土动力学试验测试方法简介

土动力学试验测试方法简介

摘要：本文针对土动力学特征主要介绍了振动三轴试验方法的原理、试验仪器

及发展概况，同时对几种试验方法简单对比，并对DDS-70型动三轴仪试验方法

与计算原理进行了详细阐述。

关键词：动三轴：剪切模量：阻尼比

1 振动三轴试验基本原理

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

据摩尔-库仑破坏准则确定土的强度参数凝聚力与内摩擦角。动三轴与静三轴不同，属于土的动态测试内容，是室内进行土的动力特性测定时较普遍采用的一种方法，被用来测定土在三向动应力作用下的动力特性指标。

土的动力特性主要指变形特性和强度特性。变形特性即动应力—应变关系；

强度关系除了土的一般动强度外，还包括可液化土的振动液化强度。土体动态测

试技术，直接影响土动力学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，主要包括两方面的内容：一是土的动强度，用以分

析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；一是确定

剪切模量和阻尼比，用于计算在小变形的条件下土体在一定范围内的位移、速度、加速度和应力随时间的变化。

2 试验仪器与发展概况

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。在量测设备方面，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

化纪录，通过传感器转换成电量或电参数的变化，在经过放大，推动光电示波器

的振子偏转，引起光点移动，并在紫外线滤光纸带上分别记录。振动三轴仪的激

振设备，根据产生激振力方式不同，可以分为电-磁激震式、惯性激振式和电-气

激振式等类型。每种类型又可分为单向激振和双向激振两种。

1959年，我国水电部水利水电科学研究院开始利用加在试件上端重量的惯性

作用产生的轴向振动应力研制单向振动三轴仪。1964年，中国科学院工程力学研

究所制成电磁式单向激振式三轴仪，研究土体变形模量和阻尼问题。1975年，安

徽水利科学研究所试制惯性力双向激振式振动三轴仪。1976年，由北京市地形地

质勘测处和北京市科学仪器修配厂等单位合作。制成DSZ-100型振动三轴仪。1976年，西北农学院研制电气单向激振式三轴仪和气动双向激振式三轴仪。中国

地震局工程力学研究所在1982年首先研制成了固定一自由端GZ一1型共振柱仪，后来又不断改进。1999年，为了对深层大应力状态下黄土试样和黄土层下覆强风

化岩层进行动三轴试验，中国地震局兰州地震研究所与天水红山试验机有限公司

共同研制了20 kN动三轴试验机。近年来，北京新技术应用研究所为很多科研单

位和院校试制了一批电磁式振动三轴仪，采用微机控制和数据处理。南京工业大

学岩土工程研究所近年也自行研制了GZ一1型共振（自振）柱仪。振动三轴仪

在国外发展较早，目前应用最广的就是英国GDS公司研制生产了采用电机控制并

双向施加动荷载动三轴试验系统。

3 试验方法概述

实验室测定土的动模量和阻尼比已有很多的研究成果，己成为较成熟的技术

手段。土动力学参数的确定一般可用4种主要仪器：动三轴试验、振动单剪试验、共振柱试验及振动扭剪试验。不同的仪器有不同的应变范围和不同的测量结果。

共振柱仪可直接确定在小应变10-6—10-4范围内的动剪切模量和阻尼比，其它三

种实验仪适用于确定中等到大变形范围内的参数，它们的主要区别是试样成型方式、施加动荷载方式和分析方法不同。动三轴试验是实验室测定压缩模量和阻尼

比常用的方法，是根据动应力和动应变关系的滞回曲线，求出各项参数指标，但

要给出动剪切模量，需假定泊松比不变的情况下进行转换，这与实际情况不符，

因此还有待于进一步研究。使用振动单剪试验可采用应力应变法测定土的模量和

阻尼，但其在高度和水平面上剪力分布不均匀，在地震荷载下不排水条件难以满足，目前主要用于测量动强度。振动扭剪试验也是采用应力应变法测定土的剪切

模量，但试样成型较困难，土体中非线性应力应变分布还不十分清楚，试验技术

和分析方法还有待于进一步研究。

4 DDS-70型动三轴仪试验计算方法

山东省工程地震研究中心购置北京市新技术研究所生产的DDS-70动三轴试验系统，试验方法如下：

参考中华人民共和国水利部发布的《土工试验规程（SL 237—032—1999）》

和《海上平台场址工程地质勘察规范（GB 17503—1998）》。将试样置于三轴室

内上下活塞之间，固结比取值为1，固结压力按土层实际应力状态进行模拟。通

过气体压力对试样施加轴向、侧向静压力，使其固结。待土样固结完成后，在不

排水的条件下，对试样施加由小到大的轴向激振力进行动弹模试验。

试验计算方法如下：

试验中，土样在各级荷载下轴向应力P和轴向应变ε的时间历程将被记录下来，由应力应变时程绘出应力应变滞回曲线，由滞回曲线B点的应力应变值可求

得试样的轴向模量E，由E可求得土样在该级荷载下模量：

图1 试样1动剪切模量比、阻尼比与剪应变关系曲线

5结束语

土的动模量和阻尼特性试验研究是地震等动荷载作用下土工建筑物设计和计算分析的基

本依据。到现在为止，已知影响因素众多，还有一些影响尚不甚清楚。如果进行非等价线性

模量的研究，情况还更复杂。不但有几个主要影响因素成倍成量级地影响动模量阻尼，试验

方法、仪器和数据分析方法同样影响其结果，因此，设计和分析中使用动模量阻尼时，必须

弄清影响因素和相关条件。重大工程场地的地震安全性评价工作都必须进行场地土的动剪切

模量比和阻尼比、无粘性土的液化试验研究。

参考文献：

[1] 袁晓铭，孙锐，孙静，等．常规土类动剪切模量比和阻尼比试验研究[J]．地震工程与

工程振动，2000，

[2] 孙静.岩土动剪切模量阻尼试验及应用研究[D]. 中国地震局工程力学研究所，2004.

[3] 李松林.动三轴试验的原理与方法. [M] .北京：地质出版社，1990.

作者简介：

杨传成，1982年生，男，汉族，山东滕州人，研究生学历，硕士学位，高级工程师，主

要从事土力学与年代学的试验研究。