土动力学试验平台

土动力学实验室简介

土动力学实验室拥有国际上最先进的进口电液伺服控制双向动三轴仪（STX-200）和共振柱测试仪（TSH-100）等设备，可以完成砂土、粉土、软粘土的动力特性(动强度、动模量、动阻尼、液化等)的测试，地震荷载、交通循环荷载或波浪循环荷载作用下软弱土的软化特性及变形特性测试等实验项目。本实验室为面向土建类本科生的实验教学基地，承担了我校土木工程、地质工程、勘查技术与工程、工程管理等专业课程的实验教学任务。内容涵盖土力学、岩土工程勘察、工程地震学、工程动力地质学、振动与波动基础等课程的相关实验教学。同时，还承担了地震工程、地质灾害等学科硕士研究生的实验教学和科研任务。

STX-200电液伺服控制双向动三轴测试系统

一、特点

电液伺服控制双向动三轴测试系统可以进行传统的三轴试验，即等应变速率轴向压缩试验，也可以进行高级试验，例如应力或应变路径，双向动三轴试验。该系统是多用途的，可以进行动态测试如液化强度，回弹模量和动强度等。二、规格

◆最大轴向加载力：±50KN

◆最大位移：100mm

◆标准围压和反压：1000kPa

◆轴向动态加载频率：5Hz

◆试样直径：38mm，70mm，100mm

图1 STX-200电液伺服控制双向动三轴测试系统

三、动三轴试验原理

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、试验操作步骤

1、试样制备及安装

2、试样饱和

3、三向加压固结

4、施加轴向动力荷载

5、数据记录及处理

6、试验结果分析

7、试验报告整理

四、试验结果

试验破坏标准判断主要有液化标准有u d=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就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。

图2 典型的液化和强度试验曲线

图3 典型的液化和强度试验曲线

图4 典型试样滞回圈形态

图5 试验后已经破坏的试样

TSH-100共振柱测试系统

一、特点

可以对土体实心和空心试样进行模量/阻尼共振柱试验；浮动式激振和测量系统可以进行大角度扭转或轴向振动试验；可获得粘性土和非粘性土剪切模量和阻尼比

二、规格

◆浮动式激振频率范围：0到250Hz

◆峰值扭矩：2.33N-m；连续扭矩：0.78N-m

◆最大剪切行程：±25°

◆剪切应变范围：10-6——10-2

◆光纤应变传感器双输出范围：±0.1mm及±5mm

◆响应频率:15kHz

◆标准围压和反压：1000kPa

◆试样直径：35mm，50mm，70mm；试件长度为其直径的2.0—2.5倍

图6 TSH-100共振柱测试系统

三、实验原理

共振柱仪的基本原理是将一定湿度、密度和应力条件下的圆柱或圆筒形土样作为一端固定一端自由的杆件体系考虑，以不同频率的激振力顺次使土样扭转向振动或纵向振动，改变振动频率使其产生共振，测定其共振频率，以确定弹性波在土样中传播的速度，再切断动力，测记出振动衰减曲线。根据这个共振频率和土样的几何尺寸，计算土样动模量G d或E d，根据衰减曲线计算阻尼比D。共振柱法是一种无损试验技术，不破坏土的结构，能十分精确地测定土的动力特性，其所测应变量可低至10-6，最大应变量可达10-2，同时，它的优越性还表现在试验的可逆性和重复性上，从而可以求得十分稳定可靠的结果。

四、实验步骤

1、试样制备及安装

2、三向加压固结

4、激振

（1）试样在较低的应变值下激振，测定其模量值和阻尼比

（2）逐渐增大激振力（增大应变）8~10次，重复测定模量和阻尼比

（3）增加固结压力至下一级，重复上述步骤（1）和（2）

（4）到达最后一级固结应力（σ0max），试样在低应变下激振，测定其模量值和阻尼比阻尼比

5、数据记录及处理

6、试验结果分析

7、试验报告整理

五、实验结果

给一个试样分别加上不同的初始静扭力就可用计算出相应的剪切模量和剪应变，用这些数据可绘成下图所示的剪切模量和剪切应变关系曲线供设计和研究使用。

图7 典型试样的动剪切模量比和阻尼比随剪应变变化曲线