土动力学特性试验及其发展现状

土动力学特性试验及其发展现状邵生俊西安理工大学岩土工程研究所2008.10目录•引言•土动力特性的测试设备系统•动三轴试验•共振柱试验•动扭剪试验•影响因素及系统阻尼•结论引言土的动力学试验：土的动力特性试验土体动力模型试验动力特性试验设备均包括：成样系统激振系统量测控制系统土的动力特性试验设备：动直剪仪、动单剪仪、动三轴仪、共振柱仪、动扭剪仪等•引言•土动力特性的测试设备系统•动三轴试验•共振柱试验•动扭剪试验•影响因素及系统阻尼•结论成样系统形成一个满足试验要求条件（湿度、密度、应力状态等）并具有代表性的试样。满足便于装样、饱和、密度控制、荷载控制、以及应变和孔压的量测，并尽量消除各种边界的影响。振动台上圆筒样动力直剪试样动力单剪试样动三轴试样空心圆筒扭剪试样激振系统一种对试样产生动力荷载的系统。主要分为机械式，电动式，气动式，电动-液压式及电动-气压式等。机械式激振：偏心式，离心式和冲击式。电动式激振：利用恒定磁场内的带电导体会受到一定电磁力作用产生运动而产生激振。电磁式激振原理示意图51234气动式激振利用向活塞两侧轮换供入和排出压缩空气的方法，驱动活塞杆作往复运动，达到激振的目的。电动-液压式激振利用小型电磁式激振器来推动液压随动系统，使液压往复作用于液压活塞上，引起底座的振动。电动-气压式激振利用小型电磁式激振器来推动气压随动系统，使气压再往复作用在气压伺服阀上，引起底座的振动。电动马达驱动激振利用高速旋转的马达驱动丝杆往返运动，从而将往返运动再传递给试样底座，来实现动力加载。控制与量测记录系统将动力输入由数字信号转化为电信号进行闭环控制，同时测定振动作用过程试件实际的动应力时程和所产生的动应变时程和动孔压时程。传感器放大器电磁伺服阀滤波器信号发生器计算机动荷驱动器记录器•引言•土动力特性的测试设备系统•动三轴试验•共振柱试验•动扭剪试验•影响因素及系统阻尼•结论试验条件与目的测试得到的动应力、动应变和动孔压时程曲线，可以得到饱和土的动孔压累计增长发展变化规律，破坏时的循环动应力及破坏振次，动应力动应变滞回曲线和动应力应变骨干曲线，以及给定静应力条件下的震陷变形曲线。动三轴试验测试在10-4-10-2应变范围之间的动力特性。发展历史黄文熙（1959）首先提出了动三轴试验思想；汪闻韶主持研制了我国第一台振动三轴仪。1962年我国水电部《土工试验操作规程》中列入了动三轴试验项目。Seed（美国，1966）等提出了利用动三轴试验结果解决实际工程问题的方法。1975年安徽省水利科学研究所研制成功了惯性力式动三轴仪。1976年北京地形地质测绘处与北京市科学仪器修配厂等单位试制成功了DSZ-100型电磁式动三轴仪。同年，西北农学院水利系（现西安理工大学水电学院岩土工程研究所）成功研制开发出了气动式动三轴仪。此后，由电力部西北电力设计院，中国科学院工程力学所先后试制成功了电磁力双向激振三轴仪。电磁式动三轴仪（西安理工大学改造）北京新技术应用研究所制造，1992电-液伺服双向振动三轴仪西安理工大学与天水红山试验机厂研制，1993试验设备电动马达驱动动三轴仪英国GDS有限公司制造•引言•土动力特性的测试设备系统•动三轴试验•共振柱试验•动扭剪试验•影响因素及系统阻尼•结论在10-6-10-3的应变范围内研究土的动力变形性质。中国科学院工程力学所研制成功了我国第一台共振柱仪（GZ-1型）。•引言•土动力特性的测试设备系统•动三轴试验•共振柱试验•动扭剪试验•影响因素及系统阻尼•结论轴向压应力环向剪应力内腔侧压力外腔侧压力轴向正应力环向剪应力环向正应力侧向正应力应力条件与特点薄壁圆筒样受力条件单元体应力条件空心圆筒试样上独立施加内、外压力，轴向荷载及横截面上振动扭矩，可以模拟单元体上径向、环向和轴向正应力及扭转剪切应力四个应力变量。可以独立变化三个主应力的大小和方向，从而实现主应力方向的旋转。通过扭转往返运动、轴向往返运动及内、外压力循环变化，可以实现单向、双向和三向振动作用下动力试验。扭转单向振动试验仪西北农林科技大学扭剪仪原西北水科所扭剪仪日本诚研株式会社制造邵生俊（1985年）利用该振动扭剪试验仪进行了饱和砂土的动力试验。圆筒试样：内径30mm/60mm外径70mm/100mm高100mm/150mm电液伺服单驱动器齿轮、齿条传动扭转、轴向双向振动试验仪大连理工大学扭剪仪日本诚研株式会社制造电液伺服双驱动器齿轮、齿条传动栾茂田等（2002年）利用该振动扭剪试验仪进行了土的动力试验。河海大学扭剪仪日本圆井株式会社制造电液伺服双驱动器齿轮、齿条传动丰土根等（2005年）利用该振动扭剪试验仪进行了土的动力试验。浙江大学扭剪仪英国GDS仪器设备有限公司制造电动马达双驱动活动基座空心圆筒试样：内径60mm/160mm外径100mm/200mm高200mm/400mm兰州地震局扭剪仪英国WF公司制造空心圆筒试样：内径60mm外径100mm高200mm电气伺服双驱动器铰接杆传动上世纪九十年代初，中国水利科学院研制了一台电磁-液压伺服压、扭双向振动扭剪仪。西安理工大学也购置了同样的扭剪仪，并对自动控制系统进行了改造。姚仰平博士（1994）在该仪器上进行了饱和砂土主应力轴旋转试验研究。但是，该仪器装样时需将扭转、轴向振动传力机构顶升，不方便，也不安全。扭转、轴向、径向三向振动试验仪西安理工大学新型扭剪仪•引言•土动力特性的测试设备系统•动三轴试验•共振柱试验•动扭剪试验•影响因素及系统阻尼•结论动力特性试验的影响因素试样制备原状样：切削扰动尺寸差异不均匀含水量控制重塑样：选样代表性装样方法饱和度差异不均匀橡皮膜嵌入及加强作用试样应力应变状态不均匀端部约束挤伸条件下呈缩径形压缩应力条件下呈鼓胀形主轴与试样端部脱离接触圆筒样的变形呈弹塑性变化仪器系统阻尼动力试验机系统又是一个有阻尼的振动系统。仪器系统校正方法橡皮膜内装与土样同体积的水，施加固结压力，测试水试样变形过程传力机构往返运动的阻力。建立变形速率与仪器系统阻力之间的关系曲线，依据土试样的变形速率可以扣除仪器系统的阻力。结述语电磁式、液压式动三轴仪已经在我国工程实践中得到了广泛应用，在科研、教学、生产单位得到了普及。电磁-液压式及电磁-气压式动扭剪仪已在我国教学、科研单位得到重视和应用，已经由扭转单向振动发展为轴向、扭转耦合双向振动，且正在研发轴向、扭转、侧向三向耦合振动扭剪仪。多向耦合振动扭剪仪对于研究复杂应力条件下土的动力学特性提供了物质基础。动力试验技术的发展应该在克服仪器系统阻尼，提高试验精度方面下功夫，进一步发展我国土动力学特性试验测试技术。