振动三轴试验

第七章土的力学性质指标及其室内测定第五节振动三轴试验第五节振动三轴试验•一术语定义及土的动力学性质简介•二试验目的和适用范围•三采用标准•四仪器设备•五操作要点•六记录表格•七资料整理•八注意事项第五节土的振动三轴试验•一术语定义及土的动力学性质简介•（一）动模量•动模量定义为引起单位动应变所需的动应力。•1动剪切模量•式中：—动剪切模量，kPa；—动剪应力，kPa；—动剪应变。dddGdGdd第五节土的振动三轴试验•一术语定义及土的动力学性质简介•（一）动模量•2动压缩模量（6.5-2）式中：—动压缩模量，kPa；—动轴应力，kPa；—动轴应变。•已知土的泊松比和以及和可相互换算，有如下关系：dddEdEdddG,dEdd)1(2ddEGdd)1(第五节土的振动三轴试验•一术语定义及土的动力学性质简介•（一）动模量•测定动模量的方法•测定动模量的方法是将动荷载施加于试样上，同时记录动应力和动应变，某一循环的动应力与同一循环的动应变之比即可得动模量，见图6.5-1（a）。图6.5-1应力—应变记录曲线和滞回圈第五节土的振动三轴试验•一术语定义及土的动力学性质简介•（二）阻尼比•阻尼比定义为土的阻尼系数与临界阻尼系数之比。阻尼比可衡量一周循环荷载内土吸收能量的特性，吸收能量大小可用图6.5-1（b）滞回圈面积表示。阻尼比D按下式计算：式中：——滞回圈面积；——三角形面积。TcAAD41cATA212第五节土的振动三轴试验•一术语定义及土的动力学性质简介•（二）阻尼比•另一种常用的计算小应变时阻尼比的方法为自由振动法，见图6.5-2，用下式计算阻尼比式中：——阻尼比；——计算所取的振动次数；——停止激振后第1周的振幅，mm;——停止激振后第周的振幅，mm。11ln121nAANDDN1A1N1nA第五节土的振动三轴试验•一术语定义及土的动力学性质简介•（三）动强度•土在动荷载作用下，土的应力、应变及孔隙压力随时间（振动次数）而变，动强度是经一定振动次数后试样达到破坏的振动剪应力，振动剪应力与破坏周数的关系曲线称为动强度曲线，见图6.5-3。第五节土的振动三轴试验图6.5-2振幅随时间的衰减曲线图6.5-3不同破坏标准的动剪应力比与破坏周数的关系第五节土的振动三轴试验•二试验目的和适用范围：•土的振动三轴试验是室内进行土的动力特性测定时较普遍采用的一种方法。试验目的是测定饱和土在动应力作用下的应力、应变和孔隙水压力变化过程，通过试验确定土的动剪切模量、阻尼比和动强度等。•试验测得的参数一是用于分析周期荷载作用下地基和结构物的稳定问题，特别是砂土液化问题；另一是用于计算周期荷载作用下土体在一定范围内引起的位移、速度、加速度和应力随振次的变化等。•本试验适用于饱和砂土、粉土和黏土。一般采用固结不排水试验。•三采用标准：SL237－032－1999第五节土的振动三轴试验•四仪器设备•主要设备：电磁式振动三轴仪，有常规控制和计算机控制式两种。由主机、静力控制系统、动力控制系统和量测系统组成。•主机：包括压力室和激振器等，如图6.5-4所示。•静力控制系统：用于施加围压、轴压和反压等，与一般静三轴仪基本相同。•动力控制系统：包括交流稳压电源、超低频信号发生器、超低频峰值电压表、电源、功率放大器、超低频双线示波器等。•量测系统：用于量测轴向力、轴向位移、及孔隙水压力，由传感器、动态应变仪、光线记录示波器或x－y函数记录仪等组成。•辅助设备：与一般静三轴试验相同。电磁式振动三轴仪示意图第五节土的振动三轴试验•五操作要点•（一）准备工作•1检查土动三轴仪各组成部分，确认激振系统、静力系统及量测系统都能正常工作。•2明确试验参数，包括试样密度、固结压力及固结应力比等。•（二）试样制备•试样制备的要求和方法与静三轴试验相同。原状样制备扰动样制备（击实法）、砂土试样制备充填土试样制备（土膏法），应分别按SL237—017－1999规程有关规定进行。第五节土的振动三轴试验•五操作要点•（三）试样饱和•试样饱和过程也与静三轴试验相同。视土样类型不同可分别采用抽气饱和、水头饱和、二氧化碳饱和、反压饱和等方法，具体操作细节详见SL237—017－1999规程4.2条。•（四）试样固结•动三轴试验通常要求在三个不同的主应力比下进行固结。对于可自动控制施加静载的新型土动三轴仪来说，只要试验前按试验的要求进行设置（如设定固结应力比K值、加荷级数、荷载增量大小，各级荷载增量持续时间等），试验机即可自动完成试样的固结。第五节土的振动三轴试验•五操作要点•（四）试样固结•在进行等压固结（σ1/σ3=1）时，动三轴加压方式与静三轴略有不同。静三轴的加压活塞与试样为点接触，加围压σ3时轴压σ1也同步加上，σ1＝σ3。动三轴由于活塞与试样相连，σ1与σ3需分开施加。一般先加σ3，在加σ3之前应将活塞固定，以免加σ3时试样受挤压向上变形而破坏。加完σ3，由荷载传感器控制施加σ1，动作衔接要尽量快。加荷完毕，松开活塞，开始固结。在进行不等压固结（K＝σ1/σ31）时，要求固结过程尽量保持K值大致不变。对松软试样，为了避免一次加荷引起试样破坏，应分许多级加荷逐步固结。每级固结时先加围压σ3，后加轴压σ1。第五节土的振动三轴试验•五操作要点•（五）施加动应力•固结完成后，在不排水条件下施加动应力。•动三轴试验主要分为两类，即动强度试验及模量和阻尼比试验。两类试验各自采用不同的方式和步骤施加动应力。第五节土的振动三轴试验•五操作要点•（五）施加动应力•1动强度试验•对制样密度和固结应力比均相同的一组试样（一般不少于4个），设定大小不同的动应力σd1、σd2、σd3、σd4；•启动激振力并同时打开记录仪，记录应力、应变和孔压的变化过程线；•当应变达到应变破坏标准（通常规定应变达5％）或孔压达到侧压（ud=σ3），即切断激振力并停止记录。•根据试验计划要求，对于不同的制样密度和不同的固结应力比，重复上述试验步骤。•具体操作细节详见SL237—032－1999规程4.5条。第五节土的振动三轴试验•五操作要点•（五）施加动应力•2模量和阻尼比试验•在同一个试样上动应力由小到大逐级施加，振动时记录动应力、动应变和动孔压；•每级动应力的振动次数不要超过10次；•第1级动应力在可能正确测读的条件下设定较小的值，后一级可设定比前一级大1倍；•当应变波形明显不对称或孔压较大时，停止试验。第五节土的振动三轴试验•五操作要点•（五）施加动应力•2模量和阻尼比试验•对于不同的制样密度和不同的固结应力比，重复上述试验步骤。•同一干密度的试样，在同一固结应力比下，应在1至3各不同的侧压力下试验；•每一个侧压力宜用5～6个试样，改变5～6级动应力。•具体操作细节详见SL237—032－1999规程4.6条。第五节土的振动三轴试验•七资料整理•（一）动强度试验需要提供的资料包括：•动强度曲线（即轴向动应力与破坏周数关系曲线）；•动孔压和动应变随时间（周数）发展的过程线；•动强度指标（包括总应力动强度指标cd、φd及有效应力动强度指标c‘d、φ’d）。•在土动力学中，常用的破坏标准有三种：极限平衡标准、液化标准和应变标准。因此，动强度曲线和动强度指标应针对三个不同的破坏标准分别提供，如图6.5-3所示。•具体步骤详见SL237—032－1999规程5.1条。第五节土的振动三轴试验•七资料整理•（二）模量和阻尼比试验需要提供的资料包括：•动应力与动应变关系曲线；•动模量比Ed/Eo与动应变εd关系；•最大压缩模量Eo与有效平均固结应力σo的关系；•阻尼比D与动应变εd关系曲线等。•具体步骤详见SL237—032－1999规程5.2条。•因资料整理内容多涉及数据量浩大，用人工完成几乎是不可能的。目前各种类型的土动三轴仪在数据采集和资料整理方面大多均可由计算机完成。第五节土的振动三轴试验•八注意事项•1）对各种仪表、传感器等要经常校核和定期标定。•2）振动三轴试验中经常要求测定松软地基土的动强度指标，这些试样密度很低。制备低密度试样必须保持耐心和细心。•3）由于在相同的固结条件下，试样动强度取决于试样的密度、饱和度和均匀程度，因此对制样环节的控制就直接影响到试验的质量。同一干密度各组试验的试样，宜一批制备，其密度、含水率、击实过程、饱和过程及试样静置时间等都应大致相近。•4）土动三轴仪属于精密仪器设备，价值昂贵。土动三轴的试验技术较复杂，要求试验人员掌握的技术知识也相对较多。所以从事土动力学试验工作的人员应接受专门的技术培训。第七章土的力学性质指标及其室内测定第六节其它力学试验第六节其它力学试验•三孔隙水压力消散试验•（一）试验目的和适用范围•本试验使试样受各向等压作用或在K0条件下受轴向压力作用，测定孔隙水压力的消散过程，从中确定孔隙水压力消散系数Cv‘、消散度Dc及孔隙水压力系数B、。•本试验适用于饱和度大于85％的原状黏质土及含水率大于最优含水率的击实黏质土，也可用于用充填法制备的试样。第六节其它力学试验•三孔隙水压力消散试验•孔压消散系数的工程意义消散系数Cv‘主要用于估算期土坝或地基土体中的孔隙水压力，对控制合理的施工进度，对保证土坝或地基的稳定有重要意义。•（二）采用标准：SL237—019－1999第六节其它力学试验•三孔隙水压力消散试验•（三）术语定义•1消散度Dc：式中分别为试验起始和经时间t（min）后试样不排水端的孔隙压力值。1100tciuDuituu、第六节其它力学试验•三孔隙水压力消散试验•（三）术语定义•2消散系数：式中：t为达到某任意消散度Dc所需时间，min；为任意消散度Dc的时间因数；为孔压消散前后的试样平均高度。'VC2'vvTChtvTh第六节其它力学试验•三孔隙水压力消散试验•（三）术语定义•3孔隙水压力系数B、：为周围压力增量，kPa；为轴向压力增量，kPa；为相应于该压力增量下的起始孔隙压力增量，kPa。B3iuB1iuB31iu第六节其它力学试验•三孔隙水压力消散试验•（四）仪器设备•主要设备：三轴压力室，附有孔隙压力量测系统和周围压力系统，见图7.6.3-1。•辅助设备：天平、切样器、承膜筒、环刀、活塞板等，环刀的径高比为1，两端有刃。三孔隙水压力消散试验（a）各向等压消散试样装置（b）K0消散试样在压力室内装置0K1—孔隙压力阀；2—周围压力阀；3—排水管阀；4—排气阀；5—压力室底座；6—加压上帽；7—透水板；8—压力室；9—试样；10—活塞；11—环刀；12—橡皮膜（b）0K消散试样在压力室内装置（b）0K消散试样在压力室内装置三孔隙水压力消散试验•（五）操作要点•5.1各向等压消散试验•1）试样制备•按SL237—017—1999规程有关规定切取原状试样或制备扰动试样，黏质土试样的径高比为1。粉质土的径高比为2。如需饱和，按SL237—017—1999规程4.2.1规定进行。•2）试样安装•按SL237—017—1999规程4.3.2规定进行，但试样侧面不贴滤纸条；•装压力罩，充水，调整孔压量测系统归零，关闭孔压阀等。三孔隙水压力消散试验•（五）操作要点•5.1各向等压消散试验•3）孔隙压力消散•（1）开周围压力阀，并按SL237—017—1999规程4.3.2有关规定施加第1级围压，测定起始孔隙压力。•（2）开排水管阀，同时开始计时，进行孔压消散测定。参照下列时间测记孔压及排水体积：0.25、1、4、9、16、25、36、49、64min，2、4h∙∙∙直至需要的消散度为止，关排水管阀。•（3）重复上述（1）和（2）操作，施加下一级围压，进行起始孔隙压力和孔压消散测定。如此可进行三次，每次施加压力大小为实际需要压力的1/3，也可以按实际情况增减消散次数和各级围压大小。三孔隙水压力消散试验•（五）操作要点•5.1各向等压消散试验•3）孔隙压力消散•（4）最后一级孔压消散完毕时，关闭围压阀、排水管阀和孔压阀。打开排气孔排出压力室中的水，拆开压力室