EVD测试材料弹性模量的问题及原因分析

EVD测试材料弹性模量的问题及原因分析

摘要：近年来，以手持式落锤弯沉仪为代表的动荷载测试方法开始广受关注。其中之一的动态弹性模量测试仪（Evd）更被纳入《铁路工程土工试验规程》（TB 10102-2004）。但是，该方法也存在着不少问题，影响着其测试精度。本文则从动荷载测试系统的特点入手，通过动态弹性模量测试仪（Evd），K30型平板载荷测定仪、岩土力学特性测试仪的测试结果分析，提出EVD测试材料弹性模量的固有问题，并分析其原因。

关键词：Evd；K30；动态弹性模量；动态弹性模量测试仪；岩土力学特性测试仪

0.引言

Evd（Dynamic modulus of deformation）由落锤冲击施加一定大小和作用时间荷载的平板试验测得的土体动态变形模量。当前常用的检测仪器动态弹性模量测试仪（Evd），主要用于铁路、公路、机场、城市交通、港口及工业与民用建筑的地基承载力检测。其特点是，模拟高速列车对路基产生的动应力进行动载测试；实施施工过程中的质量监控；全自动数据处理系统，确保测试结果的准确、客观；适用范围广，该测试仪器除了可适用的土壤种类范围与K30相同外，还特别适应于施工场地狭窄的困难地段；特别适合于受动荷载作用的铁路、公路、机场及工业建筑的地基质量监控测试。

1.仪器简介

1.0.动态弹性模量测试仪（Evd）

动态弹性模量测试仪（Evd）是目前国际上普遍采用的路基路面结构强度无损检测仪器。目前在许多国家都得到了推广和应用。主要组成（如图-1）有加载装置，包括挂（脱）钩装置、落锤、导向杆、阻尼装置；载荷板，包括圆形钢板、传感器等；测量装置，包括量力环及沉降计等。该方法利用落锤与载荷板碰撞时产生的冲击荷载以代替静力荷载装置，从而大大提高测试效率。

图-1 动态弹性模量测试仪（Evd）测试时，首先需要平整测试表面，使载荷板与地面良好接触；然后让落锤在指定高度处自由落下（在这一过程中需保持导向杆垂直），记录最大荷重P以及载荷板中央的最大沉降量S。通过载荷压强P与沉降量S 即可求得动态地基系数K：

S

P

K/

（1）

当载荷板的直径为30cm时，测试的动态地基系数K则对应于地基系数K30。

1.1.K-30型平板载荷测定仪

K-30型平板载荷测定仪是目前广泛应用于铁路路基结构强度无损检测的仪器，目前在许多国家都得到了推广和应用，并形成相应规范（我国T0943-2008）。主要组成（如图-2）有荷载板（圆形钢板，其直径为30cm、板厚为20mm）；加载装置（包括液压千斤顶、手动油泵、测压表、测力计等）；反力装置；

下沉量测量装置（包括测桥、测表）等。

图-2 K-30型平板载荷测定仪

该仪器适用于粗、细粒土和土填压实后的路基、基等的地基系数的测试，也可以用于计算均匀地基土的变形模量等。

1.2.落球式岩土力学特性测试仪

落球式岩土力学特性测试仪是一款基于Hertz碰撞理论，研发的专用于测试岩土材料变形特性的新型仪器，通过碰撞过程（压缩过程和回弹过程）来推算模量（压缩模量和回弹模量）。

该仪器由国内厂家SCIT独家生产，主要组成（如图-3）有仪器本体，激振系统（包括球冠、砝码、传感器、把手法兰等），电脑（数据采集、解析、存储等）等。该仪器针对公路、铁路、水利、机场、桥梁、建筑等工程领域开发，可有效应用于设计、施工等各个阶段；仪器遵照现行规范要求，针对材料的强度、变形等力学特性，提供快速测试方法，有效解决不均匀变形问题。可快速测试岩土材料的变形模量、强度指标、地基系数K30、CBR、弯沉值、干密度、压实度等各种指标。

图-3 落球式岩土力学特性测试仪落球式岩土力学特性测试仪操作简便、快速、高效率；适用土质范围广，可适用于从粘性土、砂质土、砂砾石到岩石材料、水泥改良土等。

2.动态弹性模量测试仪（Evd）的系统误

差

2.0.系统误差因素

动态弹性模量测试仪（Evd）是一种动力测试方法，与K30静力载荷试验方法相比，其差异主要体现在：

1）材料粘性的影响：由于材料粘性往往依存于载荷速率，因此静力载荷

试验方法基本不受材料粘性的影

响，而动态弹性模量测试仪（Evd）

则不可避免受到一定的影响，Evd

方法规定了载荷大小和时间，从而

规范了载荷速率。

2）应变水平的影响：土体的变形特性与其应变水平有很大的关系，动态

弹性模量测试仪（Evd）由于难以改

变荷载大小，在测试坚硬材料时，

其应变水平较低，测试离散性变大，

精度相应变差。

3）惯性力的影响：根据达朗贝尔原理，当物体产生加速度时，会产生惯性

力。在动力测试中，如果不考虑惯

性力的影响，可能会造成较大的测

试误差。 图-4 动态弹性模量测试仪（Evd ）的传

力示意图

其中，FHP ：加载装置上测出的荷载。 然而，真正作用于测试对象（岩土材料）上的荷载为FPS ，忽略加载装置的自重，则：

)()()(22t a M t F t F H P PS -= （2）

式中；M2、a2(t)分别为加载装置的质量和加

速度，)(2

2t a M 即为垫板的惯性力。

可以看出，在静荷载试验中，垫板的加速度a2(t)趋近于零，因此垫板的惯性力

)(22t a M 可以忽略，

即是说量力环记录的冲

击力和实际上对地基的冲击力基本相等。但是在动荷载试验中，垫板的加速度a2不能忽略，即有较大的惯性力

)(22t a M 。因此，

动态弹性模量测试仪（Evd ）测试的冲击力FHP 与实际上传到地基上的冲击力FPS 之间有一定的误差产生。 2.1.

惯性力的误差分析

以标准的Evd 的测试参数为例[1]

：落锤距离（H ）：90cm 、落锤重量（M1）：1Okg 、加载装置重量（M2）：15kg 、最大冲击荷载（FHPmax ）：7.07KN ± 0.07KN 、冲击持续时间（T ）：18ms ± 2ms 、测试沉降范围（D ）：0.1-2mm 。

由于加载装置在受到冲击前，其加速度和速度均为零，因此其沉降可以表示为：

⎰⎰=dtdt

t a D )(2 （2）

出于简化考虑，我们可以假设

)

22s i n ()(02t T A t a π

=，并将积分区间限定

在压缩时间（可以认为是冲击持续时间T 的

1/2），可得：

D

T A 204π

=

（3）

因此，加载装置的最大加速度约在3.9-77.6m/s2，对应的惯性力约为39-776N ，最大对应于冲击荷载的11%左右。而且，测

试的土体沉降越大、冲击持续时间越短，该惯性力所造成的误差比率也越大。 2.2.

解决误差提高测试精度的方法 如前所述，影响动态弹性模量测试仪（Evd ）与K30静力载荷试验方法的因素中，材料的粘性是在动力荷载下材料本身的特性，因此需要修正的主要有应变水平和惯性力。其中，由于采用300mm 直径的载荷板，要达到相应的应变水平主要靠加大落锤的重量和落距。但是，这一方面会增加装置的重量和操作难度，在冲击过程中，垫板（加载装置）还会产生相应的压缩变形并积累应变能，当冲击力过大时，积累的应变能会使垫板产生强烈震动和跳板的现象，从而影响测试精度。

所以，提高动态弹性模量测试仪（Evd ）测试精度的比较有效的手段就是消除垫板（加载装置）的惯性力和土体材料的惯性力两种惯性力的影响。为此，我们与日本鹿岛株式会社等共同提出了一种基于Hertz 碰撞理论的落球式岩土材料变形特性测试技术

F HP

落锤 M 1,a 1