29 振動三軸試驗(yàn)

29.1  一 般 規(guī) 定

29.1.1      土樣應(yīng)為飽和的細(xì)粒土或砂土，其他粗粒土也可參照執(zhí)行。

29.1.2      動強(qiáng)度(或抗液化強(qiáng)度)特性試驗(yàn)宜采用固結(jié)不排水振動  試驗(yàn)條件。動力變形特性試驗(yàn)宜采用固結(jié)不排水振動試驗(yàn)條件。 動殘余變形特性試驗(yàn)宜采用固結(jié)排水振動試驗(yàn)條件。

29.2  儀 器 設(shè) 備

29.2.1      本試驗(yàn)所用的主要儀器設(shè)備應(yīng)符合下列規(guī)定：

1    振動三軸儀：按激振方式可分為慣性力式、電磁式、電液伺服式及氣動式等振動三軸儀。其組成包括主機(jī)、靜力控制系統(tǒng)、動力控制系統(tǒng)、量測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。

1)主機(jī)(圖29.2.1):包括壓力室和激振器等；

2)靜力控制系統(tǒng)：用于施加周圍壓力、軸向壓力、反壓力，包 括儲氣罐、調(diào)壓閥、放氣閥、壓力表和管路等；

3)動力控制系統(tǒng)：用于軸向激振，施加軸向動應(yīng)力，包括液 壓油源、伺服控制器、伺服閥、軸向作動器等。要求激振 波形良好，拉壓兩半周幅值和持時基本相等，相差應(yīng)小于 1 0 % ;

4)量測系統(tǒng)：由用于量測軸向載荷、軸向位移及孔隙水壓力的傳感器等組成；

5)計(jì)算機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)：包括計(jì)算機(jī)，繪圖和打印設(shè)備，計(jì)算機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集和處理程序等；

6)整個設(shè)備系統(tǒng)各部分均應(yīng)有良好的頻率響應(yīng)，性能穩(wěn)定，誤差不應(yīng)超過允許范圍。

2 附屬設(shè)備應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)第19.2.1條第2款的規(guī)定。

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

29.2.2     壓力室、靜力控制系統(tǒng)、孔隙水壓力量測系統(tǒng)的檢查應(yīng)符 合本標(biāo)準(zhǔn)第19.2.2條第1款～第3款的規(guī)定。

圖29.2.1 液壓伺服單向激振式振動三軸儀

29.3 操 作 步 驟

29.3.1     試樣制備應(yīng)符合下列規(guī)定：

1   本試驗(yàn)采用的試樣最小直徑為39. 1mm, 最大直徑為 101mm, 高度以試樣直徑的2倍～2.5倍為宜；

2   原狀土樣的試樣制備應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第19.3.1條第2款的規(guī)定進(jìn)行；

3   擾動土樣的試樣制備應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第19.3.1條第3款的規(guī)定進(jìn)行；

4    砂土試樣制備應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第19 . 3 . 1 條 第 4 款 的 規(guī) 定 進(jìn)行；

5   對填土，宜模擬現(xiàn)場狀態(tài)用密度控制。對天然地基，宜用 原狀試樣。

29.3.2      試樣飽和應(yīng)符合下列規(guī)定：

1    抽氣飽和應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第19.3.2條第1款的規(guī)定進(jìn)行；

2    水頭飽和應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第19.3.2條第2款的規(guī)定進(jìn)行；

3    反壓力飽和應(yīng)按第19.3.2條第3款的規(guī)定進(jìn)行。

29.3.3      試樣安裝應(yīng)符合下列規(guī)定：

1    打開供水閥，使試樣底座充水排氣，當(dāng)溢出的水不含氣泡時，應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第19.5.1條第1款～第6款的規(guī)定安裝試樣；

2   砂樣安裝在試樣制備過程中完成。

29.3.4       試樣固結(jié)應(yīng)符合下列規(guī)定：

1    等向固結(jié)應(yīng)先對試樣施加20kPa  的側(cè)壓力，然后逐級施加均等的周圍壓力和軸向壓力，直到周圍壓力和軸向壓力相等并 達(dá)到預(yù)定壓力；

2    不等向固結(jié)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；

3    對施加反壓力的試樣應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第19.3.2條第3款的規(guī) 定施加反壓力；

4    施加壓力后打開排水閥或體變管閥和反壓力閥，使試樣排 水固結(jié)。固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，對黏土和粉土試樣，1h 內(nèi)固結(jié)排水量變化 不大于0.1cm3,砂土試樣等向固結(jié)時，關(guān)閉排水閥后5min 內(nèi)孔隙壓 力不上升；不等向固結(jié)時，5min 內(nèi)軸向變形不大于0.005mm;

5    固結(jié)完成后關(guān)排水閥，并計(jì)算振前干密度。

29.3.5      動強(qiáng)度(抗液化強(qiáng)度)試驗(yàn)應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：

1    動強(qiáng)度(抗液化強(qiáng)度)試驗(yàn)為固結(jié)不排水振動三軸試驗(yàn)，試驗(yàn)中測定應(yīng)力、應(yīng)變和孔隙水壓力的變化過程，根據(jù)一定的試樣破壞標(biāo)準(zhǔn)，確定動強(qiáng)度(抗液化強(qiáng)度)。破壞標(biāo)準(zhǔn)可取應(yīng)變等于5% 或孔隙水壓力等于周圍壓力，也可根據(jù)具體工程情況選取。

2  試樣固結(jié)好后，在計(jì)算機(jī)控制界面中設(shè)定試驗(yàn)方案，包括 動荷載大小、振動頻率、振動波形、振動次數(shù)等。動強(qiáng)度試驗(yàn)宜采 用正弦波激振，振動頻率宜根據(jù)實(shí)際工程動荷載條件確定振動頻率，也可采用1.0Hz。

3  在計(jì)算機(jī)控制界面中新建試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲的文件。

4  關(guān)閉排水閥，并檢查管路各個開關(guān)的狀態(tài)，確認(rèn)活塞軸上、 下鎖定處于解除狀態(tài)。

5  當(dāng)所有工作檢查完畢，并確定無誤后，點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)控制界 面的開始按鈕，試驗(yàn)開始。

6    當(dāng)試樣達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)后，再振5周～10周左右停止振動。

7  試驗(yàn)結(jié)束后卸掉壓力，關(guān)閉壓力源。

8  描述試樣破壞形狀，必要時測定試樣振后干密度，拆除試樣。

9    對同一密度的試樣，可選擇1個～3個固結(jié)比。在同一 固結(jié)比下，可選擇1個～3個不同的周圍壓力。每一周圍壓力下 用4個～6個試樣?？煞謩e選擇10周、20周～30周和100周等 不同的振動破壞周次，應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第29 .3 . 5條的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。

10   整個試驗(yàn)過程中的動荷載、動變形、動孔隙水壓力及側(cè)壓 力由計(jì)算機(jī)自動采集和處理。

29.3.6      動力變形特性試驗(yàn)應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：

1    在動力變形特性試驗(yàn)中，根據(jù)振動試驗(yàn)過程中的軸向應(yīng)力 和軸向動應(yīng)變的變化過程和應(yīng)力應(yīng)變滯回圈，計(jì)算動彈性模量和 阻尼比。動力變形特性試驗(yàn)一般采用正弦波激振，振動頻率可根據(jù)工程需要選擇確定。

2   試樣固結(jié)好后，在計(jì)算機(jī)控制界面中設(shè)定試驗(yàn)方案，包括 振動次數(shù)、振動的動荷載大小、振動頻率和振動波形等。

3    在計(jì)算機(jī)控制界面中新建試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲的文件。

4    關(guān)閉排水閥，檢查管路各個開關(guān)的狀態(tài)，確認(rèn)活塞軸上、下 鎖定處于解除狀態(tài)。

5    當(dāng)所有工作檢查完畢，并確定無誤后，點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)控制界 面的開始按鈕，分級進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中由計(jì)算機(jī)自動采集軸 向動應(yīng)力、軸向變形及試樣孔隙水壓力等的變化過程。

6    試驗(yàn)結(jié)束后，卸掉壓力，關(guān)閉壓力源。

7    在需要時測定試樣振后干密度，拆除試樣。

8   在進(jìn)行動彈性模量和阻尼比隨應(yīng)變幅的變化的試驗(yàn)時，一 般每個試樣只能進(jìn)行一個動應(yīng)力試驗(yàn)。當(dāng)采用多級加荷試驗(yàn)時， 同一干密度的試樣，在同一固結(jié)應(yīng)力比下，可選1個～5個不同的  側(cè)壓力試驗(yàn)，每一側(cè)壓力用3個～5個試樣，每個試樣采用4級~  5級動應(yīng)力，宜采用逐級施加動應(yīng)力幅的方法，后一級的動應(yīng)力幅  值可控制為前一級的2倍左右，每級的振動次數(shù)不宜大于10次， 應(yīng)按本條的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。

9    試驗(yàn)過程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動采集、處理，并根據(jù)所 采集的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，畫出應(yīng)力應(yīng)變滯回圈，整理出動彈性模量和 阻尼比隨應(yīng)變幅的關(guān)系曲線。

29.3.7      動力殘余變形特性試驗(yàn)應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：

1    動力殘余變形特性試驗(yàn)為飽和固結(jié)排水振動試驗(yàn)。根據(jù) 振動試驗(yàn)過程中的排水量計(jì)算其殘余體積應(yīng)變的變化過程，根據(jù)振動試驗(yàn)過程中的軸向變形量計(jì)算其殘余軸應(yīng)變及殘余剪應(yīng)變的 變化過程。

2    動力殘余變形特性試驗(yàn)一般采用正弦波激振，振動頻率可 根據(jù)工程需要選擇確定。

3    試樣固結(jié)好后，在計(jì)算機(jī)控制界面中設(shè)定試驗(yàn)方案，包括 動荷載、振動頻率、振動次數(shù)、振動波形等。

4    在計(jì)算機(jī)控制界面中新建試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲的文件。

5    保持排水閥開啟，并檢查管路各個開關(guān)的狀態(tài)，確認(rèn)活塞軸上、下鎖定處于解除狀態(tài)。

6  當(dāng)所有工作檢查完畢，并確定無誤后，點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)控制界 面的開始按鈕，試驗(yàn)開始。

7  試驗(yàn)結(jié)束后，卸掉壓力，關(guān)閉壓力源。

8  在需要時測定試樣振后干密度，拆除試樣。

9  對同一密度的試樣，可選擇1個～3個固結(jié)比。在同一 固 結(jié)比下，可選擇1 個～3個不同的周圍壓力。每一周圍壓力下用 3個～5個試樣，應(yīng)按本條的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。

10  整個試驗(yàn)過程中的動荷載、側(cè)壓力、殘余體積和殘余軸 向變形由計(jì)算機(jī)自動采集和處理。根據(jù)所采集的應(yīng)力應(yīng)變(包 括體應(yīng)變)時程記錄，整理需要的殘余剪應(yīng)變和殘余體應(yīng)變模型 參數(shù)。

29.4  計(jì)算、制圖和記錄

29.4.1  試樣的靜、動應(yīng)力指標(biāo)應(yīng)按下列規(guī)定計(jì)算：

1  固結(jié)應(yīng)力比應(yīng)按下式計(jì)算：

(29.4.1-1)

式中：K_c—— 固結(jié)應(yīng)力比；

——有效軸向固結(jié)應(yīng)力(kPa);

— — 有效側(cè)向固結(jié)應(yīng)力(kPa);

σ_1c   —— 軸向固結(jié)應(yīng)力(kPa);

σ_3c  —— 側(cè)向固結(jié)應(yīng)力(kPa);

u₀——初始孔隙水壓力(kPa)。

2  軸向動應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：

(29.4.1-2)

式中：σ_d —— 軸向動應(yīng)力(kPa);

W_d—— 軸向動荷載(N);

A_c—— 試樣固結(jié)后截面積(cm2)。

3  軸向動應(yīng)變應(yīng)按下式計(jì)算：

 (29.4.1-3)

式中：ε_d——  軸向動應(yīng)變(%);

△h_d——軸向動變形(mm);

h_d—— 固結(jié)后試樣高度(mm)。

4  體積應(yīng)變應(yīng)按下式計(jì)算：

 (29.4.1-4)

式中：ε_v——體積應(yīng)變(%);

△V——試樣體積變化，即固結(jié)排水量(cm3);

V_c—— 試樣固結(jié)后體積(cm3)。

29.4.2  動強(qiáng)度(抗液化強(qiáng)度)計(jì)算應(yīng)在試驗(yàn)記錄的動應(yīng)力、動變形和動孔隙水壓力的時程曲線上，根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)第29.3.5條第1款 規(guī)定的破壞標(biāo)準(zhǔn)，確定達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的破壞振次。相應(yīng)于該破壞振次試樣45°面上的破壞動剪應(yīng)力比應(yīng)按下列公式計(jì)算：

(29.4.2-1)

 (29.4.2-2)

 (29.4.2-3)

式中： —— 試樣45°面上的破壞動剪應(yīng)力比；

σ_d——試樣軸向動應(yīng)力(kPa);

τ_d—— 試樣45°面上的動剪應(yīng)力(kPa);

——試樣45°面上的有效法向固結(jié)應(yīng)力(kPa); 

—— 有效軸向固結(jié)應(yīng)力(kPa);

——有效側(cè)向固結(jié)應(yīng)力(kPa)。

29.4.3  動強(qiáng)度試驗(yàn)的試驗(yàn)曲線可按下列規(guī)定進(jìn)行繪圖：

1  對同一固結(jié)應(yīng)力條件進(jìn)行多個試樣的測試，以破壞動剪應(yīng)力比R_f為縱坐標(biāo)，破壞振次 N_f為橫坐標(biāo)，在單對數(shù)坐標(biāo)上繪制破壞動剪應(yīng)力比與破壞振次N_f的關(guān)系曲線；

2  對于工程要求的等效破壞振次 N, 可根據(jù)破壞動剪應(yīng)力比與破壞振次 N_f 的曲線確定相應(yīng)的破壞動剪應(yīng)力比( )N,   并可根據(jù)工程需要，按不同表示方法，整理出動強(qiáng)度(抗液化強(qiáng)度)特性指標(biāo)；

3  在對動孔隙水壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行整理時，可取動孔隙水壓力的 峰值；也可根據(jù)工程需要，取殘余動孔隙水壓力值；

4  當(dāng)由于土的性能影響或儀器性能影響導(dǎo)致測試記錄的孔 隙水壓力有滯后現(xiàn)象時，可對記錄值進(jìn)行修正后再作處理；

5  以動孔隙水壓力為縱坐標(biāo)，以振次為橫坐標(biāo)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié) 果在單對數(shù)坐標(biāo)上繪制動孔隙水壓力比與振次的關(guān)系曲線；

6  以動孔壓比為縱坐標(biāo)，以破壞振次N_f為橫坐標(biāo)，繪制振次 比與動孔壓比的關(guān)系曲線；

7  對于初始剪應(yīng)力比相同的各個試驗(yàn)，可以動孔壓比為縱坐 標(biāo)，以動剪應(yīng)力比為橫坐標(biāo)，繪制在固定振次作用下的動孔壓比與 動剪應(yīng)力比的關(guān)系曲線；也可根據(jù)工程需要，繪制不同初始剪應(yīng)力 比與不同振次作用下的同類關(guān)系曲線。

29.4.4  動彈性模量和阻尼比應(yīng)按下列公式計(jì)算：

1  動彈性模量：

(29.4.4-1)

式中：^E_d—— 動彈性模量(kPa);

σ_d——軸向動應(yīng)力(kPa);

ε_d——軸向動應(yīng)變(%)。

2  阻尼比λ:

(29.4.4-2)

 式中：λ——阻尼比；

A_z——滯回圈 ABCDA(圖29.4.4-1)的面積(cm2);

A_s—— 三角形 OAE 的面積(cm2)。

圖29.4.4-1  應(yīng)力應(yīng)變滯回圈

3 動彈性模量和動剪切模量及動軸向應(yīng)變幅和動剪應(yīng)變幅 之間，可按下列公式進(jìn)行換算：

              (29.4.4-3)

                       (29.4.4-4)

式中：G_d——動剪切模量(kPa);

μ——泊松比；

γ_d——動剪應(yīng)變(%)。

4 最大動彈性模量可按下列規(guī)定求得：繪制ε_d/σ_d(即1/E_d) 與動應(yīng)變ε_d的關(guān)系曲線(圖29.4.4-2),將曲線切線在縱軸上的截 距的倒數(shù)作為最大動彈性模量。有條件時，可將在微小應(yīng)變(ε_d≤  1×10^-5)測得的動彈性模量作為最大動彈性模量。

圖29.4.4-2 最大動彈性模量的確定示意圖

29.4.5       殘余變形計(jì)算應(yīng)根據(jù)所采用計(jì)算模型和計(jì)算方法要求， 對每個試樣試驗(yàn)可分別整理殘余體積應(yīng)變、殘余軸應(yīng)變與振次關(guān)  系曲線。

29.4.6       動強(qiáng)度(抗液化強(qiáng)度)試驗(yàn)記錄和計(jì)算格式應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn) 附錄 D 表 D.49、 表 D.50 的規(guī)定。動彈性模量和阻尼比試驗(yàn)記錄 和計(jì)算格式應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)附錄 D 表 D.51、 表 D.52的規(guī)定。動殘余變形特性試驗(yàn)記錄和計(jì)算格式應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)附錄D表D.53、表D.54的規(guī)定。