29 振动三轴试验

29.1  一 般 规 定

29.1.1      土样应为饱和的细粒土或砂土，其他粗粒土也可参照执行。

29.1.2      动强度(或抗液化强度)特性试验宜采用固结不排水振动  试验条件。动力变形特性试验宜采用固结不排水振动试验条件。 动残余变形特性试验宜采用固结排水振动试验条件。

29.2  仪 器 设 备

29.2.1      本试验所用的主要仪器设备应符合下列规定：

1    振动三轴仪：按激振方式可分为惯性力式、电磁式、电液伺服式及气动式等振动三轴仪。其组成包括主机、静力控制系统、动力控制系统、量测系统、数据采集和处理系统。

1)主机(图29.2.1):包括压力室和激振器等；

2)静力控制系统：用于施加周围压力、轴向压力、反压力，包 括储气罐、调压阀、放气阀、压力表和管路等；

3)动力控制系统：用于轴向激振，施加轴向动应力，包括液 压油源、伺服控制器、伺服阀、轴向作动器等。要求激振 波形良好，拉压两半周幅值和持时基本相等，相差应小于 1 0 % ;

4)量测系统：由用于量测轴向载荷、轴向位移及孔隙水压力的传感器等组成；

5)计算机控制、数据采集和处理系统：包括计算机，绘图和打印设备，计算机控制、数据采集和处理程序等；

6)整个设备系统各部分均应有良好的频率响应，性能稳定，误差不应超过允许范围。

2 附属设备应符合本标准第19.2.1条第2款的规定。

3    天平：称量200g, 分度值0.01g; 称量1000g, 分度值0.1g。

29.2.2     压力室、静力控制系统、孔隙水压力量测系统的检查应符 合本标准第19.2.2条第1款～第3款的规定。

图29.2.1 液压伺服单向激振式振动三轴仪

29.3 操 作 步 骤

29.3.1     试样制备应符合下列规定：

1   本试验采用的试样最小直径为39. 1mm, 直径为 101mm, 高度以试样直径的2倍～2.5倍为宜；

2   原状土样的试样制备应按本标准第19.3.1条第2款的规定进行；

3   扰动土样的试样制备应按本标准第19.3.1条第3款的规定进行；

4    砂土试样制备应按本标准第19 . 3 . 1 条 第 4 款 的 规 定 进行；

5   对填土，宜模拟现场状态用密度控制。对天然地基，宜用 原状试样。

29.3.2      试样饱和应符合下列规定：

1    抽气饱和应按本标准第19.3.2条第1款的规定进行；

2    水头饱和应按本标准第19.3.2条第2款的规定进行；

3    反压力饱和应按第19.3.2条第3款的规定进行。

29.3.3      试样安装应符合下列规定：

1    打开供水阀，使试样底座充水排气，当溢出的水不含气泡时，应按本标准第19.5.1条第1款～第6款的规定安装试样；

2   砂样安装在试样制备过程中完成。

29.3.4       试样固结应符合下列规定：

1    等向固结应先对试样施加20kPa  的侧压力，然后逐级施加均等的周围压力和轴向压力，直到周围压力和轴向压力相等并 达到预定压力；

2    不等向固结应在等向固结变形稳定后，逐级增加轴向压 力，直到预定的轴向压力，加压时勿使试样产生过大的变形；

3    对施加反压力的试样应按本标准第19.3.2条第3款的规 定施加反压力；

4    施加压力后打开排水阀或体变管阀和反压力阀，使试样排 水固结。固结稳定标准，对黏土和粉土试样，1h 内固结排水量变化 不大于0.1cm³,砂土试样等向固结时，关闭排水阀后5min 内孔隙压 力不上升；不等向固结时，5min 内轴向变形不大于0.005mm;

5    固结完成后关排水阀，并计算振前干密度。

29.3.5      动强度(抗液化强度)试验应按下列步骤进行：

1    动强度(抗液化强度)试验为固结不排水振动三轴试验，试验中测定应力、应变和孔隙水压力的变化过程，根据一定的试样破坏标准，确定动强度(抗液化强度)。破坏标准可取应变等于5% 或孔隙水压力等于周围压力，也可根据具体工程情况选取。

2  试样固结好后，在计算机控制界面中设定试验方案，包括 动荷载大小、振动频率、振动波形、振动次数等。动强度试验宜采 用正弦波激振，振动频率宜根据实际工程动荷载条件确定振动频率，也可采用1.0Hz。

3  在计算机控制界面中新建试验数据存储的文件。

4  关闭排水阀，并检查管路各个开关的状态，确认活塞轴上、 下锁定处于解除状态。

5  当所有工作检查完毕，并确定无误后，点击计算机控制界 面的开始按钮，试验开始。

6    当试样达到破坏标准后，再振5周～10周左右停止振动。

7  试验结束后卸掉压力，关闭压力源。

8  描述试样破坏形状，必要时测定试样振后干密度，拆除试样。

9    对同一密度的试样，可选择1个～3个固结比。在同一 固结比下，可选择1个～3个不同的周围压力。每一周围压力下 用4个～6个试样。可分别选择10周、20周～30周和100周等 不同的振动破坏周次，应按本标准第29 .3 . 5条的规定进行试验。

10   整个试验过程中的动荷载、动变形、动孔隙水压力及侧压 力由计算机自动采集和处理。

29.3.6      动力变形特性试验应按下列步骤进行：

1    在动力变形特性试验中，根据振动试验过程中的轴向应力 和轴向动应变的变化过程和应力应变滞回圈，计算动弹性模量和 阻尼比。动力变形特性试验一般采用正弦波激振，振动频率可根据工程需要选择确定。

2   试样固结好后，在计算机控制界面中设定试验方案，包括 振动次数、振动的动荷载大小、振动频率和振动波形等。

3    在计算机控制界面中新建试验数据存储的文件。

4    关闭排水阀，检查管路各个开关的状态，确认活塞轴上、下 锁定处于解除状态。

5    当所有工作检查完毕，并确定无误后，点击计算机控制界 面的开始按钮，分级进行试验。试验过程中由计算机自动采集轴 向动应力、轴向变形及试样孔隙水压力等的变化过程。

6    试验结束后，卸掉压力，关闭压力源。

7    在需要时测定试样振后干密度，拆除试样。

8   在进行动弹性模量和阻尼比随应变幅的变化的试验时，一 般每个试样只能进行一个动应力试验。当采用多级加荷试验时， 同一干密度的试样，在同一固结应力比下，可选1个～5个不同的  侧压力试验，每一侧压力用3个～5个试样，每个试样采用4级~  5级动应力，宜采用逐级施加动应力幅的方法，后一级的动应力幅  值可控制为前一级的2倍左右，每级的振动次数不宜大于10次， 应按本条的规定进行试验。

9    试验过程的试验数据由计算机自动采集、处理，并根据所 采集的应力应变关系，画出应力应变滞回圈，整理出动弹性模量和 阻尼比随应变幅的关系曲线。

29.3.7      动力残余变形特性试验应按下列步骤进行：

1    动力残余变形特性试验为饱和固结排水振动试验。根据 振动试验过程中的排水量计算其残余体积应变的变化过程，根据振动试验过程中的轴向变形量计算其残余轴应变及残余剪应变的 变化过程。

2    动力残余变形特性试验一般采用正弦波激振，振动频率可 根据工程需要选择确定。

3    试样固结好后，在计算机控制界面中设定试验方案，包括 动荷载、振动频率、振动次数、振动波形等。

4    在计算机控制界面中新建试验数据存储的文件。

5    保持排水阀开启，并检查管路各个开关的状态，确认活塞轴上、下锁定处于解除状态。

6  当所有工作检查完毕，并确定无误后，点击计算机控制界 面的开始按钮，试验开始。

7  试验结束后，卸掉压力，关闭压力源。

8  在需要时测定试样振后干密度，拆除试样。

9  对同一密度的试样，可选择1个～3个固结比。在同一 固 结比下，可选择1 个～3个不同的周围压力。每一周围压力下用 3个～5个试样，应按本条的规定进行试验。

10  整个试验过程中的动荷载、侧压力、残余体积和残余轴 向变形由计算机自动采集和处理。根据所采集的应力应变(包 括体应变)时程记录，整理需要的残余剪应变和残余体应变模型 参数。

29.4  计算、制图和记录

29.4.1  试样的静、动应力指标应按下列规定计算：

1  固结应力比应按下式计算：

(29.4.1-1)

式中：K_c—— 固结应力比；

——有效轴向固结应力(kPa);

— — 有效侧向固结应力(kPa);

σ_1c   —— 轴向固结应力(kPa);

σ_3c  —— 侧向固结应力(kPa);

u₀——初始孔隙水压力(kPa)。

2  轴向动应力应按下式计算：

(29.4.1-2)

式中：σ_d —— 轴向动应力(kPa);

W_d—— 轴向动荷载(N);

A_c—— 试样固结后截面积(cm²)。

3  轴向动应变应按下式计算：

 (29.4.1-3)

式中：ε_d——  轴向动应变(%);

△h_d——轴向动变形(mm);

h_d—— 固结后试样高度(mm)。

4  体积应变应按下式计算：

 (29.4.1-4)

式中：ε_v——体积应变(%);

△V——试样体积变化，即固结排水量(cm³);

V_c—— 试样固结后体积(cm³)。

29.4.2  动强度(抗液化强度)计算应在试验记录的动应力、动变形和动孔隙水压力的时程曲线上，根据本标准第29.3.5条第1款 规定的破坏标准，确定达到该标准的破坏振次。相应于该破坏振次试样45°面上的破坏动剪应力比应按下列公式计算：

(29.4.2-1)

 (29.4.2-2)

 (29.4.2-3)

式中： —— 试样45°面上的破坏动剪应力比；

σ_d——试样轴向动应力(kPa);

τ_d—— 试样45°面上的动剪应力(kPa);

——试样45°面上的有效法向固结应力(kPa); 

—— 有效轴向固结应力(kPa);

——有效侧向固结应力(kPa)。

29.4.3  动强度试验的试验曲线可按下列规定进行绘图：

1  对同一固结应力条件进行多个试样的测试，以破坏动剪应力比R_f为纵坐标，破坏振次 N_f为横坐标，在单对数坐标上绘制破坏动剪应力比与破坏振次N_f的关系曲线；

2  对于工程要求的等效破坏振次 N, 可根据破坏动剪应力比与破坏振次 N_f 的曲线确定相应的破坏动剪应力比( )N,   并可根据工程需要，按不同表示方法，整理出动强度(抗液化强度)特性指标；

3  在对动孔隙水压力数据进行整理时，可取动孔隙水压力的 峰值；也可根据工程需要，取残余动孔隙水压力值；

4  当由于土的性能影响或仪器性能影响导致测试记录的孔 隙水压力有滞后现象时，可对记录值进行修正后再作处理；

5  以动孔隙水压力为纵坐标，以振次为横坐标，根据试验结 果在单对数坐标上绘制动孔隙水压力比与振次的关系曲线；

6  以动孔压比为纵坐标，以破坏振次N_f为横坐标，绘制振次 比与动孔压比的关系曲线；

7  对于初始剪应力比相同的各个试验，可以动孔压比为纵坐 标，以动剪应力比为横坐标，绘制在固定振次作用下的动孔压比与 动剪应力比的关系曲线；也可根据工程需要，绘制不同初始剪应力 比与不同振次作用下的同类关系曲线。

29.4.4  动弹性模量和阻尼比应按下列公式计算：

1  动弹性模量：

(29.4.4-1)

式中：^E_d—— 动弹性模量(kPa);

σ_d——轴向动应力(kPa);

ε_d——轴向动应变(%)。

2  阻尼比λ:

(29.4.4-2)

 式中：λ——阻尼比；

A_z——滞回圈 ABCDA(图29.4.4-1)的面积(cm²);

A_s—— 三角形 OAE 的面积(cm²)。

图29.4.4-1  应力应变滞回圈

3 动弹性模量和动剪切模量及动轴向应变幅和动剪应变幅 之间，可按下列公式进行换算：

              (29.4.4-3)

                       (29.4.4-4)

式中：G_d——动剪切模量(kPa);

μ——泊松比；

γ_d——动剪应变(%)。

4 动弹性模量可按下列规定求得：绘制ε_d/σ_d(即1/E_d) 与动应变ε_d的关系曲线(图29.4.4-2),将曲线切线在纵轴上的截 距的倒数作为动弹性模量。有条件时，可将在微小应变(ε_d≤  1×10^-5)测得的动弹性模量作为动弹性模量。

图29.4.4-2 动弹性模量的确定示意图

29.4.5       残余变形计算应根据所采用计算模型和计算方法要求， 对每个试样试验可分别整理残余体积应变、残余轴应变与振次关  系曲线。

29.4.6       动强度(抗液化强度)试验记录和计算格式应符合本标准 附录 D 表 D.49、 表 D.50 的规定。动弹性模量和阻尼比试验记录 和计算格式应符合本标准附录 D 表 D.51、 表 D.52的规定。动残余变形特性试验记录和计算格式应符合本标准附录D表D.53、表D.54的规定。