動三軸試驗與應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)動三軸試驗原理與應(yīng)用 史劍摘要: 建筑物地基和土工建筑物在動荷載作用下發(fā)生振動，土的強(qiáng)度和變形特性都要受到影響，在不同動荷載下土的強(qiáng)度和變形各不相同，其共同特點是都將受到加荷速率和加荷次數(shù)的影響。土體動態(tài)測試技術(shù)，直接影響著土動力特性研究和土體動力分析計算的發(fā)展，起著正確揭示土的動力特性規(guī)律和完善分析計算理論的重要作用，是土動力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。應(yīng)用動三軸試驗測試土的動力特性指標(biāo)，是土工試驗中較先進(jìn)的試驗手段，在我國已逐步得到推廣應(yīng)用。利用動三軸試驗可以確定土的各項動力參數(shù)

2、，應(yīng)用這些參數(shù)進(jìn)行土的穩(wěn)定性分析計算等問題，可以更好地為工程建設(shè)服務(wù)。關(guān)鍵詞：動三軸、試驗原理、試驗操作、試驗結(jié)果、影響因素、試驗應(yīng)用概述地震是我們這個星球地質(zhì)運動的一部分，我們必須想辦法保護(hù)自己，是自己不受到傷害，可以應(yīng)用好的工程學(xué)原理來減輕地震運動對結(jié)構(gòu)物的危害。另外，我們還需要評估土層的特性。無論是已有建筑還是待建建筑都可以通過結(jié)構(gòu)物間的良好連接來減少振動造成的危害。引起土體振動的振源可分為天然振源和人工振源兩種。地震、波浪力、風(fēng)力都是天然振源，交通荷載、爆炸、打樁、機(jī)器基礎(chǔ)都是人工振源，這些振源的振動頻率、振動次數(shù)和振動波形各不相同。天然振源發(fā)生隨機(jī)振動的激振力，人工振源有隨機(jī)振動也有

3、周期性振動。例如爆炸等瞬時荷載引起的振動是隨機(jī)的，連續(xù)運轉(zhuǎn)的機(jī)器引起的振動是周期性的。在不同動荷載下土的強(qiáng)度和變形各不相同，其共同特點是都受到加荷速率和加荷次數(shù)的影響。動荷載都是在很短的時間內(nèi)施加，一般是百分之幾秒到十分之幾秒，爆炸荷載只有幾毫秒。土在快速加荷下，強(qiáng)度比靜荷載時提高，變形比靜荷載時減小，如果荷載在數(shù)十秒時間內(nèi)保持不變，就可以不考慮加荷速率的影響，作為靜力問題處理。動力荷載一般是往復(fù)多次施加或周期性連續(xù)作用，與靜荷載是一次加上不同，隨著加荷次數(shù)增多。松砂將因引起體積壓縮而密實，在不排水條件下則發(fā)生孔隙水壓力上升而強(qiáng)度下降，甚至發(fā)生振動液化，所以土在動荷載作用下要考慮加荷次數(shù)的影響

4、5。土動力特性室內(nèi)試驗，是將土的試樣按照要求的濕度、密度、結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)制備于一定試樣容器之中，然后施加不同形式和不同強(qiáng)度的振動荷載作用，再量測在振動作用下試樣的應(yīng)力和應(yīng)變，從而對土性和有關(guān)指標(biāo)的變化規(guī)律作出定性和定量的判斷。由于土動力問題研究的應(yīng)變范圍很大，需要用不同的測試方法來確定土動力計算中所用的特性參數(shù) 1。室內(nèi)試驗主要有動三軸試驗、振動剪切試驗、共振柱試驗、振動臺試驗和離心模型試驗。動三軸試驗原理分析動三軸試驗是從靜三軸試驗發(fā)展而來的，它利用與靜三軸試驗相似的軸向應(yīng)力條件，通過對試樣施加模擬的動主應(yīng)力，同時測得試樣在承受施加的動荷載作用下所表現(xiàn)的動態(tài)反應(yīng)。這種反應(yīng)是多方面的，最基本和

5、最主要的是動應(yīng)力(或動主應(yīng)力比)與相應(yīng)的動應(yīng)變的關(guān)系(dd或1/3d)，動應(yīng)力與相應(yīng)的孔隙壓力的變化關(guān)系(dd)。根據(jù)這幾方面的指標(biāo)相對關(guān)系，可以推求出巖土的各項動彈性參數(shù)及粘彈性參數(shù)，以及試樣在模擬某種實際振動的動應(yīng)力作用下表現(xiàn)的性狀，例如飽和砂土的振動液化等。動三軸試驗主要將一定密度和含水率的試樣在固結(jié)穩(wěn)定后在不排水條件下作振動試驗。設(shè)定某一等幅動應(yīng)力作用于試樣進(jìn)行持續(xù)振動，直到試樣的應(yīng)變值或孔壓值達(dá)到預(yù)定的破壞標(biāo)準(zhǔn)，試驗終止。記錄試驗中的動應(yīng)力、動應(yīng)變和孔壓值隨振動周次的變化過程線。采用多個試樣得到動應(yīng)力和破壞周數(shù)的關(guān)系曲線，即動強(qiáng)度曲線。在地震荷載作用下，進(jìn)行地面動力反應(yīng)分析時，需要確

6、定小應(yīng)變下的剪切模量和阻尼比；在大應(yīng)變時需確定土的動強(qiáng)度。土在動荷載作用下，土的應(yīng)力、應(yīng)變及孔隙壓力隨時間（振動次數(shù)）而變，動強(qiáng)度是經(jīng)一定振動次數(shù)后試樣達(dá)到破壞的振動剪應(yīng)力，振動剪應(yīng)力與破壞周數(shù)的關(guān)系曲線稱為動強(qiáng)度曲線。測定動模量和阻尼比的方法：作用于試樣的軸向動 應(yīng)力從小幅值開始逐級增大作振動試驗，當(dāng)應(yīng)變波 形明顯不對稱或孔壓明顯增大時，試驗終止。記錄 試驗過程中每級荷載的動應(yīng)力和動應(yīng)變曲線，或直接記錄應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈曲線，用以確定各動應(yīng)變時的動模量和阻尼比。動三軸試驗便于施加各種應(yīng)力以適應(yīng)工程實際，對各類土制樣方便，可精確控制應(yīng)力和應(yīng)變，測定孔壓變化，試驗設(shè)備和操作方法；但是三軸儀加荷條件

7、與現(xiàn)場地震應(yīng)力條件差別很大，施加軸向循環(huán)荷載時難以保證壓半周時軸向為大主應(yīng)力方向，拉半周時軸向為小主應(yīng)力方向，每一加荷周期主應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動90度。動三軸試驗分類三軸試驗分為靜三軸與動三軸兩種。靜三軸試驗是在三向靜應(yīng)力作用下，根據(jù)莫爾一庫倫破壞堆則確定土的強(qiáng)度參數(shù)凝聚力和內(nèi)摩擦角。動三軸與靜三軸不同，它被用來測定上在三向動應(yīng)力作用下的動力特性指標(biāo)。50年代末黃文熙教授最早提出用振動三軸儀測試砂土液化的方法，并進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究。60年代國外用周期加荷三軸儀研究砂土液化及其他動力特性，并得到了很大的發(fā)展，至今周期加荷三軸儀已成為應(yīng)用廣泛的一種室內(nèi)動力測試儀器5。在室內(nèi)測定上的動力特性指標(biāo)，除了振動

8、三軸試驗外，還有振動單剪試驗、共振柱試驗、振動扭剪試驗等。另外，尚有采用測定波在土體中的傳播速度，以計算土的彈性模量的方法。以上各種試驗方法，各有優(yōu)缺點，而且每種試驗，只能在有限的應(yīng)變范圍內(nèi)進(jìn)行。應(yīng)用較普遍的是振動三軸儀，測量的動應(yīng)變幅度一般應(yīng)大于10-4。振動扭剪試驗，可直接測定土的剪切模量。共振柱試驗，主要被用來測定小應(yīng)變范圍內(nèi)的模量和阻尼比；當(dāng)需求土層各種不同應(yīng)變水平的剪切模量時，它乃是不可缺少的試驗項目。 振動三軸試驗，不僅要將現(xiàn)場土體的靜應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行模擬，而且還要將實際地震波按震級大小進(jìn)行簡化模擬，按動荷載施加。在迸行土的動強(qiáng)度試驗時，不但要了解上的動力學(xué)基本理論和砂土的液化機(jī)理，而

9、且還要了解土體的應(yīng)力狀態(tài)和極限平衡原理。采用單向激振式三軸儀進(jìn)行飽和砂土的抗液化強(qiáng)度試驗，搞清楚西特所提的試驗方法與原理是十分重要的。關(guān)于西特方法的原理，準(zhǔn)備以后結(jié)合砂王的抗液化強(qiáng)度試驗講述。當(dāng)然，三軸試驗?zāi)M土體的應(yīng)力狀態(tài)，與現(xiàn)場條件還不完全一致。雖然不夠理想，但由于使用方便，因此，仍然得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)儀器結(jié)構(gòu)的不同，蘭軸儀分為采用圓柱體試件(即2=3)和立方體試件(123)兩種情況。三向主應(yīng)力都不相等的三軸儀稱為真三軸儀，目前多采用圓柱體試件進(jìn)行試驗，即2=32。動三軸試驗儀器與試驗過程4.1. 試驗設(shè)備振動三軸儀一般包括壓力室、激振設(shè)備和量測設(shè)備三個系統(tǒng)。振動三軸儀的壓力室與靜三軸

10、儀的壓力室基本相同，結(jié)構(gòu)材料、密封型式也大體一樣。在量測設(shè)備方面，振動三軸儀要比靜三軸儀復(fù)雜一些。振動三軸儀的量測記錄，一般采用電測設(shè)備，即將動力作用下的動孔隙水壓力、動變形和動應(yīng)力的變化，通過傳感器轉(zhuǎn)換成電量或電參數(shù)的變化，再經(jīng)過放大，推動光電示波器的振子偏轉(zhuǎn)，引起光點移動，并在紫外線感光紙帶上分別記錄下來。振動三軸儀的激振設(shè)備，根據(jù)產(chǎn)生激振力方式的不同，可以分為電一磁激振式、慣性力振動式和電一氣激振式等類型。每種類型又分為單向激振和雙向激振兩種。單向激振（常側(cè)壓動三軸）：保持試樣所受的水平軸向應(yīng)力恒定，周期性改變豎向軸壓大??；雙向激振（變側(cè)壓動三軸）：同時施加軸向和徑向循環(huán)荷載，并可以通過

11、控制荷載的大小和相位差來改變土體的受力。4.2. 試驗操作 1、3試樣制備：對于原狀樣，可以直接使用切樣器切樣，試樣的兩端面應(yīng)平整互相平行，試樣側(cè)面應(yīng)保持垂直并且上下均勻，在切樣過程中，若試樣表面因遇礫石而成孔洞，允許用切削下的余土填補(bǔ)；對于特別堅硬的和很不均勻的土樣 如不易切成平整均勻的圓柱體時，允許切成與規(guī)定直徑接近的柱體，按所需試樣高度將上下兩端削平，并稱取質(zhì)量，然后包上橡皮膜。用浮稱法稱試樣的質(zhì)量，并換算出試樣的體積和平均直徑。對于擾動土，砂土、粉砂等無粘性土可以采用濕法成型，黏性土可以采用擊實成型法。2、試樣固結(jié)：靜三軸加壓方式：由于加壓活塞與試樣間為點接觸，加3時軸向1同步加上，即

12、1=3；而動三軸的加壓方式則是加壓活塞和試樣相連，1和3需分開施加。一般先加3，在加上3之前將活塞固定，以免加3時試樣受側(cè)向擠壓向上變形而破壞。然后施加1。加荷完畢，松開活塞，開始固結(jié)。對于等壓固結(jié)，即固結(jié)應(yīng)力比K=1。先對試樣施加20kPa的側(cè)壓力，然后逐級施加均等的側(cè)向壓力和軸向壓力。直到側(cè)向壓力和軸向壓力相等并達(dá)到預(yù)定壓力。而不等壓固結(jié)，則固結(jié)應(yīng)力比K1。應(yīng)在等向固結(jié)變形穩(wěn)定后，逐級增加軸向壓力，直到預(yù)定的軸向壓力，加壓時勿使試樣產(chǎn)生過大的變形。反壓施加方法與常規(guī)三軸類似，施加反壓后打開排水閥或體變閥和反壓閥，使試樣排水固結(jié)。固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是對粘土和粉土試樣，1h內(nèi)固結(jié)排水量變化不大于0.

13、1cm3；砂土試樣等向固結(jié)時，關(guān)閉排水閥后5min內(nèi)孔壓不上升；不等向固結(jié)時，5min內(nèi)軸向變形不大于0.005mm。固結(jié)完成后關(guān)排水閥，并計算振前干密度。3. 施加動應(yīng)力：對于動強(qiáng)度試驗，設(shè)定某一動應(yīng)力d1，啟動激振力并同時打開記錄儀，記錄應(yīng)力、應(yīng)變和孔壓變化過程線，當(dāng)應(yīng)變值達(dá)到應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)（通常應(yīng)變達(dá)5%）或孔壓達(dá)到側(cè)壓(ud=3)，即切斷激振力并停止記錄；在d1作用下經(jīng)振動Nf1周達(dá)到破壞。對相同條件的另一試樣，用另一動應(yīng)力d2進(jìn)行試驗，得到試樣的破壞周數(shù)Nf2；同樣再對另外幾個試樣分別在動應(yīng)力d3和d4下，得到破壞周數(shù)Nf3和Nf4。繪制動剪應(yīng)力與破壞周數(shù)的關(guān)系曲線，或稱動強(qiáng)度曲線或抗

14、液化強(qiáng)度曲線(d/2Nf)，同時應(yīng)標(biāo)明試樣密度、試驗側(cè)壓力、固結(jié)應(yīng)力比以及破壞標(biāo)準(zhǔn)。(d/2：三軸試樣在45度面上的剪應(yīng)力d= d/2)。試樣的破壞周數(shù)控制在46周、1015周、2030周、5070周范圍內(nèi)。太大，剛開始即破壞，定不出周數(shù)；太小，則振動200300周也不壞。對同一密度的試樣，宜選擇13個固結(jié)比。在同一固結(jié)比下，應(yīng)選擇13個不同的側(cè)壓力。每一側(cè)壓力下用34個試樣，選擇不同的振動破壞周次（10周，2030周和100周左右）進(jìn)行試驗。對于動變形特性（動模量和阻尼比）試驗，在不排水條件下對試樣施加動應(yīng)力，記錄動應(yīng)力、動應(yīng)變和動孔壓。繪制動應(yīng)力和動應(yīng)變滯回圈，直到預(yù)定振次時停機(jī)，拆樣。并

15、計算動壓縮模量和阻尼比。同一干密度的試樣，在同一固結(jié)應(yīng)力比下，應(yīng)在13個不同側(cè)壓力下試驗，每一側(cè)壓力，宜用56個試樣，改變56級動力4。試驗結(jié)果整理與影響因素5.1. 試驗結(jié)果 試驗破壞標(biāo)準(zhǔn)判斷主要有液化標(biāo)準(zhǔn)有ud=3；應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)有f=5%。這里應(yīng)變只要是試樣達(dá)真正破壞時相應(yīng)的應(yīng)變以及9工程對象所能允許經(jīng)受的破壞應(yīng)變。根據(jù)動三軸試驗結(jié)果分析，我們可以得到動強(qiáng)度比與等效破壞振次的關(guān)系；地震總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線的繪制；動孔隙水壓力比與等效振次的關(guān)系；軸向應(yīng)變與等效振次的關(guān)系；應(yīng)力和永久應(yīng)變關(guān)系。5.2. 影響因素1. 制樣的影響制樣過程中，如果對級配、物理性、密度、飽和度和初始應(yīng)力狀態(tài)相同，僅制樣方

16、法不同的砂土試樣，進(jìn)行飽和固結(jié)不排水循環(huán)加荷三軸試驗，所得的“引起初始液化所需的動應(yīng)力比與等效振次之間的關(guān)系”有較大差異。對無黏性土進(jìn)行飽和固結(jié)不排水循環(huán)加荷三軸試驗，若采用剪切波速而不是密度作為制樣標(biāo)準(zhǔn)時，能更好的反映其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。2. 橡膠模的影響當(dāng)試件在不排水條件下受震動荷載作用時，土體有體縮趨勢，震動孔隙水壓力隨震次的增加而上升，有效周壓力下降，因而使橡皮膜楔入量不斷減小.橡皮膜楔入量減小相當(dāng)于土體膨脹，使實際測到的孔隙水壓力降低。因此，一般動力試驗，由于沒有考慮橡皮膜順變性這一因素，測得的動力強(qiáng)度或破壞的震動次數(shù)較實際高。就是說，試驗的誤差偏于不安全方面。周景星、周克驥、王洪瑾

17、等6 采用試件表面涂液體硅挽膠的方法以消除橡皮膜順變性的影響。通過涂硅膠和不涂硅膠兩類試驗的對比表明，橡皮膜順變性效應(yīng)阻滯了震動孔隙水壓力的發(fā)展，使試驗測得的動力強(qiáng)度偏大。3. 動三軸試驗機(jī)軸向摩擦的影響目前國內(nèi)動三軸試驗機(jī)多采用外置載荷式載荷傳感器來測量試驗的載荷。其優(yōu)點是加工容易、成本低、原理簡單、裝配容易；缺點是由于載荷傳感器外置,在實驗過程中上心軸與壓力室蓋在相對運動過程中接觸面產(chǎn)生摩擦力也被傳感器記錄并反映在實驗結(jié)果中，摩擦力的大小對試驗的結(jié)果的正確與否有較大的影響。王平、王蘭民、劉紅玫、董海峰等7 重新對試驗機(jī)的裝配、改進(jìn)載荷傳感器結(jié)構(gòu)可以保證試驗機(jī)上下心軸同軸度和動態(tài)試驗過程中上

18、心軸垂直度,避免硬件非正常工作帶來地摩擦力增大。在保證密封前提之下減少O形密封圈個數(shù)可降低摩擦力;同時通過涂抹真空硅脂等脂潤滑，既可保證壓力室的密封,也可起到良好的潤滑效果。同時提出合理的螺栓預(yù)緊方法可使摩擦力大幅度降低，從而保護(hù)儀器硬件。動三軸試驗的應(yīng)用砂土液化是造成地基失穩(wěn)的主要原因之一,不論砂土部分液化或完全液化都可能使建筑物產(chǎn)生破壞。國內(nèi)外的大量實例表明地震液化對人類生命和財產(chǎn)造成了巨大的損害,因此,預(yù)測飽和砂土在地震作用下是否液化已成為工程地基抗震設(shè)計的重要內(nèi)容。利用動三軸液化試驗可以對砂土的抗液化性能進(jìn)行有效地評估。黃博、陳云敏、殷建華、吳世明等8 通過控制土體剪切波速的動三軸液化

19、試驗，得到了更能真實地反映土體的抗液化能力的臨界剪應(yīng)變參數(shù)。探討了各因素對臨界剪應(yīng)變的影響，并結(jié)合動三軸試驗結(jié)果和剪切波速判別方法，對取土地區(qū)自由場地進(jìn)行液化評估，得到了滿意的結(jié)論，具有工程實用價值,對進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)性對土體的抗液化能力的影響提供了一種新的嘗試。王峻、王蘭民、李蘭等9基于動三軸砂土液化試驗，采用抗液化剪應(yīng)力判別方法和地震反應(yīng)分析計算結(jié)果與地震剪應(yīng)力時程相結(jié)合的綜合判別方法，對某長江大橋工程場地的飽和砂土液化進(jìn)行了判斷，并對該場地砂層的液化程度進(jìn)行了等級劃分，為該長江大橋工程場地的液化判別提供了較為實用的結(jié)果。這種綜合判別方法對工程地基的抗震設(shè)計和處理具有實用意義。周海林、王星華

20、等10利用動三軸實驗,對砂土液化中的孔隙水壓力發(fā)展進(jìn)行了研究,根據(jù)孔隙水壓力發(fā)展過程中的不同現(xiàn)象,將該過程劃分為4個階段,并將孔隙水壓力與應(yīng)變、應(yīng)力路徑相聯(lián)系,總結(jié)了各種因素對砂土液化中孔隙水壓力發(fā)展的影響,對砂土液化的機(jī)理有更深的了解。用剪脹、剪縮、卸荷體縮理論來解釋砂土液化過程中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象,分析認(rèn)為,砂土應(yīng)力狀態(tài)與孔隙水壓力發(fā)展之間的關(guān)系密切,剪脹與卸荷體縮是影響孔隙水壓力發(fā)展的主要因素。周健、陳小亮、楊永香、賈敏才等11利用 GDS 動三軸試驗系統(tǒng)采用等幅循環(huán)應(yīng)變加載方式對含有不同厚度粉土的飽和層狀砂土進(jìn)行了液化強(qiáng)度試驗。分析了均勻砂和含有不同粉粒層厚度的層狀砂土在循環(huán)荷載作用下的變

21、形和力學(xué)特性。試驗分析表明：由于含粉粒夾層的層狀土特殊的土體結(jié)構(gòu)，其孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律與一般的無黏性砂土不同；飽和層狀砂土的抗液化強(qiáng)度并不是隨著粉粒層厚度的增加而單調(diào)增加的，而是存在一個臨界點；液化臨界剪應(yīng)變的大小與液化判別標(biāo)準(zhǔn)和循環(huán)次數(shù)有很大關(guān)系。試驗結(jié)果表明，粉粒夾層對層狀砂土的液化特性有很大的影響，且更能模擬自然環(huán)境條件下的層狀砂土地基液化特性。靳建軍、張鴻儒等12 基于MTS動三軸試驗,研究了砂土液化過程中振動孔壓的發(fā)展規(guī)律，獲得了偏壓固結(jié)條件下振動孔壓計算模式.結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變滯回環(huán),將液化過程劃分為4個階段，并對各階段的軸向應(yīng)變發(fā)展特點進(jìn)行了分析。通過研究液化過程中動模量的衰減特性，得

22、到了動彈性模量和動剪切模量隨應(yīng)變發(fā)展的衰減特性曲線,并研究了砂土的抗液化強(qiáng)度。應(yīng)用細(xì)砂土進(jìn)行MTS動三軸試驗，一方面加強(qiáng)了對細(xì)砂土液化特性的了解，另一方面可為后續(xù)的碎石樁加固液化地基振動臺模型試驗提供依據(jù)?？偨Y(jié)在室內(nèi)進(jìn)行土的動力特性試驗，主要包活兩方面的內(nèi)容。一是確定上的動強(qiáng)度，用以分析在大變形條件下地基和結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性，特別是砂土的振動液化；還有就是確定剪切模最和阻尼比，用以計算在小變形條件下土體在一定范圍內(nèi)所引起的位移、速度、加速度或應(yīng)力隨時間的變化2。強(qiáng)度問題除了一般動強(qiáng)度外，還包括可液化土的振動液化強(qiáng)度。土體動態(tài)測試技術(shù)，直接影響著土動力特性研究和土體動力分析計算的發(fā)展，起著正確揭示土的動力特性規(guī)律和完善分