土动力学特性试验及其发展现状

橡皮膜嵌入及加强作用 试样应力应变状态不均匀
端部约束
压缩应力条件下呈鼓胀形 挤伸条件下呈缩径形 主轴与试样端部脱离接触 圆筒样的变形呈弹塑性变化
仪器系统阻尼
动力试验机系统又是一个有阻尼的振动系统。
仪器系统校正方法
橡皮膜内装与土样同体积的水，施加固结 压力，测试水试样变形过程传力机构往返运动 的阻力。 建立变形速率与仪器系统阻力之间的关系 曲线，依据土试样的变形速率可以扣除仪器系 统的阻力。
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引言 土动力特性的测试设备系统 动三轴试验 共振柱试验 动扭剪试验 影响因素及系统阻尼 结论
试验条件与目的
动三轴试验测试在10-4-10-2应变范围之间的动 力特性。 测试得到的动应力、动应变和动孔压时程曲 线，可以得到饱和土的动孔压累计增长发展变化 规律，破坏时的循环动应力及破坏振次，动应力 动应变滞回曲线和动应力应变骨干曲线，以及给 定静应力条件下的震陷变形曲线。
发展历史
黄文熙（1959）首先提出了动三轴试验思想； 汪闻韶主持研制了我国第一台振动三轴仪。
1962年我国水电部《土工试验操作规程》 中列入了动三轴试验项目。 Seed（美国，1966）等提出了利用动三轴 试验结果解决实际工程问题的方法。 1975年安徽省水利科学研究所研制成功了 惯性力式动三轴仪。
电动马达驱动激振
利用高速旋转的马达驱动丝杆往返运动，从而将往 返运动再传递给试样底座，来实现动力加载。
控制与量测记录系统
将动力输入由数字信号转化为电信号进行闭环控制， 同时测定振动作用过程试件实际的动应力时程和所产生的 动应变时程和动孔压时程。
传感器 滤波器 记录器 计算机 信号发生器
放大器
电磁伺服阀 动荷驱动器
土动力学特性试验及其发展现状
邵生俊
西安理工大学岩土工程研究所
2008.10
目录
• • • • • • • 引言 土动力特性的测试设备系统 动三轴试验 共振柱试验 动扭剪试验 影响因素及系统阻尼 结论
引言
土的动力学试验：
土的动力特性试验 土体动力模型试验
动力特性试验设备均包括：
成样系统 激振系统 量测控制系统
动力试验技术的发展应该在克服仪器系统阻尼，提 高试验精度方面下功夫，进一步发展我国土动力学特性 试验测试技术。
电磁式激振原理示意图
气动式激振
利用向活塞两 侧轮换供入和排出 压缩空气的方法， 驱动活塞杆作往复 运动，达到激振的 目的。
电动-液压式激振
利用小型电磁式激振器来推动液压随动系统，使液 压往复作用于液压活塞上，引起底座的振动。
电动-气压式激振
利用小型电磁式激振器来推动气压随动系统，使气压 再往复作用在气压伺服阀上，引起底座的振动。
内腔侧压 力
外腔侧压 力 侧向正应力
薄壁圆筒样受力条件
单元体应力条件
空心圆筒试样上独立施加内、外压力，轴向荷载及 横截面上振动扭矩，可以模拟单元体上径向、环向和轴 向正应力及扭转剪切应力四个应力变量。 通过扭转往返运动、轴向往返运动及内、外压力循 环变化，可以实现单向、双向和三向振动作用下动力试 验。 可以独立变化三个主应力的大小和方向，从而实现 主应力方向的旋转。
但是，该仪器装样时需将扭转、轴向振动传力机构顶 升，不方便，也不安全。
扭转、轴向、径向三向振动试验仪
西 安 理 工 大 学 新 型 扭 剪 仪
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引言 土动力特性的测试设备系统 动三轴试验 共振柱试验 动扭剪试验 影响因素及系统阻尼 结论
动力特性试验的影响因素
试样制备
原状样：切削扰动 尺寸差异 不均匀 含水量控制 重塑样：选样代表性 装样方法 饱和度差异 不均匀
扭转单向振动试验仪
西北农林科技大学扭剪仪 圆筒试样： 内径30mm/ 60mm 外径70mm/ 100mm 高100mm/ 150mm 电液伺服单驱动器 齿轮、齿条传动 邵生俊（1985年）利用该 振动扭剪试验仪进行了饱 和砂土的动力试验。
原西北水科所扭剪仪 日本诚研株式会社制造
扭转、轴向双向振动试验仪
在10-6-10-3的应变范围内研究土的动力变形性质。 中国科学院工程力学所研制成功了我国第一台共 振柱仪（GZ-1型）。
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引言 土动力特性的测试设备系统 动三轴试验 共振柱试验 动扭剪试验 影响因素及系统阻尼 结论
应力条件与特点
环向剪应力 轴向压应力
轴向正应力
环向剪应力 环向正应力
大连理工大学扭剪仪 电液伺服双驱动器 齿轮、齿条传动
栾茂田等（2002年）利用 该振动扭剪试验仪进行了 土的动力试验。
日本诚研株式会社制造
河海大学扭剪仪 电液伺服双驱动器 齿轮、齿条传动
丰土根等（2005年）利用 该振动扭剪试验仪进行了 土的动力试验。
日本圆井株式会社制造
浙江大学扭剪仪 空心圆筒试样： 内径60mm/ 160mm 外径100mm/ 200mm 高200mm/ 400mm 电动马达双驱动 活动基座 英国GDS仪器设备有限公司制造
电磁式动三轴仪 （西安理工大学改造）
电-液伺服双向振动三轴仪
北京新技术应用研究所制 造，1992
西安理工大学与天水红山试验 机厂研制，1993
电动马达驱动动三轴仪
英国GDS有限公司制造
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引言 土动力特性的测试设备系统 动三轴试验 共振柱试验 动扭剪试验 影响因素及系统阻尼 结论
ห้องสมุดไป่ตู้
1976年北京地形地质测绘处与北京市科学仪 器修配厂等单位试制成功了DSZ-100型电磁式动三 轴仪。同年，西北农学院水利系（现西安理工大 学水电学院岩土工程研究所）成功研制开发出了 气动式动三轴仪。 此后，由电力部西北电力设计院，中国科学 院工程力学所先后试制成功了电磁力双向激振三 轴仪。
试验设备
结述语
电磁式、液压式动三轴仪已经在我国工程实践中得 到了广泛应用，在科研、教学、生产单位得到了普及。 电磁-液压式及电磁-气压式动扭剪仪已在我国教学、 科研单位得到重视和应用，已经由扭转单向振动发展为 轴向、扭转耦合双向振动，且正在研发轴向、扭转、侧 向三向耦合振动扭剪仪。 多向耦合振动扭剪仪对于研究复杂应力条件下土的 动力学特性提供了物质基础。
土的动力特性试验设备：
动直剪仪、动单剪仪、动三轴仪、共振柱仪、动扭剪仪等
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引言 土动力特性的测试设备系统 动三轴试验 共振柱试验 动扭剪试验 影响因素及系统阻尼 结论
成样系统
形成一个满足试验要求条件（湿度、密度、应力状 态等）并具有代表性的试样。 满足便于装样、饱和、密度控制、荷载控制、以及 应变和孔压的量测，并尽量消除各种边界的影响。
振动台上圆筒样
动力单剪试样
动力直剪试样
动三轴试样
空心圆筒扭剪试样
激振系统
一种对试样产生动力荷载的系统。主要分为机械式， 电动式，气动式，电动-液压式及电动-气压式等。
机械式激振： 偏心式，离心式和冲击式。 电动式激振：
利用恒定磁场内的带电导体会受到一定电磁力作 用产生运动而产生激振。
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兰州地震局扭剪仪 空心圆筒试样： 内径60mm 外径100mm 高200mm 电气伺服双驱动器 铰接杆传动
英国WF公司制造
上世纪九十年代初，中国水利科学院研制了一台电磁 -液压伺服压、扭双向振动扭剪仪。
西安理工大学也购置了同样的扭剪仪，并对自动控制 系统进行了改造。姚仰平博士（1994）在该仪器上进行了 饱和砂土主应力轴旋转试验研究。