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动三轴试验原理与应用

102299史剑

摘要:

建筑物地基和土工建筑物在动荷载作用下发生振动，土的强度和变形特性都要受到影响，在不同动荷载下土的强度和变形各不相同，其共同特点是都将受到加荷速率和加荷次数的影响。

土体动态测试技术，直接影响着土动力特性研究和土体动力分析计算的发展，起着正确揭示土的动力特性规律和完善分析计算理论的重要作用，是土动力学发展的基础。

应用动三轴试验测试土的动力特性指标，是土工试验中较先进的试验手段，在我国已逐步得到推广应用。

利用动三轴试验可以确定土的各项动力参数，应用这些参数进行土的稳定性分析计算等问题，可以更好地为工程建设服务。

关键词：

动三轴、试验原理、试验操作、试验结果、影响因素、试验应用

一、概述

地震是我们这个星球地质运动的一部分，我们必须想办法保护自己，是自己不受到伤害，可以应用好的工程学原理来减轻地震运动对结构物的危害。

另外，我们还需要评估土层的特性。

无论是已有建筑还是待建建筑都可以通过结构物间的良好连接来减少振动造成的危害。

引起土体振动的振源可分为天然振源和人工振源两种。

地震、波浪力、风力都是天然振源，交通荷载、爆炸、打桩、机器基础都是人工振源，这些振源的振动频率、振动次数和振动波形各不相同。

天然振源发生随机振动的激振力，人工振源有随机振动也有周期性振动。

例如爆炸等瞬时荷载引起的振动是随机的，连续运转的机器引起的振动是周期性的。

在不同动荷载下土的强度和变形各不相同，其共同特点是都受到加荷速率和加荷次数的影响。

动荷载都是在很短的时间内施加，一般是百分之几秒到十分之几秒，爆炸荷载只有几毫秒。

土在快速加荷下，强度比静荷载时提高，变形比静荷载时减小，如果荷载在数十秒时间内保持不变，就可以不考虑加荷速率的影响，作为静力问题处理。

动力荷载一般是往复多次施加或周期性连续作用，与静荷载是一次加上不同，随着加荷次数增多。

松砂将因引起体积压缩而密实，在不排水条件下则发生孔隙水压力上升而强度下降，甚至发生振动液化，所以土在动荷载作用下要考虑加荷次数的影响[5]。

土动力特性室内试验，是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试样容器之中，然后施加不同形式和不同强度的振动荷载作用，再量测在振动作用下试样的应力和应变，从而对土性和有关指标的变化规律作出定性和定量的判断。

由于土动力问题研究的应变范围很大，需要用不同的测试方法来确定土动力计算中所用的特性参数[1]。

室内试验主要有动三轴试验、振动剪切试验、共振柱试验、振动台试验和离心模型试验。

二、动三轴试验原理分析

动三轴试验是从静三轴试验发展而来的，它利用与静三轴试验相似的轴向应力条件，通过对试样施加模拟的动主应力，同时测得试样在承受施加的动荷载作用下所表现的动态反应。

这种反应是多方面的，最基本和最主要的是动应力（或动主应力比）与相应的动应变的关系（σd~εd或σ1/σ3~εd），动应力与相应的孔隙压力的变化关系（σd~μd）。

根据这几方面的指标相对关系，可以推求出岩土的各项动弹性参数及粘弹性参数，以及试样在模拟某种实际振动的动应力作用下表现的性状，例如饱和砂土的振动液化等。

动三轴试验主要将一定密度和含水率的试样在固结稳定后在不排水条件下作振动试验。

设定某一等幅动应力作用于试样进行持续振动，直到试样的应变值或孔压值达到预定的破坏标准，试验终止。

记录试验中的动应力、动应变和孔压值随振动周次的变化过程线。

采用多个试样得到动应力和破坏周数的关系曲线，即动强度曲线。

在地震荷载作用下，进行地面动力反应分析时，需要确定小应变下的剪切模量和阻尼比；在大应变时需确定土的动强度。

土在动荷载作用下，土的应力、应变及孔隙压力随时间（振动次数）而变，动强度是经一定振动次数后试样达到破坏的振动剪应力，振动剪应力与破坏周数的关系曲线称为动强度曲线。

测定动模量和阻尼比的方法：

作用于试样的轴向动应力从小幅值开始逐级增大作振动试验，当应变波形明显不对称或孔压明显增大时，试验终止。

记录试验过程中每级荷载的动应力和动应变曲线，或直接记录应力-应变滞回圈曲线，用以确定各动应变时的动模量和阻尼比。

动三轴试验便于施加各种应力以适应工程实际，对各类土制样方便，可精确控制应力和应变，测定孔压变化，试验设备和操作方法；但是三轴仪加荷条件与现场地震应力条件差别很大，施加轴向循环荷载时难以保证压半周时轴向为大主应力方向，拉半周时轴向为小主应力方向，每一加荷周期主应力方向转动90度。

三、动三轴试验分类

三轴试验分为静三轴与动三轴两种。

静三轴试验是在三向静应力作用下，根据莫尔一库伦破坏堆则确定土的强度参数凝聚力和内摩擦角。

动三轴与静三轴不同，它被用来测定上在三向动应力作用下的动力特性指标。

50年代末黄文熙教授最早提出用振动三轴仪测试砂土液化的方法，并进行了系统的试验研究。

60年代国外用周期加荷三轴仪研究砂土液化及其他动力特性，并得到了很大的发展，至今周期加荷三轴仪已成为应用广泛的一种室内动力测试仪器[5]。

在室内测定上的动力特性指标，除了振动三轴试验外，还有振动单剪试验、共振柱试验、振动扭剪试验等。

另外，尚有采用测定波在土体中的传播速度，以计算土的弹性模量的方法。

以上各种试验方法，各有优缺点，而且每种试验，只能在有限的应变范围内进行。

应用较普遍的是振动三轴仪，测量的动应变幅度一般应大于10-4。

振动扭剪试验，可直接测定土的剪切模量。

共振柱试验，主要被用来测定小应变范围内的模量和阻尼比；当需求土层各种不同应变水平的剪切模量时，它乃是不可缺少的试验项目。

振动三轴试验，不仅要将现场土体的静应力状态进行模拟，而且还要将实际地震波按震级大小进行简化模拟，按动荷载施加。

在迸行土的动强度试验时，不但要了解上的动力学基本理论和砂土的液化机理，而且还要了解土体的应力状态和极限平衡原理。

采用单向激振式三轴仪进行饱和砂土的抗液化强度试验，搞清楚西特所提的试验方法与原理是十分重要的。

关于西特方法的原理，准备以后结合砂王的抗液化强度试验讲述。

当然，三轴试验模拟土体的应力状态，与现场条件还不完全一致。

虽然不够理想，但由于使用方便，因此，仍然得到了广泛的应用。

根据仪器结构的不同，兰轴仪分为采用圆柱体试件（即σ2=σ3）和立方体试件（σ1≠σ2≠σ3）两种情况。

三向主应力都不相等的三轴仪称为真三轴仪，目前多采用圆柱体试件进行试验，即σ2=σ3[2]。

四、动三轴试验仪器与试验过程

4.1.试验设备

振动三轴仪一般包括压力室、激振设备和量测设备三个系统。

振动三轴仪的压力室与静三轴仪的压力室基本相同，结构材料、密封型式也大体一样。

在量测设备方面，振动三轴仪要比静三轴仪复杂一些。

振动三轴仪的量测记录，一般采用电测设备，即将动力作用下的动孔隙水压力、动变形和动应力的变化，通过传感器转换成电量或电参数的变化，再经过放大，推动光电示波器的振子偏转，引起光点移动，并在紫外线感光纸带上分别记录下来。

振动三轴仪的激振设备，根据产生激振力方式的不同，可以分为电一磁激振式、惯性力振动式和电一气激振式等类型。

每种类型又分为单向激振和双向激振两种。

单向激振（常侧压动三轴）：

保持试样所受的水平轴向应力恒定，周期性改变竖向轴压大小；双向激振（变侧压动三轴）：

同时施加轴向和径向循环荷载，并可以通过控制荷载的大小和相位差来改变土体的受力。

4.2.试验操作

1、[3]试样制备：

对于原状样，可以直接使用切样器切样，试样的两端面应平整互相平行，试样侧面应保持垂直并且上下均匀，在切样过程中，若试样表面因遇砾石而成孔洞，允许用切削下的余土填补；对于特别坚硬的和很不均匀的土样如不易切成平整均匀的圆柱体时，允许切成与规定直径接近的柱体，按所需试样高度将上下两端削平，并称取质量，然后包上橡皮膜。

用浮称法称试样的质量，并换算出试样的体积和平均直径。

对于扰动土，砂土、粉砂等无粘性土可以采用湿法成型，黏性土可以采用击实成型法。

2、试样固结：

静三轴加压方式：

由于加压活塞与试样间为点接触，加σ3时轴向σ1同步加上，即σ1=σ3；而动三轴的加压方式则是加压活塞和试样相连，σ1和σ3需分开施加。

一般先加σ3，在加上σ3之前将活塞固定，以免加σ3时试样受侧向挤压向上变形而破坏。

然后施加σ1。

加荷完毕，松开活塞，开始固结。

对于等压固结，即固结应力比K=1。

先对试样施加20kPa的侧压力，然后逐级施加均等的侧向压力和轴向压力。

直到侧向压力和轴向压力相等并达到预定压力。

而不等压固结，则固结应力比K>1。

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。

反压施加方法与常规三轴类似，施加反压后打开排水阀或体变阀和反压阀，使试样排水固结。

固结稳定标准是对粘土和粉土试样，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内孔压不上升；不等向固结时，5min内轴向变形不大于0.005mm。

固结完成后关排水阀，并计算振前干密度。

3.施加动应力：

对于动强度试验，设定某一动应力σd1，启动激振力并同时打开记录仪，记录应力、应变和孔压变化过程线，当应变值达到应变破坏标准（通常应变达5%）或孔压达到侧压（ud=σ3），即切断激振力并停止记录；在σd1作用下经振动Nf1周达到破坏。

对相同条件的另一试样，用另一动应力σd2进行试验，得到试样的破坏周数Nf2；同样再对另外几个试样分别在动应力σd3和σd4下，得到破坏周数Nf3和Nf4。

绘制动剪应力与破坏周数的关系曲线，或称动强度曲线或抗液化强度曲线（σd/2~Nf），同时应标明试样密度、试验侧压力、固结应力比以及破坏标准。

（σd/2：

三轴试样在45度面上的剪应力τd=σd/2）。

试样的破坏周数控制在4~6周、10~15周、20~30周、50~70周范围内。

太大，刚开始即破坏，定不出周数；太小，则振动200~300周也不坏。

对同一密度的试样，宜选择1~3个固结比。

在同一固结比下，应选择1~3个不同的侧压力。

每一侧压力下用3~4个试样，选择不同的振动破坏周次（10周，20~30周和100周左右）进行试验。

对于动变形特性（动模量和阻尼比）试验，在不排水条件下对试样施加动应力，记录动应力、动应变和动孔压。

绘制动应力和动应变滞回圈，直到预定振次时停机，拆样。

并计算动压缩模量和阻尼比。

同一干密度的试样，在同一固结应力比下，应在1~3个不同侧压力下试验，每一侧压力，宜用5~6个试样，改变5~6级动力[4]。

五、试验结果整理与影响因素

5.1.试验结果

试验破坏标准判断主要有液化标准有ud=σ3；应变标准有εf=5%。

这里应变只要是试样达真正破坏时相应的应变以及9工程对象所能允许经受的破坏应变。

根据动三轴试验结果分析，我们可以得到动强度比与等效破坏振次的关系；地震总应力抗剪强度包络线的绘制；动孔隙水压力比与等效振次的关系；轴向应变与等效振次的关系；应力和永久应变关系。

5.2.影响因素

1.制样的影响

制样过程中，如果对级配、物理性、密度、饱和度和初始应力状态相同，仅制样方法不同的砂土试样，进行饱和固结不排水循环加荷三轴试验，所得的“引起初始液化所需的动应力比与等效振次之间的关系”有较大差异。

对无黏性土进行饱和固结不排水循环加荷三轴试验，若采用剪切波速而不是密度作为制样标准时，能更好的反映其结构稳定性的影响。

2.橡胶模的影响

当试件在不排水条件下受震动荷载作用时，土体有体缩趋势，震动孔隙水压力随震次的增加而上升，有效周压力下降，因而使橡皮膜楔入量不断减小.橡皮膜楔入量减小相当于土体膨胀，使实际测到的孔隙水压力降低。

因此，一般动力试验，由于没有考虑橡皮膜顺变性这一因素，测得的动力强度或破坏的震动次数较实际高。

就是说，试验的误差偏于不安全方面。

周景星、周克骥、王洪瑾等[6]采用试件表面涂液体硅挽胶的方法以消除橡皮膜顺变性的影响。

通过涂硅胶和不涂硅胶两类试验的对比表明，橡皮膜顺变性效应阻滞了震动孔隙水压力的发展，使试验测得的动力强度偏大。

3.动三轴试验机轴向摩擦的影响

目前国内动三轴试验机多采用外置载荷式载荷传感器来测量试验的载荷。

其优点是加工容易、成本低、原理简单、装配容易；缺点是由于载荷传感器外置,在实验过程中上心轴与压力室盖在相对运动过程中接触面产生摩擦力也被传感器记录并反映在实验结果中，摩擦力的大小对试验的结果的正确与否有较大的影响。

王平、王兰民、刘红玫、董海峰等[7]重新对试验机的装配、改进载荷传感器结构可以保证试验机上下心轴同轴度和动态试验过程中上心轴垂直度,避免硬件非正常工作带来地摩擦力增大。

在保证密封前提之下减少O形密封圈个数可降低摩擦力;同时通过涂抹真空硅脂等脂润滑，既可保证压力室的密封,也可起到良好的润滑效果。

同时提出合理的螺栓预紧方法可使摩擦力大幅度降低，从而保护仪器硬件。

六、动三轴试验的应用

砂土液化是造成地基失稳的主要原因之一,不论砂土部分液化或完全液化都可能使建筑物产生破坏。

国内外的大量实例表明地震液化对人类生命和财产造成了巨大的损害,因此,预测饱和砂土在地震作用下是否液化已成为工程地基抗震设计的重要内容。

利用动三轴液化试验可以对砂土的抗液化性能进行有效地评估。

黄博、陈云敏、殷建华、吴世明等[8]通过控制土体剪切波速的动三轴液化试验，得到了更能真实地反映土体的抗液化能力的临界剪应变参数。

探讨了各因素对临界剪应变的影响，并结合动三轴试验结果和剪切波速判别方法，对取土地区自由场地进行液化评估，得到了满意的结论，具有工程实用价值,对进一步研究结构性对土体的抗液化能力的影响提供了一种新的尝试。

王峻、王兰民、李　兰等[9]基于动三轴砂土液化试验，采用抗液化剪应力判别方法和地震反应分析计算结果与地震剪应力时程相结合的综合判别方法，对某长江大桥工程场地的饱和砂土液化进行了判断，并对该场地砂层的液化程度进行了等级划分，为该长江大桥工程场地的液化判别提供了较为实用的结果。

这种综合判别方法对工程地基的抗震设计和处理具有实用意义。

周海林、王星华等[10]利用动三轴实验,对砂土液化中的孔隙水压力发展进行了研究,根据孔隙水压力发展过程中的不同现象,将该过程划分为4个阶段,并将孔隙水压力与应变、应力路径相联系,总结了各种因素对砂土液化中孔隙水压力发展的影响,对砂土液化的机理有更深的了解。

用剪胀、剪缩、卸荷体缩理论来解释砂土液化过程中出现的各种现象,分析认为,砂土应力状态与孔隙水压力发展之间的关系密切,剪胀与卸荷体缩是影响孔隙水压力发展的主要因素。

周健、陈小亮、杨永香、贾敏才等[11]利用GDS动三轴试验系统采用等幅循环应变加载方式对含有不同厚度粉土的饱和层状砂土进行了液化强度试验。

分析了均匀砂和含有不同粉粒层厚度的层状砂土在循环荷载作用下的变形和力学特性。

试验分析表明：

由于含粉粒夹层的层状土特殊的土体结构，其孔隙水压力发展规律与一般的无黏性砂土不同；饱和层状砂土的抗液化强度并不是随着粉粒层厚度的增加而单调增加的，而是存在一个临界点；液化临界剪应变的大小与液化判别标准和循环次数有很大关系。

试验结果表明，粉粒夹层对层状砂土的液化特性有很大的影响，且更能模拟自然环境条件下的层状砂土地基液化特性。

靳建军、张鸿儒等[12]基于MTS动三轴试验,研究了砂土液化过程中振动孔压的发展规律，获得了偏压固结条件下振动孔压计算模式.结合应力—应变滞回环,将液化过程划分为4个阶段，并对各阶段的轴向应变发展特点进行了分析。

通过研究液化过程中动模量的衰减特性，得到了动弹性模量和动剪切模量随应变发展的衰减特性曲线,并研究了砂土的抗液化强度。

应用细砂土进行MTS动三轴试验，一方面加强了对细砂土液化特性的了解，另一方面可为后续的碎石桩加固液化地基振动台模型试验提供依据。

七、总结

在室内进行土的动力特性试验，主要包活两方面的内容。

一是确定上的动强度，用以分析在大变形条件下地基和结构物的稳定性，特别是砂土的振动液化；还有就是确定剪切模最和阻尼比，用以计算在小变形条件下土体在一定范围内所引起的位移、速度、加速度或应力随时间的变化[2]。

强度问题除了一般动强度外，还包括可液化土的振动液化强度。

土体动态测试技术，直接影响着土动力特性研究和土体动力分析计算的发展，起着正确揭示土的动力特性规律和完善分析计算理论的重要作用，是土动力学发展的基础。

在室内进行土的动力特性试验，特别是动三轴试验可以有效地确定土的动强度，用以分析在大变形条件下地基和结构物的稳定性，特别是砂土的振动液化问题。

参考文献:

[1].吴世明等编著.土动力学.中国建筑工业出版社.北京.2000年12月.

[2].李松林编.动三轴试验的原理与方法.地质出版社.北京.1990年12月.

[3].中华人民共和国水利部.土工试验方法标准.GB/T50123—1999.1999年10月

[4].南京水利科学研究院土工研究所.土工试验技术手册.人民交通出版社.北京.2003年

[5].钱家欢,殷宗泽主编.土工原理与计算.中国水利水电出版社.北京.1996年6月

[6].周景星,周克骥,王洪瑾.动三轴试验中橡皮膜顺变性的影响及其校正方法.水利学报.1986年5月.

[7].王平,王兰民,刘红玫,董海峰.动三轴试验机轴向摩擦解决的研究.西北地震学报.第30卷第1期.2008年3月.

[8].黄博,陈云敏,殷建华,吴世明.基于动三轴试验的现场液化判别剪切波速法.水利学报.第10期.2002年10月.

[9].王峻,王兰民,李兰.饱和砂土液化的动三轴试验判断与评价.西北地震学报.第26卷第3期.2004年9月.

[10].周海林,王星华.动三轴实验中的饱和砂土孔隙水压力分析.铁道学报.第24卷第6期.2002年12月.

[11].周健,陈小亮,杨永香,贾敏才.饱和层状砂土液化特性的动三轴试验研究.岩土力学.第32卷第4期.2011年4月

[12].靳建军,张鸿儒.砂土液化特性MTS动三轴试验研究.北京交通大学学报.第30卷第4期.2006年8月.