1、第三章第三章 土的动力特性测试土的动力特性测试3.1 3.1 概述概述认识一种介质、揭示它本质特性的最有效和最根本的方法是对它认识一种介质、揭示它本质特性的最有效和最根本的方法是对它进行全面的试验测试，试验测试是土动力学发展的基础。对于土进行全面的试验测试，试验测试是土动力学发展的基础。对于土在动荷载作用下变形强度发展的规律以及表征这些特性的基本指在动荷载作用下变形强度发展的规律以及表征这些特性的基本指标，都必须通过室内和现场的动力测试来获取。标，都必须通过室内和现场的动力测试来获取。土动力特性的试验要求根据一定的试验方案，先在一定的试样容土动力特性的试验要求根据一定的试验方案，先在一定的试样
2、容器中制备土的试样，使其处于要求的密度、湿度、结构和静力状器中制备土的试样，使其处于要求的密度、湿度、结构和静力状态；然后施加一定形式和不同强度的动荷载，量测出此动荷载作态；然后施加一定形式和不同强度的动荷载，量测出此动荷载作用下土样上实际作用的动应力时程、对应的动应变时程和动孔压用下土样上实际作用的动应力时程、对应的动应变时程和动孔压时程；最后，根据这三类基本的时程曲线及其对应的关系来研究时程；最后，根据这三类基本的时程曲线及其对应的关系来研究土性和有关指标的变化规律，做出定性和定量的判断。土性和有关指标的变化规律，做出定性和定量的判断。制定方案制定方案成样成样激振激振量测量测成果整理成果整
3、理成样系统成样系统激振系统激振系统量测系统量测系统设备系统设备系统3.2 3.2 土动力特性室内测试的设备系统土动力特性室内测试的设备系统 3.2.1 3.2.1 土动力特性测试的成样系统土动力特性测试的成样系统土动力特性测试的成样系统，其作用在于形成一个满足试验要求土动力特性测试的成样系统，其作用在于形成一个满足试验要求条件条件(湿度、密度、结构、应力等初始状态湿度、密度、结构、应力等初始状态)并具有代表性的试样。并具有代表性的试样。成样系统需满足的要求包括：成样系统需满足的要求包括：便于装样；便于装样；便于饱和及控制密度与荷载；便于饱和及控制密度与荷载；便于应变和孔压的量测；便于应变和孔压
4、的量测；尽量消除各种边界有害影响。尽量消除各种边界有害影响。成样系统应包括的分项系统：成样系统应包括的分项系统：成样容器；向试样供水、排水；荷载施加传递。成样容器；向试样供水、排水；荷载施加传递。由于对静、动应力施加条件上的差别，最简单的成样系统有由于对静、动应力施加条件上的差别，最简单的成样系统有一维应力和变形条件的振动圆筒仪一维应力和变形条件的振动圆筒仪。它是一个刚性圆筒，其中装满了一定湿密状态的试样后，即它是一个刚性圆筒，其中装满了一定湿密状态的试样后，即可放在振动台上，对其施加振动，或给予一定的冲击荷载进行试可放在振动台上，对其施加振动，或给予一定的冲击荷载进行试验，测定试验孔压和变形
5、的发展。验，测定试验孔压和变形的发展。它简单直观，但应力状态较难控制，只能在较低压力下反映它简单直观，但应力状态较难控制，只能在较低压力下反映浅层砂的动变形或液化特性，不能直接测定土的动强度指标。浅层砂的动变形或液化特性，不能直接测定土的动强度指标。后来发展的后来发展的动直剪仪系统动直剪仪系统，其成样系统类似普通直剪试验的容器，其成样系统类似普通直剪试验的容器在容器内装满一定湿密状态的试样后，即可放在振动台上，施加在容器内装满一定湿密状态的试样后，即可放在振动台上，施加要求的静荷载，然后，在交变的垂直荷载或剪切荷载单独或同时作用要求的静荷载，然后，在交变的垂直荷载或剪切荷载单独或同时作用下，来
6、测定土在竖向和水平向的动变形，研究动变形与动抗剪强度。下，来测定土在竖向和水平向的动变形，研究动变形与动抗剪强度。它存在侧压不好控制和试验不好完全封闭，应变不均匀，剪它存在侧压不好控制和试验不好完全封闭，应变不均匀，剪切面不一定湿软弱面等缺点切面不一定湿软弱面等缺点为了尽可能模拟以动剪应力为主的地震波传播作用的特性，为了尽可能模拟以动剪应力为主的地震波传播作用的特性，虽然发展了单剪条件下的虽然发展了单剪条件下的动单剪仪系统动单剪仪系统，它在试样容器内制成一，它在试样容器内制成一个封闭于橡皮膜内的方形试样，其上施加垂直压力，使容器的对个封闭于橡皮膜内的方形试样，其上施加垂直压力，使容器的对侧壁在
7、交变力作用下作往复剪切运动，以观测试样的动力特性。侧壁在交变力作用下作往复剪切运动，以观测试样的动力特性。它比较适合研究地震作用下土的动剪应力和动剪应变的变它比较适合研究地震作用下土的动剪应力和动剪应变的变化特性，因为它比较接近地震作用下土单元的理想化应力条化特性，因为它比较接近地震作用下土单元的理想化应力条件。但由于试样成型困难，应力分布不均，侧压无法控制，件。但由于试样成型困难，应力分布不均，侧压无法控制，侧壁摩擦的影响不好估计等缺点，所以很少应用。侧壁摩擦的影响不好估计等缺点，所以很少应用。动三轴试验动三轴试验轴对称应力条件下的轴对称应力条件下的动扭剪三轴仪系统动扭剪三轴仪系统得到了较好
8、的应用得到了较好的应用(如如图图3.2所示所示)。它可以在圆柱状试它可以在圆柱状试样的顶面上施加往返作样的顶面上施加往返作用的扭矩，原则上实现用的扭矩，原则上实现了纯剪条件。了纯剪条件。在将它的柱状试样改为管状试样后，还可控制施加的动剪应力和管内外在将它的柱状试样改为管状试样后，还可控制施加的动剪应力和管内外的侧压力，使试样内的剪应力比较均匀。在将内外等高的管状试样改的侧压力，使试样内的剪应力比较均匀。在将内外等高的管状试样改为不等高，使试样的外高为不等高，使试样的外高h1h1和内高和内高h2h2之比等于试样外径之比等于试样外径r1r1和内径和内径r2r2之之比之后，则它更能使试样内各点的剪应
9、变相等，得到均匀剪应力比之后，则它更能使试样内各点的剪应变相等，得到均匀剪应力利用动扭剪三轴仪系统可在封闭条件下进行试验利用动扭剪三轴仪系统可在封闭条件下进行试验(体积不变体积不变)，它没有侧向摩擦的影响，能够较好地模拟现场较为复杂的应力条它没有侧向摩擦的影响，能够较好地模拟现场较为复杂的应力条件，因而它是一种较好的试样容器形式。但它同样因试样制备上件，因而它是一种较好的试样容器形式。但它同样因试样制备上的困难，上下左右不易密封，仍需要作出进一步的改进。的困难，上下左右不易密封，仍需要作出进一步的改进。利用大型振动台系统进行土动力特性的研究也是一种较好的方法。它利用大型振动台系统进行土动力特性
10、的研究也是一种较好的方法。它是在振动台上安置一个尺寸较大的砂箱或砂槽，观测土受到振动后表现是在振动台上安置一个尺寸较大的砂箱或砂槽，观测土受到振动后表现出来的动力性状。如果采取适当方法将砂箱倾斜地固定在振动台的台面出来的动力性状。如果采取适当方法将砂箱倾斜地固定在振动台的台面上，则也可研究不同倾角上，则也可研究不同倾角的影响。的影响。De AlbaDe Alba采用了大面积、薄厚度的试样。试验发现采用了大面积、薄厚度的试样。试验发现:当试样的长高比大当试样的长高比大于于1010时，即可在试样中出现不受边界影响的自由场。时，即可在试样中出现不受边界影响的自由场。如果在试样顶面上安置钢架如果在试样
11、顶面上安置钢架(内填与砂粒大体相同的钢球内填与砂粒大体相同的钢球)或钢板，则或钢板，则通过它们的惯性作用，可使试样受到动剪应力的激振作用。如果在试样通过它们的惯性作用，可使试样受到动剪应力的激振作用。如果在试样上再加上盖罩，通入气压，还可以模拟覆盖压力的作用。利用这种大型上再加上盖罩，通入气压，还可以模拟覆盖压力的作用。利用这种大型振动台系统，振动台系统，De AlbaDe Alba的试验得出了与现场测定颇为一致的结果，从而为的试验得出了与现场测定颇为一致的结果，从而为正确应用室内试验的成果和了解液化的发展情况都作了很好的剖析。正确应用室内试验的成果和了解液化的发展情况都作了很好的剖析。3.2
12、.2 3.2.2 土动力特性测试的激振系统土动力特性测试的激振系统 激振系统是一种对试样产生动荷载的系统。激振系统是一种对试样产生动荷载的系统。根据它的工作特点，可分为振动台和激振器两类。根据它的工作特点，可分为振动台和激振器两类。振动台：将试件置于振动台的台面上，由振动台提供一定频率振动台：将试件置于振动台的台面上，由振动台提供一定频率和振幅或加速度的振动；和振幅或加速度的振动；激振器：将激振器装在试件上，由激振器产生一定频率和大小激振器：将激振器装在试件上，由激振器产生一定频率和大小的振动力，使试件产生强迫振动。的振动力，使试件产生强迫振动。激振主要分为机械式、电磁式、电动一液压式和气动式
13、。激振主要分为机械式、电磁式、电动一液压式和气动式。（1）机械式激振机械式激振有偏心式、离心式和冲击式。偏心式激振偏心式激振也称偏心轮式激振。当偏心轮中心O1，绕着转轴中心O点转动时，振动台面就发生上下往复运动(如图3.5所示)。为了调节偏心距，常采用双偏心轮装置(如图3.6所示)通过改变偏心距来调节所需要的振幅，通过改变偏心距来调节所需要的振幅，通过改变中心轴通过改变中心轴O O的转速来调节振动台的频率的转速来调节振动台的频率振动台的振幅不随频率而变化。振动台的振幅不随频率而变化。优：这种振动方式能运行在低频和大位移下，结构简单可靠优：这种振动方式能运行在低频和大位移下，结构简单可靠缺：只能
14、产生正弦波，振动波形差，不易自动控制缺：只能产生正弦波，振动波形差，不易自动控制离心式激振离心式激振也称偏心块式激振，如图3.7（a）所示，它靠两组偏心块在作反向运动时产生的离心力来激振。激振力的大小可以通过改变偏心块质量m、偏心距r或旋转速度来调节。它传到地基的振动力小，对地基要求不高，输出波形也较好它传到地基的振动力小，对地基要求不高，输出波形也较好冲击式激振冲击式激振以落体碰撞原理为基础。单次冲击时，一般采用自由落体式和摆式，多次冲击时常采用凸轮式(如图3.8所示)。它结构简单制作和使用方便，但波形、冲击持续时间和加速度幅值不易控制。（2）电磁式激振电磁式激振是根据恒定磁场内的带电导体会
15、受到一定电磁力作用产生运动的原因制成的。左图为电磁式振动台的典型结构。磁场为环形磁隙，磁力线 方向由右手定则确定;导体为圆形线圈形状，称为动圈。动圈置于磁隙时，由左手定则可知，动圈将受向下作用的电磁力，使工作台面向下运动。如改变电流通过动圈的方向，动圈即受向上作用的电磁力，使工作台面向上运动。因此，当动圈中通以交变电流时，工作台面将做上下往复运动。电磁式激振因其使用频率范围宽，输出的振动波好操作和使用方便，容电磁式激振因其使用频率范围宽，输出的振动波好操作和使用方便，容易实现自动控制，故在土动力学测试中应用最广。易实现自动控制，故在土动力学测试中应用最广。（3）电动-液压式激振电动-液压式激振
16、是利用小型电磁式激振器来推动液压随动系统，使液压再往复作用到液压伺服阀上，引起台面的振动(如下图所示)。它既可用液压随动系统代替大功率的功率放大器，适合于产生大的激振它既可用液压随动系统代替大功率的功率放大器，适合于产生大的激振力，又保留了电磁式激振器易于实现自动控制，且能产生各种振动和力，又保留了电磁式激振器易于实现自动控制，且能产生各种振动和波形的优点，但它要求地基坚固，并会对周围建筑物产生影响。波形的优点，但它要求地基坚固，并会对周围建筑物产生影响。图3.13是我国QDY系列电液伺服阀的一种形式。在图中永磁产生的磁通功p由上向下，而由控制线圈电流产生的磁通c在磁隙b、c处与p同向，在磁隙
17、a、d处与p反向，这就使得衔铁作一逆时针角位移，使在喷嘴档板处的右间隙减小，而左间隙增大，引起油压P2P1，推动滑阀左移，同时带动钢球、反馈杆、衔铁组件顺时针转动，直至档板、衔铁组件上的诸力达到平衡为止。若电流方向改变，则上述运动过程相反，滑阀往复运动使负载也作循环变化，从而将动力作用也施加到试件上。（4）气动式激振气动式激振是利用向活塞筒的上下两腔轮换地供人和排出压缩空气的方法，使活塞杆作往复运动，达到激振的目的。轮换地供、排压缩空气的工作由四通换向阀完成(如图3.14所示)。随着阀芯的转动，活塞杆即作往复运动。运动的频率由阀芯的转速控制。激振力的大小由压缩空气的气压控制。这种激振方式操作简
18、便，设备简单，但仅适合在低频下工作。它的连通管路应尽量做到粗、短、直、硬，避免气路不畅和因局部弯曲和膨胀造成气压的损失。但是，如图3.14(a)所示的换向阀只能产生近似方波的波形，经原陕西机械学院(现改名为西安理工大学)改进后，变成如图3.14(b)所示的样子，即可以产生非常近似正弦波的波形。3.2.3 土动力特性测试的量测系统土动力特性测试的量测系统 量测系统的任务是测定振动力作用时土试件上实际的动应力时程和土所产生的动应变时程以及动孔压时程。放大器放大器传感器传感器记录器记录器电测基本系统电测基本系统1.1.传感器传感器 把非电量转换成为电量的器件，它的工作包括把被振动把非电量转换成为电量
19、的器件，它的工作包括把被振动转变成传感元件运动的力学过程和把运动量再转化成电量的物转变成传感元件运动的力学过程和把运动量再转化成电量的物理过程。理过程。按力学过程分按力学过程分惯性式惯性式直接式直接式按物理过程按物理过程发电式发电式电参数式电参数式 发电式传感器发电式传感器 发电式传感器输入的是机械振动量，输出的是电量。发电式传感器输入的是机械振动量，输出的是电量。电参数式传感器电参数式传感器 电参数式传感器输入的也是机械振动量，输出的测试电参数式传感器输入的也是机械振动量，输出的测试电学参数。电学参数。2.2.放大器放大器 放大器在传感器与记录器之间起着承上启下的作用。只放大器在传感器与记录
20、器之间起着承上启下的作用。只有通过它将传感器输出的电信号放大，才能推动指示仪器或记有通过它将传感器输出的电信号放大，才能推动指示仪器或记录器工作。录器工作。3.3.记录器记录器 记录器可以采用阴波射线示波器加照相，或采用光线示记录器可以采用阴波射线示波器加照相，或采用光线示波器、磁带记录仪和笔式记录仪。波器、磁带记录仪和笔式记录仪。4.4.现代测试系统现代测试系统 现代测试系统是一种计算机辅助测试系统（现代测试系统是一种计算机辅助测试系统（CAT系统）。系统）。3.2.4 土动力特性测试的设备与装置土动力特性测试的设备与装置 如果根据实验研究的需要，将不同的成样系统、激振系统和量测系统进行组合
21、搭配，即可得到不同的动力实验装置。3.33.3 土动力特性的室内实验方法土动力特性的室内实验方法 常用的土动力特性室内实验方法有动三轴实验和共振柱实验。3.3.1 动三轴实验动三轴实验 常规的动三轴实验可以得到一定密度和结构状态的饱和式样，在均压固结、轴向激振、不排水条件下动应力的时程曲线、动应变的时程曲线和动孔压的时程曲线等三条时程曲线。1.1.动三轴实验的控制条件动三轴实验的控制条件 动三轴实验的控制条件主要指土性条件、动力条件和排动三轴实验的控制条件主要指土性条件、动力条件和排水条件。水条件。1）土性条件）土性条件 土性条件主要是模拟所研究土实际的粒度、湿度、密度土性条件主要是模拟所研究
22、土实际的粒度、湿度、密度和结构。和结构。2）静力条件静力条件 静力条件主要是模拟土在动力作用起始时的应力状态。静力条件主要是模拟土在动力作用起始时的应力状态。3）动力条件动力条件 动力条件主要是模拟动力作用的波形、方向、频幅和持动力条件主要是模拟动力作用的波形、方向、频幅和持续时间。续时间。(seed地震波简化方法）地震波简化方法）4）排水条件排水条件 排水条件主要是模拟土的不同排水边界对动荷载作用下排水条件主要是模拟土的不同排水边界对动荷载作用下动孔压和动变形发展的实际影响。动孔压和动变形发展的实际影响。2.2.动三轴实验的实验方法动三轴实验的实验方法 土动力特性的实验要根据一定的实验方案，
23、先在一定的式土动力特性的实验要根据一定的实验方案，先在一定的式样容器中制备土的试样，使其处于要求的密度、湿度、结构和样容器中制备土的试样，使其处于要求的密度、湿度、结构和应力状态；然后施加一定形式和不同强度的动荷载，量测出在应力状态；然后施加一定形式和不同强度的动荷载，量测出在此动荷载作用下土式样上实际作用的动应力时程曲线和对应的此动荷载作用下土式样上实际作用的动应力时程曲线和对应的动应变时程曲线与动孔压时程曲线。可见，制备试样，施加静动应变时程曲线与动孔压时程曲线。可见，制备试样，施加静力荷载，施加动荷载和测试动应力、动孔压、动应变的时程变力荷载，施加动荷载和测试动应力、动孔压、动应变的时程
24、变化是动三轴实验的几个重要环节。化是动三轴实验的几个重要环节。1）试样制备）试样制备 试样制备是实验研究中一个关键性的环节，它必须解决试样制备是实验研究中一个关键性的环节，它必须解决好试样的成型、密度、饱和度和均匀性问题。好试样的成型、密度、饱和度和均匀性问题。（1）试样的成型应满足实验仪器的要求。试样的成型应满足实验仪器的要求。（2）为使试样达到预定的密度，常用在一定试样体积为使试样达到预定的密度，常用在一定试样体积 内内装入相应干砂重的方法来控制，也可先将饱和处理过装入相应干砂重的方法来控制，也可先将饱和处理过 的砂按一定的方法装满样模。的砂按一定的方法装满样模。（3 3）试样的饱和度对实
25、验结果影响很大。试样的饱和度对实验结果影响很大。（4 4）试样的均匀性包块粒度、密度和结构各方面的均试样的均匀性包块粒度、密度和结构各方面的均 匀性，它对孔压的发展影响很大。匀性，它对孔压的发展影响很大。（5 5）试样周围橡皮膜嵌入的情况会对实验成果有影响，试样周围橡皮膜嵌入的情况会对实验成果有影响，必须重视。必须重视。2）施加静荷载）施加静荷载 施加静荷载就是在试样的侧向和轴向按照要求控制的固施加静荷载就是在试样的侧向和轴向按照要求控制的固结应力状态施加侧向压力和轴向压力。结应力状态施加侧向压力和轴向压力。3）施加动荷载施加动荷载 施加动荷载要在试样完全固结后进行。施加动荷载要在试样完全固结
26、后进行。4）测算动应力、动孔压、动应变的时程变化测算动应力、动孔压、动应变的时程变化 动应力、动孔压、动应变的时程比阿奴啊是实验的基本动应力、动孔压、动应变的时程比阿奴啊是实验的基本成果。成果。3.3.动三轴实验的成果整理动三轴实验的成果整理 土的动力特性一般是指土在一定的粒度、密度、结构和静土的动力特性一般是指土在一定的粒度、密度、结构和静力与排水条件下，经受某动应力作用时发展动孔压、动变形和力与排水条件下，经受某动应力作用时发展动孔压、动变形和动强度的特性规律和河里表征它们的特性参数，那么上述任何动强度的特性规律和河里表征它们的特性参数，那么上述任何一个条件的变化均会导致动孔压、动变形和动
27、强度在量上甚至一个条件的变化均会导致动孔压、动变形和动强度在量上甚至在质上发生变化，因此它是一个复杂的问题。在质上发生变化，因此它是一个复杂的问题。1）动孔压的发展规律）动孔压的发展规律 在动应力作用过程中，动孔压是既波动变化，又单调在动应力作用过程中，动孔压是既波动变化，又单调增长的。增长的。从孔压的波动变化来看，它在波动初期会显示出于动从孔压的波动变化来看，它在波动初期会显示出于动应力同相位变化的特点，反映出土在该段为弹性变行为主，应力同相位变化的特点，反映出土在该段为弹性变行为主，当出现非弹性变形之后，同相位变化的特性被打破，当出现非弹性变形之后，同相位变化的特性被打破，应变滞后于应力，
28、并出现凹槽，反映土的剪胀剪缩特行。应变滞后于应力，并出现凹槽，反映土的剪胀剪缩特行。从单调增加的残余孔压来看，土由于受到振动而引起的结从单调增加的残余孔压来看，土由于受到振动而引起的结构衰减使动孔压逐渐上升，试样中发展的最大动孔压可以小于构衰减使动孔压逐渐上升，试样中发展的最大动孔压可以小于或等于侧向固结压力。或等于侧向固结压力。2）动应变的发展规律）动应变的发展规律 在动应力作用过程中，土的动应变也会经历一个类似动在动应力作用过程中，土的动应变也会经历一个类似动孔压发展的增长过程。孔压发展的增长过程。（1）在一定的动应力下，动应变要随振动次数的增大在一定的动应力下，动应变要随振动次数的增大而
29、增大。而增大。（2）在一定振次下，动应力在一定振次下，动应力动应变曲线接近双曲线，动应变曲线接近双曲线，一般称之为骨干曲线，它表明了土的非线性。一般称之为骨干曲线，它表明了土的非线性。（3）在一个振次内，动应力与动应变都在变化，但动应在一个振次内，动应力与动应变都在变化，但动应变的发展将滞后于动应力的作用，表明了土的滞后性，称为滞变的发展将滞后于动应力的作用，表明了土的滞后性，称为滞回曲线。回曲线。3）动强度的变化规律）动强度的变化规律 在动应力作用过程中，动孔压的增大和动应变的增大都在动应力作用过程中，动孔压的增大和动应变的增大都说明土的原有强度在逐渐减小，不同的动应力下有一个与之相说明土的原有强度在逐渐减小，不同的动应力下有一个与之相对应的剩余强度。对应的剩余强度。到孔压等于侧向固结压力或动应变明显增大的时刻，标志着土到孔压等于侧向固结压力或动应变明显增大的时刻，标志着土的剩余强度大幅度丧失。的剩余强度大幅度丧失。
