第8章 土动力特性的测试设备与测试方法

广东工业大学岩土工程研究所12020/2/17第八章土动力特性的测试设备与测试方法广东工业大学岩土工程研究所22020/2/17土动力学的产生和发展与实验测试密切相关。土在动荷作用下的变形、强度发展规律以及表征这些特征的基本指标必须通过室内或现场的准确测试，才能认识或确定。测试设备、测试方法和测试技术是试验成果可靠性的关键。第一节概述广东工业大学岩土工程研究所32020/2/171土动力特性的试验内容土动力特性试验包括室内试验和现场试验，内容为：（1）将土的试样按照要求的湿度、密度、结构和应力状态制备于一定的试样容器之中（现场试验时即为现场土的实际件）；（2）施加不同形式和不同强度的振动荷载作用；（3）测量出在振动作用下试样的应力和应变；（4）对图形和有关指标的变化规律作出定性和定量的判断。广东工业大学岩土工程研究所42020/2/172土动力特性试验的组成部分土动力特性试验包括：（1）试样成型（2）激振（加动载）（3）量测以上三部分是有机联系的整体。相应的成样设备、激振设备和量测设备三大系统构成了土动力试验的基础。广东工业大学岩土工程研究所52020/2/17（1）成样设备系统（2）激振设备系统按工作原理分为：机械式激振、电磁式激振、电动－液压式激振和气动式激振。目前，常用的是电磁式激振和电动－液压式激振。（3）量测设备系统传感器、放大器和量测器是量测设备系统的基本器件，构成了电测的基本系统。2土动力特性试验的组成部分广东工业大学岩土工程研究所62020/2/17第二节室内测试的设备与方法1.常规动三轴试验2.共振柱三轴试验3.室内模型试验广东工业大学岩土工程研究所72020/2/172.1常规动三轴试验（一）试验方案土性条件：主要模拟所研究土体实际的粒度、湿度、密度和结构；动力条件：主要模拟动力作用的波型、方向、频幅和持续时间；应力条件：主要模拟土在静、动条件下实际所处的应力状态；边界条件：主要模拟由于土的不同排水边界对于地震作用下孔压发展实际速率的影响。广东工业大学岩土工程研究所82020/2/172.1常规动三轴试验（二）试样制备成型：为试验制备一个适宜于三轴试验的圆柱形试样；密度：使试样达到预定的密度；饱和：使试样达到最好的饱和度；均匀性：使试样的上下均匀一致。广东工业大学岩土工程研究所92020/2/172.1常规动三轴试验（三）试验方法制备试样：要成型一个粒度、密度、饱和度和均匀性都符合要求的圆柱形试样；施加静荷：在试样的侧向和轴向按照要求控制的应力状态施加一定的侧向压力和轴向压力；施加动荷：在试样完全固结后施加动应力；测记参数：在试验过程中对各试验量值进行量测记录，形成振动三轴试验记录表格，以供试验成果整理分析。广东工业大学岩土工程研究所102020/2/172.1常规动三轴试验（四）试验成果1、动模量：振动三轴试验测定的是动弹性压缩模量Ed，动剪切模量Gd可由Ed之间的关系换算得出；2、阻尼比：确定阻尼比时，先从每个试验记录具有代表性的波形中选取一个周期，求出此一周内不同时刻对应的动应力和动应变，作出动应力－动应变滞回曲线，然后再求出滞回圈的面积和三角形的面积，即可算得阻尼比；广东工业大学岩土工程研究所112020/2/172.1常规动三轴试验3、动强度：动强度是一定振动循环次数下使试样产生破坏动应变时的振动剪应力。可作出动摩尔库仑包线，进而求出动强度指标；4、动变形：土在动荷作用下的变形特性通常表示为轴向动应变εd与振动次数N的关系。利用动三轴试验资料，还可以根据研究的需要作出多种形式的整理分析。广东工业大学岩土工程研究所122020/2/172.2共振柱三轴试验试验方法及原理共振柱三轴试验是在一定湿度、密度和应力条件下的土柱（实心或空心）上，施加纵向振动或扭转型振动，并逐级改变驱动频率，测出土柱的共振频率，再切断动力，测记出振动衰减曲线。然后，根据这个共振频率以及试样的几何尺寸和端部约束条件，计算出试样的动模量或动剪模量，根据衰减曲线计算出阻尼比。广东工业大学岩土工程研究所132020/2/172.3室内模型试验试验方法及原理模型试验是一种研究土体动力特性的重要方法，它是将原型土体的尺寸按一定几何比尺缩小为模型后，对其按要求的相似条件选定材料，施加静动荷载，测定出应力、应变，最后反算到原型。模型试验包括普通模型试验和离心模型试验。广东工业大学岩土工程研究所142020/2/17第三节现场测试的设备与方法现场测试是研究土动力特性和土体动力稳定性的重要手段。现场测试的途径：1、在现场激振，产生动荷作用条件，测定土的实际性状，探讨土性指标及应力应变规律。这类的方法包括波速试验、波动试验、动力载荷试验及动力旁压试验等。2、原型观测：在实际的土性和动荷条件下进行。3、实录分析：在实际的土性和动荷条件下进行。4、搜集资料进行统计分析。广东工业大学岩土工程研究所152020/2/173.1波速试验现场波速法的原理：根据测得的振源与接收器之间的距离和剪切波（或压缩波）到达接收点经过的时间算出波速，然后求出弹性模量。波速法按其激振和接收方式的不同分为：表面地震法（直达波法和反射波法）、钻孔检波法（上孔法、下孔法）和跨孔法（双孔法和多孔法）。目前常用跨孔法。广东工业大学岩土工程研究所162020/2/173.2波动试验波动试验是在现场设置基础上，安装激振器作为振源，由振源出发布置几条测线，沿测线在以不同距离布置一系列测点，记录每个测点上的振动波形，据以测定剪切波速和波在土中的衰减系数。广东工业大学岩土工程研究所172020/2/173.3动力载荷试验动力载荷试验：（1）准备：①在刚性板上安装激振器，要求板和激振器的重量至少在地基上产生6.06kPa的应力；②调整振动器的频率，使其达到预定的动应力强度和振动频率。（2）施加静荷载：用重物在板上加静荷，观测变形，直至稳定。（3）施加动荷载：静载变形稳定后开始振动，使其运行N周，测出板的沉陷量，从而确定基础的沉陷量。动力载荷试验也可测定土的原位剪切模量。3.4动力旁压试验旁压仪下端的探头为一带孔的金属圆筒，下端用圆筒形薄膜包裹。当受静压时，探头即可膨胀，堵住钻孔。当液压马达带动液压活塞往复运动时，即向钻孔施加动压力。动压力的大小由伺服控制器调节，由压力传感器量测。体积的变化由位移传感器量测。动力旁压试验可以求得土体的等效剪切模量和等效阻尼比。