動三軸實驗系統(tǒng)的組成和運用

史丙新,孔軍,湯才成,王明明

(1 .四川省地震局；2.四川賽思特科技有限責任公司，四川 成都 610041)

動三軸實驗系統(tǒng)的組成和運用

史丙新1,孔軍1,湯才成2,王明明1

(1 .四川省地震局；2.四川賽思特科技有限責任公司，四川 成都 610041)

在工程場地地震安全性評價中，常常需要進行動三軸實驗以測定土體的土動力學參數。本文介紹了四川省地震局的動三軸實驗系統(tǒng)的組成以及其具體的操作和運用。經過兩年多的運行，通過承接大量的土體動三軸實驗，彌補了四川省地震局的技術短板，培養(yǎng)了一批專業(yè)的技術隊伍，增強了單位的技術實力和市場競爭力，保持了單位在四川省行業(yè)內的領先地位和技術優(yōu)勢，產生了良好的經濟效益和社會效益。

土動力學參數；動剪切模量比；阻尼比；動三軸實驗

在工程場地地震安全性評價中，常常需要進行動三軸實驗以測定土體的土動力學參數。《工程場地地震安全性評價》(GB17741-2005)對此做了詳細的規(guī)定：“應測定剪變模量比、阻尼比與剪應變關系曲線。”其中，對于Ⅱ級工作和地震小區(qū)劃，更是明確規(guī)定對有代表性的土樣進行動三軸實驗。動三軸實驗是將一定密度和濕度的試樣在軸對稱的三軸應力下進行固結，在排水的條件下進行的振動實驗。動三軸實驗可以測定土體的動強度、動模量和阻尼比。土的動模量和阻尼特征實驗是研究地震等動荷載作用下土工建筑物設計和計算的基本依據，參數取用的合理性將直接影響工程建筑結構的安全性和經濟性。以前，四川省地震局的地震安全性評價報告中的土動力學參數大多是參考《四川數字強震動觀測網絡建設》(2007)和《土的動剪切模量和阻尼比(石兆吉，1989)》的結果，這些結果測試的樣品數量少，而且樣品集中于個別地區(qū)，土的種類也不夠豐富，測試結果也受限于當時的技術設備條件，其結果還有一些不盡合理之處。在實際地震安全性評價工作中，四川省地震局也委托過其它單位進行過土動力學參數的測試，但是實驗成本很高，而且實驗周期都很長，難以滿足四川省地震局地震安評項目的實際需求。四川省地震局的動三軸實驗系統(tǒng)設備采購項目于2013年開始立項，2014年6月通過專家的驗收。經過近兩年多的上線運行，通過承接大量的土體動三軸實驗，實驗人員也逐漸掌握了該實驗系統(tǒng)的操作、維護和數據處理，多個小區(qū)劃(滎經地震小區(qū)劃、廣元地震小區(qū)劃、平武地震小區(qū)劃、成都小區(qū)劃)的實驗結果均已通過國家地震安評委專家的評審，該試驗系統(tǒng)的建設不但為四川省地震局節(jié)約了大量的經費，也為四川省地震局培養(yǎng)了一支專業(yè)的人才隊伍。

1 動三軸實驗系統(tǒng)的組成

動三軸實驗系統(tǒng)采購的是北京賓達英創(chuàng)科技有限公司生產的DDS-70電磁式土動三軸試驗系統(tǒng)。這種電磁式驅動三軸試驗系統(tǒng)，是水利部行業(yè)標準SL237-032-1999《振動三軸試驗》規(guī)程選定的儀器。同國內外已有的氣動式或液壓式的儀器相比，具有頻率響應快、結構簡單、操作方便等特點。強大的軟件除了可實現應力控制、應變控制和自動分級施加動應力等控制功能外，還能輸出科研和符合水利部SL237-1999《土工試驗規(guī)程》之生產所必需的曲線、數據及成果報告。

1.1 儀器的實驗原理

DDS-70微機控制電磁式振動三軸試驗系統(tǒng)是研究土動力特性的實驗室設備，主要做砂土液化試驗，亦可作彈模實驗，還可做循環(huán)荷載試驗。該儀器主要部分由三軸室、激振器、電器控制柜、靜壓控制柜、微機系統(tǒng)等組成。其工作原理是將圓柱形土試樣放置在充無氣水的三軸室內上下活塞間，靠氣壓對試樣施加三軸靜壓力，激振器將功率放大器提供的一定頻率、幅值的電流轉換為激振力，經下活塞施加至試樣，測量記錄系統(tǒng)將實驗過程中的應力、應變、孔隙水壓力值記錄下來。由微機對試驗的方式、程序等進行控制及數據采集和處理。

1.2 動三軸實驗系統(tǒng)的組成部分

圖1 動三軸試驗系統(tǒng)各個組成部分

DDS-70電磁式振動三軸試驗系統(tǒng)由以下各部分組成(參見圖1)：(1)主機。包括三軸室和激振器。三軸室是由不銹鋼、有機玻璃等加工件和密封件組裝成的密封容器，能承受一定的壓力，內部可充無氣水，其功能是在實驗時，上下活塞之間放置土試樣。激振器由勵磁線圈、振動線圈、懸掛機構組成。其功能是將功率放大器輸出的電流轉換為激振力。是振動三軸實驗的驅動裝置。(2)電控單元。它包括功率放大器和測量放大器，提供激振器勵磁線圈和振動線圈所必需的電源、測量參數放大。為滿足試驗系統(tǒng)的要求，功率放大器具有足夠的輸出功率、良好的直流穩(wěn)定性和低噪聲特性。(3)微機單元。微機單元由波形發(fā)生板、PC機、A/D采集板及操作處理軟件組成。其功能是提供試驗所必需的波形、頻率，實現各種自動控制功能、數據采集和處理、繪制各種曲線及提供成果報告(用戶可根據需要選擇打印機)。(4)靜控柜單元。該單元是由壓力容器、壓力表、精密調壓閥和管路系統(tǒng)組成。其功能是提供試驗所必需的靜荷載、靜壓力，監(jiān)測靜力試驗參數等。

1.3 實驗系統(tǒng)的主要技術指標

(1)試樣尺寸：直徑39.1 mm，高80 mm，直徑50 mm，高100 mm；(2)軸向最大動出力：1.37 kN(峰-峰)；(3)三軸室壓力：0～0.6 MPa，FS 1%；(4)反壓：0～0.3 MPa，FS1%；(5)波形：正弦波、三角波、矩形波、任意周期波(地震波)；(6)頻率范圍：1～10 Hz(正弦波)；(7)軸向最大位移：±12.5 mm，FS±1%；(8)多種自動控制；(9)符合水利部SL237-1999<土工試驗規(guī)程>的多種曲線輸出功能；(10)電源電壓：220(AC)±10%；電源頻率：50 Hz，功率：2 kW；另外，本項目使用了靜音空壓機，最大噪音分布不超過50分貝。

2 動三軸實驗系統(tǒng)的運用

2.1 儀器的標定

圖2 軸向位移標定曲線

在進行實驗之前，儀器的各項性能均需調整，仔細標定動應力、動應變、動空隙水壓力以及σ1-σ3關系。為方便起見，儀器的標定采用靜力法標定。動空隙水壓力標定采用經側壓系統(tǒng)中的壓力表進行，標定時，應先將空隙水壓力測量管路充水排氣，逐級加壓，然后逐級退壓，反復兩次，并繪制空隙水壓力與位移的關系曲線。動應力采用標準測力環(huán)標定；動應變采用百分表進行標定(參見圖2)；σ1-σ3關系采用橡皮試件、鋁試件以及不裝試件進行對比標定。

2.2 實驗前的準備工作

(1)仔細檢查各部分，聯好電纜、管路，并確認完好無誤。(2)確認動三軸試驗系統(tǒng)完全正常，應對測量系統(tǒng)進行靜態(tài)標定，標定的方法見附件。(3)按功率放大器“開(ON)”鍵一次，指示燈“電源(POWER)” 亮，接通220 V電源。(4)打開氣源，使之壓力達0.8 MPa。⑸小水罐充水，體變量管充水：順時針旋緊放氣閥；拉出調壓閥手柄；順時針旋轉調壓閥,使表示值小于0.05 MPa；開相應的進水球閥，關閉調壓閥，開放氣閥，壓力表示值為零。

2.3 試樣安裝

(1)拆下裝在壓力室固定上蓋的快速接頭，拆下荷重傳感器電纜的航空插頭。(2)取下壓力室罩，其方法為雙手握住壓緊大螺母上的手柄逆時針方向旋轉至壓力室罩下蓋的凸處與壓緊大螺母的凹處對準，雙手抱住壓力室罩平穩(wěn)向上提，取下壓力室罩后倒置于干凈平穩(wěn)的平面上。(3)裝試樣。確認管路中無氣，開主機上與滴定管相通的轉心閥，排凈管路中的氣泡后關轉心閥，擰松孔壓傳感器接頭上的放氣螺釘，使放氣孔出氣泡至出水無氣泡，擰緊放氣螺釘。按土工試驗規(guī)程操作，將試樣裝在壓力室上下活塞之間。若需在儀器上制備試樣，應拆下壓力室活動上蓋，利用承樣半模在下活塞上制備試樣(拆下壓力室活動上蓋的方法是雙手握住荷重傳感器支承螺栓，逆時針方向旋轉至壓力室活動上蓋的凸處與固定上蓋的凹處對準，平穩(wěn)向上提，取下壓力室活動上蓋后倒置于干凈平穩(wěn)的平面上)。(4)裝好試樣。調上活塞導向螺母，使上活塞蓋與荷重傳感器剛剛接觸(內置式荷重傳感器無此步驟)。調支承板，使試樣上平面與上活塞下平面剛好接觸(若在儀器上制備試樣，應按與拆下時相反的操作先裝上壓力室活動上蓋)，捆好乳膠膜。(5)裝壓力室罩。用干凈棉紗或毛巾將O形密封圈和溝槽及平面擦凈，將壓力室罩下蓋的下平面擦凈，凸處對準壓緊大螺母的凹處放在壓力室底盤的上平面上，順時針方向旋轉壓緊大螺母，使壓緊大螺母的凸處壓住壓力室罩下蓋的凸處的四分之三以上，接上荷重傳感器電纜。

2.4 系統(tǒng)調零

完成上述工作后，啟動微機，運行動三軸試驗系統(tǒng)程序，根據屏幕提示，進入試驗系統(tǒng)調零，按顯示器屏幕上的順序逐一進行測量系統(tǒng)調零：⑴仔細旋轉測量放大器上左起第一個調零電位器，使顯示器屏幕上相應的軸向力示值為零(或接近零)。⑵調安裝在主機激振器側面的位移傳感器微調裝置，使位移傳感器處于機械零位置，仔細旋轉測量放大器上左起第二個調零電位器，使顯示器屏幕上相應的軸向位移示值為零(或接近零)。⑶仔細旋轉測量放大器上左起第三個調零電位器，使顯示器屏幕上相應的孔隙水壓力值為零(或接近零)。⑷仔細旋轉測量放大器上左起第四個調零電位器，使顯示器屏幕上相應的圍壓示值為零(或接近零)。⑸仔細旋轉測量放大器上左起第五個調零電位器，使顯示器屏幕上相應的體變示值為零(或接近零)。

2.5 試樣飽和與固結

(1)壓力室進水。開主機上的進水球閥01，擰緊放氣閥,仔細向右旋轉調壓閥,使壓力表的示值小于0.2 MPa，向壓力室充水至超過試樣上平面，關球閥，開放氣閥，向左旋轉調壓閥，使壓力表的示值為零。(2)加圍壓。裝上壓力室上蓋上的快速接頭，旋緊放氣閥，在系統(tǒng)調零菜單上輸入欲加的值，點擊開始(或仔細向右旋轉調壓閥)，使壓力表的示值為欲施加的圍壓值。(3)測試樣飽和度。顯示器上顯示的孔壓值和圍壓值之比值即為當前的飽和度。確認試樣已飽和，可進行下一程序。(若需施加反壓時請旋緊放氣閥，仔細向右旋轉調壓閥，使壓力表的示值為欲施加的反壓值，并開球閥，后關球閥。注意：施加反壓后，必須適當增加圍壓值，詳見《土工試驗操作規(guī)程》。(4)加軸壓。旋緊放氣閥，在系統(tǒng)調零菜單上輸入欲加的值，點擊開始(或仔細向右旋轉調壓閥)，施加軸向靜荷載至欲施加值，同時下活塞支撐板剛好脫開。注意：對試樣施加的圍壓、軸向靜荷載及固結時的孔隙水壓力值均以微機顯示器示值為準，壓力表示值為參考值。(5)固結排水。將體變量管內管液面調至與試樣中間同高記錄示值，開球閥至排水完畢關上球閥，記錄示值，計算排水體積。(若已施加反壓，則開球閥，顯示器上孔壓值為零時顯示的體變值即為排水體積。)注意：若用體變傳感器測量體變，請將“幫助”下的“系統(tǒng)配置”中的“體變傳感器”選為“有”，則可實現自動采集和保存體變值。反之選為“無”，則需輸入體變值。

2.6 振動試驗

當確認振動試驗準備正確無誤，即可進行振動試驗。(1)測量系統(tǒng)的軸向力、軸向位移調零，方法如前。(2)按“開(ON)”鍵三次，依次“功放(AMPL)”、“勵磁(EXC)”、“動圈(VIB.COIL)”綠燈亮。(3)松開主機下活塞支撐板，并向左右分開，以免影響振動線圈移動。(4)進入試驗菜單，根據屏幕提示定義波形、選擇試驗類型、設定試驗參數。(5)當屏幕提示“試驗開始嗎？”時，將“功率放大器(VIBRATION CONTROLLER)”上的增益開關向右旋轉至最大，單擊確 定，開始振動試驗。(6)當振動試驗按設置的程序運行完后自動保存數據。

2.7 試驗結束

圖3 成都小區(qū)劃某場地粘土的動剪切模量、阻尼比與剪應變的關系曲線

振動試驗結束后請按以下順序操作：(1)振動停止時先將“功率放大器(VIBRATION CONTROLLER)”上的增益開關向左旋轉至關。(2)本次試驗完全結束后，按“關(OFF)”鍵四次，依次“動圈(VIB.COIL)”、“勵磁(EXC)”、“功放(AMPL)”、“電源(POWER)”綠燈滅。(3)支撐板托住下活塞。(4)在系統(tǒng)調零菜單上輸入軸壓值為零，點擊開始(或向左旋放氣閥，向左旋轉調壓閥)，卸去軸向靜荷載。(5)開壓力室進水轉心閥，放掉壓力室內的水后關閥。在系統(tǒng)調零菜單上輸入圍壓值為零，點擊開始(或向左旋放氣閥，向左旋轉調壓閥)，卸去圍壓。⑹拆下壓力室上蓋上的快速接頭，確認壓力室內無壓力時，按與裝壓力室罩相反的操作取下壓力室罩，倒置于干凈平穩(wěn)的平面上。⑺取出試驗后的樣品，注意切勿使砂土掉在壓力室內和O型橡膠密封圈溝槽處。清洗各有關部分。

2.8 數據處理

振動試驗完成后可進行數據處理(參見圖3)。(1)進入處理菜單，可在屏幕(或打印機上)繪制振動過程各參數的時變函數曲線、回滯環(huán)曲線。根據試驗目的選擇相應的處理類別，進行數據計算和將數據存盤等操作。(2)進入繪圖菜單，根據試驗選擇的類別、控制方式選取相應菜單，可繪制動彈模或動強度所需的關系曲線以及由打印機繪出關系曲線，將實驗結果匯總用數值存盤。(3)進入匯總菜單，根據試驗選擇的類別、控制方式選取相應菜單，讀入匯總結果、繪制曲線、打印匯總結果。

3 結語

土動力學參數(動剪切模量比和阻尼比)是土體本構關系的一種反映，也是土層地震反應計算必不可少的基礎數據之一。動三軸試驗系統(tǒng)則是直接測試土動力學參數的系統(tǒng)。實驗室的建設可加快報告完成時間和減少項目成本。為四川省地震局在大工作量、有限合同時限內更高效率、更優(yōu)質的完成工程任務提供數據和技術支撐。提高四川省地震局技術實力和技術門檻，維護公司形象和聲譽，同時為業(yè)務拓展打下堅實的基礎。為四川省地震局的地震科研工作提供基礎數據支持，根據該試驗系統(tǒng)的測試積累的數據，實驗室的技術人員還統(tǒng)計分析了四川省內、成都平原不同土類的土動力學參數，并進行了對比研究。該系統(tǒng)的建設直接彌補了四川省地震局的技術短板，培養(yǎng)了一批專業(yè)的技術隊伍，提高了地震安全性報告的質量，增強了單位的技術實力和市場競爭力，保持了在四川省地震安評行業(yè)內的領先地位和技術優(yōu)勢，產生了良好的經濟效益和社會效益。

[1] 中華人民共和國行業(yè)標準.SL237-1999.土工試驗規(guī)程[S].北京：中華人民共和國水利部．

[2] 中華人民共和國國家標準.GB50011-2001建筑抗震設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[3] 袁曉銘，孫銳，孫靜,等．常規(guī)土類動剪切魔量比和阻尼比試驗研究[J].地震工程與工程振動.2000.20(4):133-139.

[4] 史丙新，周榮軍，呂悅軍,等.成都平原粘性土動力學參數統(tǒng)計分析[J]．震災防御技術，2015,10(2)：305-315．

[5] 王明明，周榮軍，劉韶,等.2013年香格里拉-得榮M5.9級地震震中區(qū)地質地貌調查[J].華南地震，2017,37(1)：106-113.

TheCompositionandApplicationofDynamicTri-axialExperimentalSystem

SHI Bingxin1, KONG Jun1, TANG Caicheng2, WANG Mingming1

(1.Sichuan Earthquake Agency; 2 Sichuan Seistech Technology Co. Ltd,Sichuan Chengdu 610041, China)

On the seismic safety evaluation of engineering sites, it is often necessary to carry out the dynamic tri-axial tests to determine the soil dynamic parameters. This paper introduces the composition and application of the tri-axial experiment system. After two years of operation, through undertaking large soil tri-axial experiments. Our experiments for two years on line make up the short board of my unit technology, trains a group of professional technical team, enhances the unit’s technical strength and market competitiveness, keeps the unit in Sichuan Province in the industry leading position and technological advantages, has a good economic and social benefits.

soil dynamic parameter; dynamic shear modulus; damping ratio; dynamic tri-axial experimental

P315.931

:B

:1001-8115(2017)03-0033-04

2017-01-18

史丙新(1983-)，男，河南省鎮(zhèn)平縣人，工程師，主要從事工程地震方面的研究.E-mail:sbx188@163.com

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.03.008