GDS-HKUST非饱和土理论及产品介绍介绍-小为]

1、GDS-HKUST型型非饱和土三轴仪非饱和土三轴仪.hk室内岩土事业部室内岩土事业部技术工程师：肖巍技术工程师：肖巍2013年年7月月11日日EPC简介简介n 公司成立于1987年n 为欧美大地科技集团旗舰公司，对外简称“欧美大地”n 总部设于香港，下设11个办事处，分别是广州、北京、上海、南京、成都、西安、沈阳、武汉、深圳、福州和济南 n 香港、广州和上海还设有售后服务中心和保税仓库n 公司经营范围： 原位测试部 建筑结构无损检测部 环境监测部 工程物探部 应变电测部 工业无损检测部 岩土工程与结构监测部 道路测试部 红外检测与诊断部 基桩检测部 桥梁诊断与健康监测部 建筑材料和结构测试部

2、室内岩土实验室部 EPC公司简介公司简介EPC公司简介公司简介GDS公司简介公司简介n英国英国GDS仪器设备有限公司成立于1979年；nGDS公司首创的“数字式压力/体积控制器”，自主专利；n具有25年生产先进的由计算机控制的岩土试验系统的经验；nGDS与全世界300多所大学和科研机构保持紧密的联系，并参与研究；nGDS的服务不只局限于购买后12个月，持续的技术支持；nGDS要求员工在1个工作日内回答用户90%的E-mail；nGDS的系统可以很容易升级，无论是硬件或软件； nGDS的服务：如何使用，可以做什么，什么试验必需做，如何选择参数以及如何处理数据等。GDS公司简介公司简介英国研发中心

3、英国研发中心GDS装配工厂装配工厂GDS管理团队管理团队GDS公司简介公司简介第二代新型GDS HKUST 非饱和土静态三轴测试系统非饱和土非饱和土定义定义 三相土：土颗粒、水和气三相土：土颗粒、水和气 饱和度：饱和度：0 Sr 100% 相对孔气压来说，孔隙水压力为负值相对孔气压来说，孔隙水压力为负值v工程中常见的几种非饱和土：工程中常见的几种非饱和土：v1、膨胀土、膨胀土v2、残积土、残积土v3、湿陷性黄土、湿陷性黄土v4、压实土、压实土非饱和土非饱和土存在形式存在形式地下水位以上的天然土地下水位以上的天然土压实土（如堤、坝、路基等）压实土（如堤、坝、路基等）含气或油的沉积物含气或油的沉积

4、物Unsated SoenicsSatatcsSoilhanichruaatcedruilMM负孔隙水压力或吸力负孔隙水压力或吸力(Suction)表面张力表面张力bbTsTsRsuauw表面张力表面张力水水hCBAHA = HB = HC = 0HA = h + uw/g gw uw = - g gw h 0弯液面弯液面SSwaRTuus2ua = 饱和土和非饱和的应力状态变量饱和土和非饱和的应力状态变量Unsated SoenicsSatatcsSoilhanichruaatcedruilMMe(s sx - ua)(s sz - ua)(s sy - ua)t tzxt tzyt txz

5、t txyt tyzt tyx(s sx - uW)(s sz - uW)(s sy - uW)t tzxt tzyt txzt txyt tyzt tyx(ua - uw)(ua - uw)(ua - uw)土水特征曲线土水特征曲线(持水曲线持水曲线)各土类的土水特征曲线各土类的土水特征曲线饱和度 (%)吸力 (kPa)美国 Soilmoisture 公司压力板仪 SWCC非饱和土的导水系数非饱和土的导水系数与饱和度（或吸力）有关与饱和度（或吸力）有关100908070kw(m/s)kw(m/s)10-1010-910-810-710-610-5Degree of saturation (%

6、) kw (m/s)Sand10-1010-910-810-710-610-5 Suction (kPa)非饱和土力学在土工中应用非饱和土力学在土工中应用Groundwater Table非饱和土边坡非饱和土边坡Rainfall 土坝的非饱和土坝的非饱和-饱和渗流饱和渗流v蓄水期间土坝中水位变化蓄水期间土坝中水位变化(?)1 1、土坝建成后，水库开始蓄水，将使孔隙压力发生变化，这是在新的边、土坝建成后，水库开始蓄水，将使孔隙压力发生变化，这是在新的边界条件下是瞬变过程。界条件下是瞬变过程。坝坡稳定坝坡稳定(?)(?)2 2、一旦水库开始蓄水，与平衡过程有关的边界条件；、一旦水库开始蓄水，与平衡

7、过程有关的边界条件；UaUa与与UwUw随时间的变化随时间的变化？新的平衡条件？在总应力不变的情况下，？新的平衡条件？在总应力不变的情况下，UaUa与与UwUw的变化，引起的变形的变化，引起的变形黄土黄土非饱和膨胀土地基变形问题垃圾填埋场中非饱和土问题垃圾填埋场中非饱和土问题Groundwater table Compacted clay liner Unsaturated SoilMSWCompacted soil cover EvaporationRainfallLeachate InfiltrationR系统配置系统配置 Bishop & Wesley 2000kPa/100mm

8、应力路径三轴压力室应力路径三轴压力室GDS 8通道数据采集装置通道数据采集装置GDS内置式水下荷重传感器内置式水下荷重传感器,5kN和和25kNGDS位移传感器位移传感器GDS孔隙压力传感器孔隙压力传感器标准压力标准压力/体积控制器（体积控制器（200cc 两个）两个）双通道气压控制器双通道气压控制器GDSLAB模块软件模块软件湿湿差压传感器湿湿差压传感器 系统配置系统配置 8通道数据采集装置内置式水下荷重传感器标准B&W压力室内 内压力室 高压钢性压力室 数 字 控制单元 步进马达 齿轮箱 线性导轨 球状螺母 球状螺杆 压力缸 活塞 气 模拟反馈 模拟控制 除气水/空气 压力传感器

9、压力出口 控制器工作原理系统配置系统配置 孔隙水压力传感器底座系统配置系统配置 顶帽橡胶膜系统配置系统配置 制样工具密码狗非饱和土室内试验技术非饱和土室内试验技术v非饱和土室内试验的主要技术难题非饱和土室内试验的主要技术难题 吸力的控制和测量吸力的控制和测量 总体积变化的测量总体积变化的测量 水体积变化的测量水体积变化的测量 试验速率的合理确定试验速率的合理确定 非饱和土的渗透系数比较小，以致孔隙水压力的消散很慢非饱和土的渗透系数比较小，以致孔隙水压力的消散很慢 总体变总体变 水体积变化水体积变化非饱和土室内试验技术非饱和土室内试验技术v吸力的控制技术吸力的控制技术 轴平移技术轴平移技术 渗透

10、吸力控制技术渗透吸力控制技术 相对湿度控制技术相对湿度控制技术 非饱和土室内试验技术非饱和土室内试验技术v体变测量技术体变测量技术 流体法流体法 测量试样周边的流体的体积变化测量试样周边的流体的体积变化 总和法总和法 分别测量土样中的气体积和水体积的变化分别测量土样中的气体积和水体积的变化 直接法直接法 直接测量土样尺寸的变化直接测量土样尺寸的变化 体变测量技术体变测量技术v 流体法双压力室体变系统流体法双压力室体变系统 封闭型双室封闭型双室 Wheeler (1986)；Sivakumar (1993) 殷建华（殷建华（2002） 连通型双室连通型双室 Bishop & Donald

11、 (1961)水银加钢珠水银加钢珠 Cui & Delage (1996水银换成水，都为手动测量水银换成水，都为手动测量 殷宗泽（殷宗泽（1998）内室水位测量方法是补水排水内室水位测量方法是补水排水 Ng, Zhan & Cui（2002） 用高程仪用高程仪体变测量技术体变测量技术v流体法流体法封闭型双室封闭型双室 (殷建华殷建华, 2002) 内外压滞后内外压滞后 需水下装样需水下装样 空气空气内室水位内室水位外室水位外室水位电子荷重计电子荷重计外室外室内室内室试样试样差压传感器差压传感器参照管参照管参照水位参照水位(0.1mm)(截面积截面积: 314mm2)体变测量技术

12、体变测量技术体变测量技术体变测量技术v 假体变与试验历时的关系假体变与试验历时的关系(s s3: 100200 kPa)y = 0.000502x + 0.153863-0.10.00.10.20.30.40.5假体变 假体变 (cm3)总的假体变总的假体变Immediate volume由于室内温度变化引起的假体变由于室内温度变化引起的假体变 由于蠕变引起的假体变由于蠕变引起的假体变瞬时体变瞬时体变25.030.0050100150200250300350试验历时试验历时 (小时小时)温度温度 (oC)室内温度变化室内温度变化y = 0.000502x + 0.153863-0.10.00.

13、10.20.30.40.5假体变 假体变 (cm3)总的假体变总的假体变Immediate volume由于室内温度变化引起的假体变由于室内温度变化引起的假体变 由于蠕变引起的假体变由于蠕变引起的假体变瞬时体变瞬时体变25.030.0050100150200250300350试验历时试验历时 (小时小时)温度温度 (oC)室内温度变化室内温度变化体变测量技术体变测量技术v直接法直接法 接触性测量技术接触性测量技术( (局部位移测量技术局部位移测量技术) ) 非接触性测量技术非接触性测量技术 激光测距技术激光测距技术 电磁波测距技术电磁波测距技术 数码摄像结合图像处理技术数码摄像结合图像处理技术

14、 体变测量技术体变测量技术v直接法直接法局部位移测量技术局部位移测量技术环向环向LVDT轴向轴向LVDTHall 效应效应传感器传感器 适用于小应变测量适用于小应变测量 要求试样的刚度比较大要求试样的刚度比较大 对试样有约束作用对试样有约束作用 体变测量技术体变测量技术v直接法直接法激光测距技术激光测距技术体变测量技术体变测量技术v直接法直接法电磁波测距技术电磁波测距技术体变测量技术体变测量技术v直接法直接法数码摄像结合图像处理技术数码摄像结合图像处理技术 非饱和土三轴仪非饱和土三轴仪 UNSAT UNSAT 方法方法B B GDS成套产品成套产品-静态测试篇静态测试篇B. 通过内压力室(HK

15、UST 双压力室)中的湿-湿差压传感器测量内压力室液面的变化量乘以过水截面积就是试样的总体变。 注：HKUST 双压力室与双层压力室是不同的。 体变测量满量程范围内可以获得较高的精度和分辨率。非饱和土三轴仪非饱和土三轴仪 UNSAT UNSAT 方法方法B B GDS-HKUSTB.由于该方法是香港科技大学（HKUST）吴宏伟教授和詹良通博士与GDS公司共同开发完成的，所以又称为HKUST双层压力室非饱和土系统。 右图为HKUST双压力室的原理示意图。非饱和土三轴仪非饱和土三轴仪 UNSAT UNSAT 方法方法B B GDS成套产品成套产品-静态测试篇静态测试篇该设备的优点主要有以下8点：

16、u内室设计成瓶状，过水的截面积减少了。试样体变引起的水位升降变得较为明显，灵敏度显著提高；u内室设计成开顶的，这能保证内外室围压总是相等的，不存在滞后现象；u采用高精度的双向差压传感器测量内室里的水位变化u参照管与内压力室固定在一起，在剪切试验时，参照管与压力室一起上下移动。这样压力室的位移不会引起水位差的变化；非饱和土三轴仪非饱和土三轴仪 UNSAT UNSAT 方法方法B B GDS成套产品成套产品-静态测试篇静态测试篇该设备的优点主要有以下8点： u参照管的内截面积等于内室瓶颈的截面积。这样内室和参照管中的水份蒸发总是相等,不会因为水份蒸发而产生误差；u试验时，内室和参照管内充除气水，水

17、面均加一薄层的煤油，可以显著减少空气扩散到水里和减少水份蒸发；u试样用中间夹有一层薄锡纸的双层橡皮膜包装，此锡纸可显著减少土样中空气扩散到水里；u为了减少管路因压力变化而产生胀缩变形和可能的微缩，所有可能存在较大内外压差的通道可采用铜管。非饱和土三轴剪切试验非饱和土三轴剪切试验 v 仪器设备的改进仪器设备的改进 吸力控制和测量吸力控制和测量 总体变测量总体变测量 水体积变化测量水体积变化测量 控制和测量的自动化控制和测量的自动化v 试验方法试验方法 吸力平衡吸力平衡 等吸力固结等吸力固结 剪切剪切非饱和土三轴剪切试验非饱和土三轴剪切试验 v仪器设备的自动化仪器设备的自动化 先进的控制器先进的控

18、制器 精密的传感器精密的传感器 数据交换器数据交换器 成熟的控制软件成熟的控制软件非饱和土三轴非饱和土三轴剪切试验剪切试验 v吸力平衡判别准则吸力平衡判别准则 24小时内的水流总量小于试样体积的小时内的水流总量小于试样体积的0.05 中平面吸力传感器中平面吸力传感器01234560100200300400500600700800试验历时 (hour)含水量变化值 (%)s = 25 kPas = 50 kPas = 100 kPas = 200 kP结论及建议结论及建议v 非饱和土室内试验的非饱和土室内试验的主要技术难点主要技术难点: : 吸力的控制与吸力的控制与测量、土样总体变的测量、水体积

19、变化的测量和试测量、土样总体变的测量、水体积变化的测量和试验速率的合理确定验速率的合理确定 v 吸力的测量方法包括吸力的测量方法包括直接直接法和法和间接间接法，直接法常用法，直接法常用的测量仪器有两种：的测量仪器有两种：张力计和轴平移设备张力计和轴平移设备，近些年，近些年研制成功的研制成功的高吸力张力计高吸力张力计可以直接测量可以直接测量0 1500 0 1500 kPakPa的吸力。室内试验中的吸力控制主要有三种方的吸力。室内试验中的吸力控制主要有三种方法：法：即轴平移技术、渗透吸力控制技术和相对湿度即轴平移技术、渗透吸力控制技术和相对湿度控制技术控制技术，它们的适用范围分别为，它们的适用范

20、围分别为0 0 几百几百kPakPa、0 0 10 MPa 10 MPa和和10 10 MPaMPa以上。以上。 结论及建议结论及建议v 为了为了便于工程应用便于工程应用，吸力也可通过，吸力也可通过含水量的测量含水量的测量和和土水特征曲线的测试来间接获得。目前最常用的含土水特征曲线的测试来间接获得。目前最常用的含水量测量方法包括水量测量方法包括烘干称重法烘干称重法、中子水分仪法和时中子水分仪法和时域反射仪法域反射仪法v 非饱和土样非饱和土样总体变的测量总体变的测量包括包括流体法流体法、总和法和直总和法和直接法接法。流体法最为简单易行，经过许多学者的改进。流体法最为简单易行，经过许多学者的改进，

21、该方法已具备足够的精度。，该方法已具备足够的精度。总和法在实践中是不总和法在实践中是不可行的可行的。近来，直接法越来越受研究者的关注，特。近来，直接法越来越受研究者的关注，特别是别是非接触性扫描或摄像技术非接触性扫描或摄像技术。 结论及建议结论及建议v 由于由于非饱和土试验历时较长非饱和土试验历时较长，所以非饱和土体积变，所以非饱和土体积变化化( (包括水体积和总体积包括水体积和总体积) )的的量测精度量测精度往往受量测系往往受量测系统的统的微漏微漏、蠕变、气体扩散蠕变、气体扩散、以及、以及室温波动室温波动等因素等因素的影响。因此，必须对各种潜在的误差认真、仔细的影响。因此，必须对各种潜在的误

22、差认真、仔细的的标定标定。非饱和土试验室应保持。非饱和土试验室应保持恒温恒温，以减少室温，以减少室温波动对测试结果的影响。波动对测试结果的影响。 v 非饱和土的非饱和土的导水系数小导水系数小，试验过程中，试验过程中孔压孔压( (特别是特别是孔隙水压力孔隙水压力) )的的消散很慢消散很慢，因此必须严格控制，因此必须严格控制试验试验速率速率( (如剪切速率如剪切速率), ), 才能获得合理的试验结果才能获得合理的试验结果。 结论及建议结论及建议v 长历时的非饱和土试验应采用长历时的非饱和土试验应采用自动化自动化的测的测试系统，它包括先进的控制器、精密的传试系统，它包括先进的控制器、精密的传感器、数据交换器和成熟的控制软件。感器、数据交换器和成熟的控制软件。 v 非饱和土的三轴试验也包括三个阶段，非饱和土的三轴试验也包括三个阶段，即即吸力平衡、等吸力固结和剪切阶段吸力平衡、