变为稳定判断标准, 即每两个小时体变变化不超过 cm 3, 排水每小时不超过 0.012cm 3. 剪切前, 对试样进行一次 CT 扫描, 即轴向应变为 0% 时扫描土样内部结构. 固结稳定后启动步进电机, 施加偏应力, 剪切速率为 mm/min. 扫描次序是从距土样底端三分之一高处开始, 进行第一断面扫描, 然后扫描底层断面, 之后往图 3 CT 扫描断面示意图上扫描其它三层断面, 总共扫描 5 层, 扫描位置如图 3 所示, 先扫描断面 4, 然后断面当试样轴向应变为 0% 5% 10% 和 15% 时, 分别扫描 5 个断层, 则 5 个试样共得到 100 张 CT 扫描图像. 2 试验结果分析 2.1 应力应变分析试验发现轴向应变 10% 之前, 试样变化较快, 之后变化较慢, 所以取轴向应变 2% 4% 6% 10% 和 15% 为变化关键点, 相应偏应力体应变和偏应变数据如表 3 所示.

76 在试样从套筒取出前, 用不同直径的金属棒在试样内制成孔径不同的均匀孔, 分别为 6mm 偏孔试样 6mm 中孔试样 3mm 中孔试样 4 个 3mm 孔试样和无孔常规试样, 如图 1

3 第 6 期李贤, 等 : 重塑膨胀土结构性损伤 CT 三轴试验研究 3 表 3 应力应变实验数据孔位 σ-ua=100kpa,s=50kpa 轴向应变 2% 4% 6% 10% 15% 6mm 偏孔偏应力 /kpa 体应变 /% 偏应变 /% mm 中孔偏应力 /kpa 体应变 /% 偏应变 /% 个 3mm 孔偏应力 /kpa 体应变 /% 偏应变 /% mm 中孔偏应力 /kpa 体应变 /% 偏应变 /% 无孔偏应力 /kpa 体应变 /% 偏应变 /% 从表中我们可以明显的看到, 随着轴向应变的增大, 各个试样所需的偏应力也随之变大. 其中, 剪切初期, 轴向应变 0% 到 2% 之间, 偏应力变化最为剧烈, 说明开始施加轴向荷载时, 试样出现明显的受力变化, 属于应变硬化型, 呈塑性破坏. 由图可知, 相同轴向应变下, 无孔试样所需偏应力最小, 而 6mm 中孔试样 4 3mm 孔试样和 6mm 偏孔试样在轴向应变 0% 到 10% 之间, 偏应力变化规律一样, 偏应力值基本上相吻合, 说明在最初荷载作用下, 相同损伤面积试样所需偏应力大小相同. 轴向应变 10% 之后, 我们明显看到 6mm 偏孔试样和 4 3mm 孔试样偏应力变化相同, 但是 6mm 中孔试样偏应力值明显小于前两者, 表明孔隙位置变化影响试样剪切破坏应力, 即说明损伤位置在中间时, 试样破坏应力小于损伤位置在边缘的. 图中 3mm 中孔试样各个剪切时段的偏应力值都大于其它试样, 说明孔隙位置不同损伤面积不同, 偏应力值不一样. 尤其是与 6mm 中孔试样相比, 损伤位置一样, 但损伤面积不同, 偏应力值明显较大. 由此可以得到以下结论 : 试样偏应力值随着轴向应变增大而变大, 轴向应变小于 10% 时, 相同损伤面积的试样受力大小基本相等, 轴向变形大于 10% 时, 损伤位置在中间的试样偏应力值小于在边缘的试样, 损伤位置一样, 损伤面积小的试样总体偏应力值较大. 下面继续探讨轴向应变与偏应变之间的关系, 从图 4 我们可以看到, 轴向应变偏应变线基本重合,5 个试样的偏应变与轴向应变成正比例, 且相同轴向应变对应的偏应变值基本上相等. 这表明轴向应变与偏应变之间的关系与试样孔洞面积位置无关, 即与试样损伤程度无关. 5 个试样的体应变随偏应力变化规律分为两种 : 一种是随偏应力增大而变大, 另外一种是随着偏应力的增大, 体应变达到最大值之后变小, 如图 5 所示. 图 4 偏应变轴向应变关系图图 5 体应变偏应力关系图

45 165.00 190.30 214.00 243.00 体应变 /% 0.42 0.43 0.65 1.19 1.15 偏应变 /% 1.86 1.93 3.12 9.60 14.61 3mm 中孔偏应力 /kpa 215.30 236.27 243.71 249.23 246.07 体应变 /% 0.63 0.85 1.23 1.85 1.82 偏应变 /% 1.

4 4 西南大学学报 ( 自然科学版 ) htp://xbbjb.swu.cn 第 35 卷从图 5 可以看出 : 无孔常规试样的体应变随着偏应力增大而变大, 且是 5 个试样当中体应变最大的, 偏应力 205.9kPa 时, 体应变达到 2.34%. 刚开始施加偏应力时,3 mm 中孔试样体应变变化较小, 当偏应力达到 233kPa 时, 体应变出现急剧激增, 几乎是垂直上升. 6mm 中孔试样 6mm 偏空试样和 4 3mm 孔试样的体应变随偏应力变化规律相同.6 mm 中孔试样体应变随偏应力增大而变大, 当偏应力达到 222kPa 时, 体应变最大 1.59%, 之后偏应力减小, 体应变也随之减小. 6mm 偏孔试样体应变最大 1.22%, 对应的偏应力值为 221kPa, 之后随着偏应力增大, 体应变变小.4 3 mm 孔试样开始受力时, 体应变变化较小, 偏应力达到 232kPa 时, 体应变最大为 1.22%. 由以上可以得出, 相同孔洞面积试样的偏应力体应变变化规律相同, 孔洞位图 6 6mm 中心孔试样 c 截面剪切过程 CT 图像置越边缘, 体应变最大值越小, 所需要的偏应力越大. 相同孔洞位置, 不同孔洞面积的试样变化规律不同, 孔洞面积越小, 体应变与偏应力呈正相关性, 即随着偏应力增大而变大. 2.2 CT 图像分析从图 6 所示的 6mm 中心孔试样 CT 扫描图像可以明显看到在施加轴向荷载前试样内存在多个黑色区域, 即微小孔隙, 当轴向应变 5% 时, 黑色区域较开始剪切前扫描截面明显变少. 原因是三轴剪切过程中, 随着轴向应变的增大, 土样不断被压密, 微小孔隙则发生缩小, 轴向应变达到 15% 时, 微孔隙基本上已经闭合. 同时通过随机附带的分析软件可以测量试验过程中 6 mm 损伤孔的变化情况, 开始剪切前孔径为 27.59mm 2, 当轴向应变达到 5% 10% 和 15% 时分别为 25.46,24.28,22.20 mm 2, 孔径收缩, 剪切完成后, 损伤孔截面积缩小约 19.5%. 3 结论通过对 5 个不同损伤试样进行的 CT 三轴剪切试验, 可以得到如下结论 : 1) 试样轴向应变随着偏应力的增大而变大, 轴向应变小于 10% 时, 相同损伤面积的试样受力大小基本相等 ; 轴向应变大于 10% 时, 损伤位置在中间的试样偏应力值小于在边缘的试样, 损伤位置一样, 损伤面积小的试样总体偏应力值较大. 相同孔洞面积试样的偏应力体应变变化规律相同, 孔洞位置越边缘, 体应变最大值越小. 2) 轴向应变与偏应变之间成线性正比例关系, 与试样孔洞面积位置无关, 即与试样损伤程度无关. 3) 三轴剪切过程中, 随着轴向应变的增大, 土样不断被压密, 微小孔隙则发生缩小, 试验结束时, 微孔隙基本上已经闭合. 剪切完成后,6mm 损伤孔孔截面积缩小约 19.5%. 参考文献 : [1] 黄金柏, 付强, 王斌, 等. 黄土高原北部水蚀风蚀交错带坡面降雨分析 [J]. 农业工程学报,2011,27(8): [2] 郑子成, 何淑勤, 吴发启. 降雨条件下地表糙度对片蚀的影响及其变化 [J]. 农业工程学报,2010,26(Supṗ1): [3] 余寿文, 冯西桥. 损伤力学 [M]. 北京 : 清华大学出版社,1997,12. [4] PETROVIC A M,SIEBERTJE,RIEKEPE.SoilBulkDensityAnalysisinThreeDimensionsbyComputedTomographicScanning [J].SoilSciSocAmJ,1982,46: [5] 葛修润. 岩石疲劳破坏的变形控制律岩土力学试验的实时 X 射线 CT 扫描和边坡坝基抗滑稳定分析的新方法 [J]. 岩

6 mm 中孔试样体应变随偏应力增大而变大, 当偏应力达到 222kPa 时, 体应变最大 1.59%, 之后偏应力减小, 体应变也随之减小. 6mm 偏孔试样体应变最大 1.22%, 对应的偏应力值为 221kPa, 之后随着偏应力增大, 体应变变小.

5 第 6 期李贤, 等 : 重塑膨胀土结构性损伤 CT 三轴试验研究 5 土工程学报,2008,30(1):1-20. [6] 杨更社, 谢定义, 张长庆. 岩石损伤 CT 数分布规律的定量分析 [J]. 岩石力学与工程学报,1998,17(3): [7] 党发宁. 岩土破损演化理论 (Ⅰ): 破损空间 [J]. 岩土力学,2005,26(4): [8] 党发宁. 岩土破损演化理论 (Ⅱ): 物理状态指标与分区破损理论 [J]. 岩土力学,2005,26(5): [9] 卢再华, 陈正汉, 蒲毅彬. 膨胀土干湿循环胀缩裂隙演化的 CT 试验研究 [J]. 岩土力学,2002,23(4): [10] 汪时机, 陈正汉, 李贤, 等. 土体孔洞损伤结构演化及其力学特性的 CT 三轴试验研究 [J]. 农业工程学报,2012, 28(7): [11] 姚志华, 陈正汉, 朱元青, 等. 膨胀土在湿干循环和三轴浸水过程中细观结构变化的试验研究 [J]. 岩土工程学报, 2010,31(1):7-11. [12] 汪时机, 孙世军, 陈正汉, 等. 造孔损伤重塑膨胀土三轴剪切试验研究 [J]. 西南大学学报 : 自然科学版,2011,33(3): [13] 蒋运忠, 王云亮, 汪时机. 在 MATLAB 环境下实现膨胀土 CT 图像的三维重建 [J]. 西南大学学报 : 自然科学版, 2011,33(3): StudyontheMechanicalCharacteristicsofStructuralDamages ofaremoldedexpansivesoilbyct-triaxialapparatus LI Xian 1, PENG Zhen 1, WANGShi-ji 1,2, CHENZhengẖan 3 1.SchoolofEngineeringandTechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China; 2. DepartmentofCivilandEnvironmentalEngineering,ImperialColegeLondon,LondonW72AZ,UK; 3. DepartmentofArchitecturalEngineering,LogisticalEngineeringUniversityofPLA,Chongqing400041,China Abstract:Expansivesoilsare widelydistributedthroughoutthe world.expansivesoilswilswelwhen theyarewetingandwilshrink whentheyaredrying.theyarecharacterizedbyrepeateddeformation. Theexpansivesoiliscaledasdisastersoilincivilengineering.Theremoldedexpansivesoilsamplesused inthisexperimentwerecolectedfromtheslopeofthetaocha WaterDiversionCanalin Nanyanginthe middlerouteofsoutẖto-north WaterDiversionProject.CT-triaxialapparatuswasemployedtostudythe structuralcharacteristicsofexpansivesoilfissuresandinvestigatetheevolutionofexpansivesoilsamples withdiferentinitialdamagedegreesanddiferentdamagelocationsandtheirmechanicalcharacteristics. Thefolowingconclusionsweredrawnfromourresearch.Deformationincreasedwithincreasingnetconfiningpressurewhenthesuctionremainedunchanged.However,deformationdecreasedwhenthedamage locationwasclosetotheoutsideofthesample.whenthenetconfiningpressurewasfixedandthesuction pressurevaried,thetimetakeninthetestforthedeformationtoreachthemaximum wasreducedwithiṉ creasingsuctionpressure.theareaofthedamageinthesoilsamplewasgradualyreducedwhentheconfiningpressurewasmorethan400kpa.thevalueofmeincreased,whilethesdvaluedecreasedalongthe procedureoftest.underthesamesuctionandnetconfiningpressure,themoreseveredamagesthesampleshad,themoreobviouschangesinthevaluesofmeandsd wereobserved.itisbelievedthattheresultsobtainedinthisstudycanserveasatheoreticalbasisfortheanalysisofthedeformation,strengthand stabilityofexpansivesoils.itisofsignificancetotheconstructionsinregionsofexpansivesoils. Keywords:expansivesoil;CT-triaxialtest;damage;structuralevolution 责任编辑汤振金

膨胀土干湿循环胀缩裂隙演化的 CT 试验研究 [J]. 岩土力学,2002,23(4):417-422. [10] 汪时机, 陈正汉, 李贤, 等. 土体孔洞损伤结构演化及其力学特性的 CT 三轴试验研究 [J]. 农业工程学报,2012, 28(7):150-154.

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何秋琳张立春视觉学习研究进展视觉注意视觉感知

何秋琳张立春视觉学习研究进展视觉注意视觉感知第卷第期年月开放教育研究何秋琳张立春华南师范大学未来教育研究中心广东广州随着图像化技术和电子媒体的发展视觉学习也逐步发展为学习科学的一个研究分支得到研究人员和教育工作者的广泛关注基于此作者试图对视觉学习