张力计工作原理（精选4篇）
张力计工作原理 篇1
张力计用来测量带钢张力, 构成带钢张力闭环控制, 从而使生产线上带钢张力满足工艺要求。如果张力控制不合理会造成冷轧产品的划伤和光整机辊耗的增加 (对汽车板生产尤其明显) 等问题, 严重时会造成断带。而张力计的测量精度将直接影响生产线张力控制的精度。在首钢京唐二冷轧后处理线, 使用了ABB和DRBRAND两个品牌的高精度张力计。这里我们主要介绍A B B高精度张力计。
ABB张力计测量系统包括两个部分:张力采集设备PFEA111/112及压力传感器。张力采集设备PFEA111/112, 可以从两个压力传感器上获得快速精确可靠的模拟信号。与P F E A 1 1 1不同, P F E A 1 1 2附带Profibus-DP现场总线通讯, 分为IP65-版本 (NEMA4) 和IP20-版本 (非密封) 两个版本, 二冷轧连退生产线由于要通过现场总线通讯, 使用的是PFEA112。ABB压力传感器型号目前有P F C L 3 0 1 E、P F T L 3 0 1 E、PFRL101和PFTL101四种。
1 张力计的测量原理
ABB的Pressductor传感器技术是根据某些材料受压时, 磁场性质随之改变的特性而研制的。当A B B压力传感器受到机械压力时, 其电磁场将随之发生改变, 从而产生一个测量信号。原理为:当连续向一组线圈通入交流电流时, 会产生一个电磁场。由于两组线圈完全垂直, 所以产生的磁场不会使另一线线圈中产生感应电压, 当没有压力时, 两组线圈之间没有磁场耦合。但是, 当传感器受到压力时, 磁场形态发生改变, 一部分磁场发生了耦合, 并在第二组线圈中产生与被测量的辊子上的压力成比例的交流电压信号。这个电压, 是一个相对较强的传感器信号, 由压力传感器系统的张力设备设备转变成为系统的输出信号。
张力计成对使用, 由于带钢的张力与带钢的反作用力成比例, 安装在辊子轴承下面的传感器通过测量辊子和轴承传送的带钢反作用力间接测量带钢张力。传感器通过接线箱与控制单元相连。控制单元把传感器信号转化为与反作用力成比例的直流信号。根据所选择的控制单元的不同, 两个独立的传感器 (A和B) , 可以分别输出模拟信号, 或者输出传感器信号的和值信号 (A+B) , 或者两个传感器间的差值信号 (A-B) 。
压力传感器的电缆必须是粗四芯电缆, 信号电路和励磁电路都必须接在对角线上。
2 张力计的类型
2.1 双辊直压式张力计
该装置机械结构, 实际上是将单辊张力计与机架辅助辊合并成一体。其用途比单辊式来得广泛, 国外用在可逆轧机或非可逆单机架轧机中, 将机架辅助辊消除掉, 轧机中心与进料端、出料端的距离大大缩短, 这对整个轧制工艺要求简化, 提高了表面质量, 降低了设备投资成本所占用的空间较小。
2.2 三辊直压式张力计
为了提高产品产量 (灵活性) 和性能价格比, 60年代后期发展了可逆或非可逆的串联轧机, 可逆式串联轧机和连续轧机的特点是将轧机的台座排成一行。它要求在轧机线上台座之间要有拉力控制, 即张力控制。否则, 会产生钢材被拉断或钢材堆积, 严重影响产品质量。为了在轧制线上容易咬人钢带, 减少劳动力, 在三辊直压式张力计的底架, 安装一个标准的液压系统。当钢板串进各轧机, 卷取机咬人钢板时, 三辊直压式张力计中张力辊面与轧制线是同一平面, 串联轧机开始升速时, 张力计由于液压系统起作用, 将张力计顶上, 张力辊面高于轧制线, 使得钢材与三辊子全部接触, 形成包角。
3 PROFIBUSDP与PFEA112间的通讯
3.1 概述
在PFEA112中PROFIBUSDP的用途是在PFEA112和上级系统间建立起高速通讯连接。PROFIBUSDP是多点通讯协议将通过PLC与传感器相连 (DP的意思是“分布的外围设备”) 。
硬件接口是RS485 (两线电缆) 。
最大传输速率是12 Mbit/s。
通讯协议是根据主/从原则。PFEA112是从属。PROFIBUS主机时刻查询从机, 意思是即使没有新的数据从P F E A 1 1 2传输来, 查询也要在一个固定的时间周期内进行。每一个从机在0~125的范围内都有一个地址。
PROFIBUS将从机的信息格式、通讯参数和错误码作为类型文件, 即G S D文件 (6PFEA112的PROFIBUSDP-GSD) 存储在PROFIBUS主机内。
3.2 主/从通讯
主机和从机间的通讯是通过一个输出缓冲器和一个输入缓冲器之间完成的。
在PROFIBUS总线上的每个扫描周期中, 主机都会读取输入缓冲器中的数据, 并向输出缓冲器中写入数据。同时, 从机查询输出缓冲器并对输入缓冲器更新数值。
3.3 通过PROFIBUS的命令
PROFIBUSDP适用于PFEA112 (而不适用于PFEA111) 。
状态位“置零”是唯一的可以通过PR-OFIBUS在PFEA112中执行的命令。
3.4 处理通过PROFIBUS的测量数据
两个带钢张力测量值通过PROFIBUS传输:
*值1有与“输出电压”相同的响应时间
*值2有与“电流输出”相同的响应时间
“电压输出”和“电流输出”的刻度不影响测量值在PROFIBUS上的传输。
如果完成了零设置, 零设置值就会通过PROFIBUS传输。
每个测量值有16位, 2-补码表示法 (整数16) 。
3.5 PROFIBUS测量值的刻度
根据负载单元的额定负载, 测量值的最低有效位。
3.6 PROFIBUS测量值的过滤
“值1”与电压输出有相同的过滤。
“值2”与电流输出有相同的过滤。
3.7 输出缓冲区 (从P L C到P F E A 1 1 2间的通讯)
此段说明了在输出缓冲器通讯块中的布尔量。
4 结语
由此可见, 在首钢京唐冷轧部的连续生产线上使用ABB张力计系统可以有效的测量带钢的实际张力。同时, 根据张力计的工作原理合理的选用适合张力计的类型可以达到生产线的控制要求和工艺要求。在生产线的适当位置安装ABB张力计系统, 能够为全线控制系统提供易辨识、高精度、稳定性好的测量信号。进而, 避免带钢张力波动对产品或生产设备造成的不良影响。
摘要：带钢张力的准确测量对冷轧生产线连续、稳定、高效的生产起着十分重要的作用。张力计是张力测量最直接、最准确的工具。本文结合冷轧连退现场实际情况, 对ABB高精度张力计从测量原理、压力传感器的作用以及Profibus DP通讯等方面进行了简要分析。增强设备管理人员对张力计的了解, 有利于维护好张力计这一关键设备。
关键词：张力计,测量原理,安装方式,PROFIBUS,DP通讯
张力计工作原理 篇2
DTYB-200SC型压力计检定装置由计算机控制部分, 伺服电机执行机构, 行星轮减速机构, 滚动丝杠付传动机构, 滚动导轨付移动机构, 加压底座, 活塞缸及活塞总成, 过压保护总成, 高压针阀, 高压电磁阀 (零泄漏) , 温箱总成, 琴式操作台, 行程报警及断电保护构成。伺服电机、行星减速机构、丝杠、油缸的活塞依次连接, 丝母固定工作台上, 在油缸的输出端接压力传感器, 由压力传感器和计算机组成装置的反馈回路, 控制着伺服电机的转速和转向。工作过程是:通过计算机设定压力输出值, 伺服电机启动带动行星轮减速机构、丝杠和活塞转动依附移动导轨机构给进或后退, 油缸输出压力, 由传感器检测压力信号, 反馈给由计算机组成的闭环系统, 使压力输出值逐渐趋近设定值, 并使压力输出值长时间地稳定在设定值上。此控制方法在工业控制上属闭环控制。
系统的输出端和输入端之间存在反馈回路, 输出量对控制过程产生直接影响, 这种系统称为闭环控制系统。系统的输出端和输入端之间存在反馈回路, 输出量对控制过程产生直接影响, 这种系统称为闭环控制系统。
长时间稳定的系统压力精度来源于高精度的传感器。在目前常用的机械式、应变式、石英电容式、石英晶体谐振式等诸多压力计中, 石英晶体压力计 (即石英晶体谐振式) 的稳定性和精度优于石英电容式, 而远远高于机械式、应变式或压阻式, 因此成为石油工业的行业标准。其压力敏感元件为石英震谐器, 输出频率随所施加的压力而发生变化。全石英构成的敏感元件保持了单晶石英所固有的高重复性和高稳定性优秀特点。传感器中另装有一个由石英震谐器温度探头, 以便直接对压力结果进行数字化温度补偿。传感器总是提供相互独立的压力频率信号和温暖频率信号, 这样就可以在整个压力和温度测量范围内求出任何一个测量点经过了温度补偿的压力数值。
自动调节系统中, 计算机将系统检测参数与设定参数之间的偏差, 按一定的数学关系, 转换为调节作用, 施加被控对象, 以校正扰动作用引起的偏差。至于检测参数能否调整到设定值, 以怎样的途径、经过多长时间调整到设定值上来, 即调节的品质如何?不仅与被控对象有关, 而且与调节器的特性, 即调节器的调节规律有关。
实际的压力控制工程中, 由于液体整个系统的管路的自身的特点, 系统存在一个系统管路的自然响应的时间常数, 这个时间常数是在一定条件下产生的, 为了实现缩短压力控制的时间, 在本产品中我们自主开发适应系统管路自然响应常数的计算方法, 在控制压力的一段时间内, 通过控制电机转速, 使实际的压力变化率曲线在管路自然压力变化率曲线的左侧, 在到达压力惯性积分域时, 使实际的压力变化率曲线在管路自然压力变化率曲线的右侧, 这种压力控制的计算方法就可以实现缩短压力控制的时间。
张力计工作原理 篇3
1 钢索张力机械式测试装置
目前幕墙钢索张力机械式测试装置有代表性的是如下两种装置。
(1)张弦钢索测力器
张弦钢索测力器示意图见图1。将测力器两端(B、D)固定在钢索上,A点朝下施加力F作用在钢索C点。当施加力F使测力装置处于静力平衡时,角度a为固定值,由力的双三角形的平衡条件可以求出张力T和力F之关系,从而得到测量的钢索张力T。张弦钢索测力器接入钢索中间段便可测试操作方便,但B、D端点连接松紧直接影响精度,该装置测量误差较大。
(2)机械式位移传感器测试装置
钢索张力机械式位移测试装置示意图如图2所示。经过特殊设计的左、右夹具紧固在钢索上;夹具中固定模块右端为千分表座,左端装有一顶杆与千分表的触头顶杆连接,左、右夹具的距离l0由定位标尺按设计的精度要求给出。千分表是精度很高的位移传感器,被测物体(钢索)发生位移时,顶针也跟着移动,使齿条带动齿轮转动,经传动齿轮放大,使长针的读数分度值每格为百分之一毫米(0.01mm)或千分之一毫米(0.001mm),位移传感器前者又称为百分表;后者又称为千分表。长针转动一周,短针转动一格,即短针指示1mm或0.1mm。读数时则从短针到长针刻度依次读出位移(单位mm)的十位、个位数和小数后的2位或3位数。
其钢索张力测量原理[1]如下。
当钢索受外载荷作用或调节法兰螺栓产生张力T时,轴向产生位移,也即是产生绝对伸长,在钢索张力机械式位移测试装置(见图2)标尺l0范围内,钢索的绝对伸长记为△l,则钢索在这一段的应变(相对伸长)记为:
钢索的应力记为:
式(2)中:A———钢索的截面积。
钢索在外力作用下处于弹性变形,其应力与应变的关系应满足虎克定律。
将(1)、(2)代入(3)式移项可得:
被测试钢索的杨氏模量E和截面积A由生产厂商或由实验测试事先给出,l0标尺由设计装置时已给定。由于左、右夹具已固定在钢索上,在张力T作用下,测试段钢索产生的位移(绝对伸长)△l,由千分表直接得到读数,计算应变,代入(4)式可计算触张力T。
2 频谱分析钢索张力测试装置
频谱分析钢索张力的测试系统如图3所示,首先转动法兰螺栓,调节钢索张力,然后轻轻敲击钢索,用加速度计BK-4375 2.6g测出钢索的振动响应,接着进行频谱分析,得出钢索的一阶模态振动频率f1,最后代入下式计算钢索张力T0:
式中:ρ为单位长度的钢索质量,l为钢索长度。
但若钢索的长度较短,或索径较大,需要修正处理,即:
式(6)中:f0为钢索两端(预)张力为零时的一阶振动模态频率。
按上述步骤,经频谱分析求出f0、f1和给出ρ、l后,便能计算钢索张力。频谱分析测量钢索张力将加速计(BK-4375)接入钢索中间段便可使用,操作简便,但要使用电荷放大器及计算机数据采集(DASP)系统配套才能使用[2]。
3电阻应变式钢索张力测试装置
电阻应变式钢索张力测试装置如图4所示。经特殊设计的左、右夹具按设定的标距L固定在钢索上,夹具上方安装长条形薄板用螺丝紧固在夹具上,长条形薄板装有电阻应变式位移传感器,其工作原理是采用一般静、动态电阻应变仪常用的应变电桥原理,当钢索两端受力T时,标距内钢索位移的变化量△L,推动位移传感器其双触头在可变电阻上产生一个相应的△R的变化,为了测试出△R的微小变化量,由位移传感器中特制的双线绕的无感电阻组成了外桥电阻,组成为应变电桥,从而实现了机械量转换成电量[3]。
这种机械量(位移)转换成为电量的关系不难看出,被测位移量的大小和△R和使用仪器的输出灵敏度成正比,而与桥臂电阻值R1,R2成反比,为此位移传感器只要进行适当的选择可变电阻丝R'的直径、长度和电阻率,以及桥路电阻R1,R2就可以确定输出灵敏度,其工作原理如图5所示。它的线路结构是采用差动变电阻式应变电桥,该传感器是采用半桥接线方法,这样组桥方法不仅可以达到温度自动补偿的目的,而且还可以提高应变电桥的输出灵敏度,比半桥单臂变化接法提高了一倍,并可以做到输出灵敏度规一化。
钢索两端受拉力,钢索未受拉伸其伸长量(位移),经电阻应变式位移传感器读出,输入试验信号采集系统,再经实验数据操作转换,读出拉(张)力,电阻应变式张力测试系统示意图如图6所示。
该测试系统灵敏度较高,温度漂移小,可以多台传感器同时使用,接入电阻仪后可以自动采集实验数据,进行数据处理、存储、显示,极大提高实验测试自动化水平。
4 应用
将钢索张力测试装置应用于幕墙工程实例如下。
例1.北京某科研及办公楼雨篷采用玻璃板块结构,用主钢索、垂直钢索、斜拉钢索和主弧形梁及门厅柱复合结构支撑。由于承受正向及反向风荷载作用,主钢索必须施加预张力。主钢索准90,杨氏模量E=1.3×105MPa,截面积A=5598mm2,预张力的施加量由主钢索初应变(相对伸长)控制,分别取ε0=0.5×10-4和0.5×10-3。钢索预张力位移测试装置l0选取200mm,试求该测试装置千分表显示值(绝对伸长)及计算预张力T0。
计算过程如下:
前者千分表长针转动10格,后者千分表长针转动100格(一周),短针转动2格。
已知主钢索准90,EA=1.3×105×5598=7.2774×108N。
由(4)式算出:
ε0=0.5×10-4,预张力T0=36.387kN;
ε0=0.5×10-3,预张力T0=363.87kN。
例2.广州某幕墙工程采用索网结构,横、竖向钢索各6根,组成正方形交叉索网。钢索准8,杨氏模量E=1.3×105MPa。采用两套测力装置:6台拉压传感器及电阻应变仪直接测量钢索张力;6台电阻应变式位移传感器及信号采集处理系统操作,读出两种实测数据后用如下计算钢索张力:
式中:A为Ф8钢索截面积;E为Ф8钢索的杨氏模量;K为位移传感器修正系数。
现将加载后电阻应变位移传感器测量计算得到钢索的张力与电阻应变仪测量得到的张力对比,列于表1。
两者最大误差为12.6%。
5 结语
随着钢索结构日益广泛地应用于建筑结构、起重机械、制动机构、桥梁工程等领域,现场钢索张力测试装置的要求也越来越高。具体选择科学合理的测试方案及设备时,必须仔细分析各种钢索张力测试装置的特点和性能,才能满足实际工程的测量需要。
参考文献
[1]时海芳,任鑫.材料力学性能[M].北京:北京大学出版社,2010.
[2]李鸣华.钢索张力检测研究[J].台州学院学报,2003,25(3):23-25.
张力计工作原理 篇4
土样的基本物理参数为:比重Gs=2.79,液限wl=77%,塑限wp=40%,塑限指数Ip=37,黏粒含量<2μm的为79%。
文献[1]的试验分析:土的抗拉强度主要来源于3种作用力:(1)由水膜的物理化学作用、黏土矿物颗粒的粘结和颗粒间分子引力形成的凝聚力;(2)由碳酸盐、石膏及包围在颗粒外部的盐类薄膜胶结形成的加固凝聚力;(3)由非饱和土的基质吸力和毛细压力形成的吸附强度。强调了“由于试样由饱和状态逐渐转变为非饱和状态,吸力发展迅速,这在一定程度上解释了含水率小于40%后抗拉强度急剧上升的趋势”。
由于非饱和土力学不要有效应力原理的公式,上述“土的抗拉强度主要来源于(3)非饱和土的基质吸力和毛细压力形成的吸附强度”的观点,不容易为工程师所理解。
1 激活非饱和土力学的有效应力原理
非饱和土力学以基质吸力为基础。基质吸力(μa-μw)来源于有效应力原理,却不符合有效应力原理建模的原意(见文献[2])。
有效应力原理的公式是力学概念中的平衡方程。弹性力学求解应有平衡方程、应力应变关系、边界条件。但非饱和土力学却抛开简单的平衡方程,通过繁琐的物理和数学手段,进行求解。门槛似乎很高,但未必能解决实际问题。
非饱和土力学的有效应力原理为什么激不活,主要有两点:
一是基于基质吸力的非饱和土力学忽视粘性土中结合水膜是有效应力的载体。但从上述文献[1]的试验分析和文献[4],都承认结合水膜作为有效应力的载体。
二是如果用相对压强来研究有效应力原理,由于误解,毕肖普的非饱和土有效应力原理的气体项常常显得多余,并且也产生了负孔隙水压力、基质吸力等繁琐概念。
解决了上述两个问题,承认粘性土中结合水膜作为有效应力的载体,用绝对压强论述土力学,将激活非饱和土力学的有效应力原理,走向土力学的新里程(见文献[2])。
2 提出非饱和土有五相
非饱和土,包括土粒(固相)、结合水膜(结合相)、自由水(自由液相)、孔隙气(气相)、表面张力收缩膜(液-气交界相)五相。
其中,第一和第二相,即土粒(包括结合水膜)之间的接触部位为有效应力的载体。
第二相结合水膜还包括由碳酸盐、石膏及包围在颗粒外部的盐类薄膜。
结合水膜尤其是结合水膜的接触部位是动态的。如有渗流时会变小;抗拉试验破坏时相对抗压试验破坏时较小;水力坡降(见文献[3])大到一定程度时,量变质变会变小等等。
3 非饱和土中水的类型
3.1 天然土
由下至上:重力水、毛细饱和水带、支持毛细水带、中间带(角部孔隙水)、悬挂毛细水带[2]。
有表面张力收缩膜的部位:毛细饱和水带的顶部、支持毛细水带的顶部、中间带(角部孔隙水)、悬挂毛细水带的底部和顶部。
3.2 角部孔隙水
由角部向外,见图1(a)粘土之间:结合水膜-角部毛细水-表面张力收缩膜-孔隙气。
没有自由水时,结合水膜-表面张力收缩膜-孔隙气(未画图)。
见图1(b),砂类土之间:角部毛细水-表面张力收缩膜-孔隙气。
见图1(c),砂类土与粘土之间:(砂)粉土颗粒与粘土颗粒结合水膜间被自由水隔开-角部毛细水-表面张力收缩膜-孔隙气。
4 最不利位置和变形协调
见文献[5],土粒本身的强度是由主键(化学键,即原子与原子之间的联结,可分为离子键、共价键和金属键3种)决定的。影响范围最小,约为0.1~0.2μm,联结能最大,相当于8.4~84J/kmol。
土粒与水分子之间、土粒与土粒之间的吸引力由分子键(次键)及氢键形成。分子键又称范德华键,影响范围约为0.3~10μm,其键能约为2.1~21J/kmol。氢键影响范围约为0.2~0.3μm,其键能达21~42J/kmol。水与空气的表面张力值,一般情况下可以认为不变。在温度为20℃时,是73.5×10-3 N/m,温度降低,表面张力增加。
自然干燥环境下,含水量小于塑性之后,两个粘土土粒间的结合水膜接触部位,土含水量越低,弱结合水膜厚度越薄,土颗粒越靠近,分子力及氢键作用越大,强度越高。
考虑土结构从最不利位置破坏,强度高的土粒本身不会断裂,所以从土粒的连接部位,结合水、自由水、孔隙气位置断裂。
两个粘土颗粒间的变形协调:角部为结合水膜连接部位,距离最近,刚度最大,而毛细水的表面张力收缩膜距离角部较远,土粒间距离也较大,刚度小,土体破坏时,表面张力达不到极限值。
两个土颗粒越靠近,表面张力收缩膜长度越短,线刚度越大,并且,收缩膜曲率越小,膜附近的毛细水浮力(小于孔隙气压力)越小,表面张力的贡献越大;两个粘土土粒,在相同的周围环境下,距离越近,分子力的吸引越大,其间的水分子运动越慢,温度越低,此部位的表面张力也越大;总的来说,两个土颗粒越靠近,其间的表面张力贡献越大。
5 非饱和土有效应力原理的大气张力通用公式
如图2(a)所示,在半无限体表面(地基土表面)作用着地面外荷载q,还作用着地面大气压强Pa,地下水位如图所示。
在土中深度Z处按最不利位置截取一水平投影截面(也可以取其他方向截面)a-a,其面积为A,截面上作用的应力为σ,它是由上面的土体中土固体颗粒、水、空气的重力及地面外荷载q和地面大气压强Pa的作用所产生的应力,称为总应力。
如图2(b)所示,沿a-a截面截取一脱离体,面积A上作用着总应力σ,在a-a截面上,土颗粒(包括结合水膜)接触面间作用的Z方向应力为σs,各土粒接触面积(包括结合水膜面积)之和(水平面投影)为As;自由水所承担的压力为Uwa(绝对压强下的自由水压力),其相应的面积为Af;孔隙气体所承受的压力为Ua,其相应的面积为Aa;还有表面张力在Z方向的分量为Fv,其相应的面积可以忽略,则
A=As+Af+Aa
由于土固体颗粒接触面积(不包括结合水膜)可以忽略不计,所以,As+Af=Aw是a-a截面上,土体中全部孔隙水在Z方向投影的面积。
根据静力平衡条件
称为非饱和土有效应力原理的大气张力通用公式,简称大气张力通用公式。
大气张力通用公式中,总应力σ由4部分组成:1)有效应力σ′;2)自由水应力BuUwa;3)孔隙气应力(1-X)Ua;4)表面张力垂直分量贡献应力-σF。
大气张力通用公式中的符号如下:
σ为作用在土中任意面上的总应力(自重应力与附加应力),在Z方向是计算点上面的土体中土固体颗粒、水、空气的重力以及地面荷载q和地面大气压强Pa的作用所产生的应力。
σ′为有效应力,作用在同一平面的土骨架上(包括结合水膜)。
X=Aw/A取决于土的类型及饱和度,简称饱和度系数。
Bu=Af/A为非饱和土的自由水通道率。
Uwa为计算点处绝对压强下的自由水压力,作用在同一平面的自由水上,按重力水、毛细水、角部毛细水的区别有不同的计算式。
Ua为计算点处(绝对)孔隙气压力,作用在同一平面的孔隙气上。
-σF=-Fv/A为表面张力垂直分量贡献应力。
注意上述的土颗粒接触面(包括结合水膜)间作用的Z方向应力σs,两个粘土颗粒角部距离由小变大,分子力逐渐减小,不是均匀分布,所以σs是平均应力。
弱结合水与大气接触也存在表面张力收缩膜,但该收缩膜是结合水的一部分,其表面张力贡献应包括在有效应力σ′中。强结合水的性质接近于固体,与空气接触不存在收缩膜。
6 大气张力通用公式的特例
6.1 饱和土,没有孔隙气和表面张力
6.2 没有自由水
6.3 只有强结合水(接近固体),所以无表面张力
6.4 理想干土,只有土粒和孔隙气,X=0
6.5 角部毛细水
公式同式(1),由基质吸力(Ua-Uwa)=2T/R,得
其中,T为表面张力;R为收缩膜正交两个方向的平均曲率半径。当收缩膜离角部较远时,曲率较大,孔隙气压力垂直于收缩膜大部分传递给毛细水,有Uwa≈Ua。
6.6 砂类土,Bu=X
与毕肖普公式类似。
6.7 砂类土的角部毛细水
同式(7)且
6.8 砂类饱和土,Bu=1和式(2)得
与太沙基公式类似。
7 用大气张力通用公式描述文献[1]的试验
由于该例中粘土颗粒含量很高,所以对文献[1]实验室膨胀土的抗拉强度试验的破坏截面(对应大气张力通用公式的a-a截面)处,简化为上下两个粘土颗粒,对该膨胀土在室内干燥失水固结的过程进行论述。图3是与界限含水量有关的各个阶段的示意图。
首先,在大气张力通用公式(1)σ=σ′+BuUwa+(1-X)Ua-σF中,
为了论述方便,假定气体流通,Pa=Ua=P0(标准大气压强)=101kPa
由于土样在顶面2.5cm的地方断裂,假定土样比重为20 kN/m3,则总应力中的土体重力为20×0.025=0.5kPa,可以忽略不计。
设抗拉强度为σl(对土样施加的拉力),则:
σ=Pa-σl+土体重力=Pa-σl+0.5,忽略0.5,得:
σ=Pa-σl记住Pa=101kPa
σ′为拉力,用绝对值表示,有:
σ′=-|σ′|
7.1 泥浆期
见图3(a),饱和土,式(2):σ=σ′+BuUwa,忽略水的重力,Uwa=Pa=101kPa,有Pa-σl=-|σ′|+101Bu,整理得
σl=|σ′|+(Pa-101Bu)
颗粒间都是自由水,Bu=1,由(Pa-101Bu)意味着土体内部自由水浮力全部抵消地面大气压力Pa。且接触处有效应力|σ′|=0,得抗拉强度σl=0。
7.2 液限至塑限的前期
见图3(b),接近饱和土,同上
σl=|σ′|+(Pa-101Bu)
含水量=70%接近液限77%,土粒下落靠近,仅有很小的弱结合水膜接触,Bu≈1,且接触处有效应力|σ′|≈0,得抗拉强度σl≈0。
7.3 液限至塑限的后期
见图3(c),非饱和土,大气张力通用公式(1):σ=σ′+BuUaw+(1-X)Ua-σF,且收缩膜离角部较远,有Uaw≈Ua=101。
即Pa-σl=-|σ′|+101Bu+101(1-X)-σF,整理得:σl=|σ′|+[Pa-101(Bu+1-X)]+σF
含水量不断减少,土粒不断下落与倾倒靠近:结合水膜接触区As加大,且分子力和氢键作用增加,这两个因素使有效应力|σ′|变大;毛细水和孔隙气占据的面积(Bu+1-X)A减小,由[Pa-100(Bu+1-X)],意味着土体内部自由水与气体浮力抵消地面大气压力Pa的能力减少;表面张力σF的贡献加大。
所以抗拉强度σl加大。
7.4 塑限
见图3(d),含水量=40%为塑性,没有自由水,式(3)
σ=σ′+(1-X)Ua-σF
即Pa-σl=-|σ′|+101(1-X)-σF
整理得σl=|σ′|+[Pa-101(1-X)]+σF
无自由水,弱结合水膜减薄,土粒继续倾倒靠近:有表面张力贡献,在弱结合水膜处,σF项归于有效应力|σ′|;式中σF项是粉土颗粒与粘土颗粒接触(参见图1(c),但无毛细水)时在弱结合水膜处的收缩膜表面张力的贡献;结合水膜接触区As加大,且分子力和氢键作用增加,使有效应力|σ′|变大;孔隙气占据的面积(1-X)A减小,由[Pa-101(1-X)],意味着土体内部气体浮力抵消地面大气压力Pa的能力继续减少;加上表面张力贡献。
所以抗拉强度σl加大,本例试验值达到约100kPa。
7.5 接近缩限
见图3(e),当含水率从40%下降到20%,只有强结合水膜和孔隙气,式(4)
σ=σ′+(1-X)Ua
同7.3σl=|σ′|+[Pa-101(1-X)]
弱结合水膜消失,土粒继续倾倒靠近:强结合水膜接近固体,所以无收缩膜的σF项;结合水膜接触区As加大,且强结合水膜的分子力和氢键作用急剧增加,使有效应力|σ′|急剧变大;孔隙气占据的面积(1-X)A继续减小,几乎为零,由[Pa-101(1-X)],意味着土体内部气体浮力抵消地面大气压力Pa的能力几乎没有。
抗拉强度σl急剧加大,本例试验值由100kPa急剧增大到750kPa,但与表面张力无关。
7.6 缩限以后如何
由于室内自然环境下干土会自然吸水形成强结合水膜,所以缩限后强结合水不会自然失去。如果接下来烘干,抗拉强度σl将继续增大达到峰值;然后会量变质变,强结合水膜不断蒸发,抗拉强度σl会不断降低,直至理想干土,没有结合水膜,抗拉强度σl≈0。
8 结论
由大气张力通用公式分析文献[1]实验室膨胀土的抗拉强度试验的结论为:该膨胀土在室内干燥失水固结,由泥浆期-液限至塑限的前期-液限至塑限的后期-塑限-缩限,含水量不断减少,粘土颗粒不断下落与倾倒靠近,结合水膜接触处由不接触-有弱结合水膜接触-有强结合水膜接触-全部由强结合水膜接触。抗拉强度σl不断增大有3个因素:
1)结合水膜接触面积不断加大,且结合水膜的分子力和氢键作用不断增加。这个作用在塑限后急剧加大。
2)自由水和孔隙气占据的面积不断减小,土体内部自由水和孔隙气浮力抵消地面大气压力Pa的能力不断减弱。
3)收缩膜的表面张力贡献不断增大,但到土中只有强结合水后没有收缩膜。
在该例中,主要因素是1):以基质吸力为核心的非饱和土力学夸大了收缩膜表面张力的作用。
摘要：提出了非饱和土是由五相组成,其中土粒(包括结合水膜)之间的接触部位为有效应力的载体;并用绝对压强论述土力学,推出了非饱和土有效应力原理的大气张力通用公式及其特例;用大气张力通用公式分析文献[1]的实验室膨胀土的抗拉强度试验,得到随着含水量的不断减少,土粒不断靠近,土样抗拉强度不断增加的因素有3个:结合水膜接触的面积不断加大,且结合水膜的分子力和氢键作用不断增加,这个作用在塑限后急剧加大;自由水和孔隙气占据的面积不断减小,土体内部自由水和孔隙气浮力抵消地面大气压力的能力不断减少;收缩膜的表面张力贡献不断增大,但到土中只有强结合水后没有收缩膜。在该例中,第一个因素起主要作用,以基质吸力为基础的非饱和土力学夸大了收缩膜表面张力的作用。
关键词：土粒,结合水膜,大气张力通用公式,土体变形
参考文献
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