动三轴实验系统的组成和运用

史丙新,孔军,汤才成,王明明

(1 .四川省地震局；2.四川赛思特科技有限责任公司，四川 成都 610041)

动三轴实验系统的组成和运用

史丙新1,孔军1,汤才成2,王明明1

(1 .四川省地震局；2.四川赛思特科技有限责任公司，四川 成都 610041)

在工程场地地震安全性评价中，常常需要进行动三轴实验以测定土体的土动力学参数。本文介绍了四川省地震局的动三轴实验系统的组成以及其具体的操作和运用。经过两年多的运行，通过承接大量的土体动三轴实验，弥补了四川省地震局的技术短板，培养了一批专业的技术队伍，增强了单位的技术实力和市场竞争力，保持了单位在四川省行业内的领先地位和技术优势，产生了良好的经济效益和社会效益。

土动力学参数；动剪切模量比；阻尼比；动三轴实验

在工程场地地震安全性评价中，常常需要进行动三轴实验以测定土体的土动力学参数。《工程场地地震安全性评价》(GB17741-2005)对此做了详细的规定：“应测定剪变模量比、阻尼比与剪应变关系曲线。”其中，对于Ⅱ级工作和地震小区划，更是明确规定对有代表性的土样进行动三轴实验。动三轴实验是将一定密度和湿度的试样在轴对称的三轴应力下进行固结，在排水的条件下进行的振动实验。动三轴实验可以测定土体的动强度、动模量和阻尼比。土的动模量和阻尼特征实验是研究地震等动荷载作用下土工建筑物设计和计算的基本依据，参数取用的合理性将直接影响工程建筑结构的安全性和经济性。以前，四川省地震局的地震安全性评价报告中的土动力学参数大多是参考《四川数字强震动观测网络建设》(2007)和《土的动剪切模量和阻尼比(石兆吉，1989)》的结果，这些结果测试的样品数量少，而且样品集中于个别地区，土的种类也不够丰富，测试结果也受限于当时的技术设备条件，其结果还有一些不尽合理之处。在实际地震安全性评价工作中，四川省地震局也委托过其它单位进行过土动力学参数的测试，但是实验成本很高，而且实验周期都很长，难以满足四川省地震局地震安评项目的实际需求。四川省地震局的动三轴实验系统设备采购项目于2013年开始立项，2014年6月通过专家的验收。经过近两年多的上线运行，通过承接大量的土体动三轴实验，实验人员也逐渐掌握了该实验系统的操作、维护和数据处理，多个小区划(荥经地震小区划、广元地震小区划、平武地震小区划、成都小区划)的实验结果均已通过国家地震安评委专家的评审，该试验系统的建设不但为四川省地震局节约了大量的经费，也为四川省地震局培养了一支专业的人才队伍。

1 动三轴实验系统的组成

动三轴实验系统采购的是北京宾达英创科技有限公司生产的DDS-70电磁式土动三轴试验系统。这种电磁式驱动三轴试验系统，是水利部行业标准SL237-032-1999《振动三轴试验》规程选定的仪器。同国内外已有的气动式或液压式的仪器相比，具有频率响应快、结构简单、操作方便等特点。强大的软件除了可实现应力控制、应变控制和自动分级施加动应力等控制功能外，还能输出科研和符合水利部SL237-1999《土工试验规程》之生产所必需的曲线、数据及成果报告。

1.1 仪器的实验原理

DDS-70微机控制电磁式振动三轴试验系统是研究土动力特性的实验室设备，主要做砂土液化试验，亦可作弹模实验，还可做循环荷载试验。该仪器主要部分由三轴室、激振器、电器控制柜、静压控制柜、微机系统等组成。其工作原理是将圆柱形土试样放置在充无气水的三轴室内上下活塞间，靠气压对试样施加三轴静压力，激振器将功率放大器提供的一定频率、幅值的电流转换为激振力，经下活塞施加至试样，测量记录系统将实验过程中的应力、应变、孔隙水压力值记录下来。由微机对试验的方式、程序等进行控制及数据采集和处理。

1.2 动三轴实验系统的组成部分

图1 动三轴试验系统各个组成部分

DDS-70电磁式振动三轴试验系统由以下各部分组成(参见图1)：(1)主机。包括三轴室和激振器。三轴室是由不锈钢、有机玻璃等加工件和密封件组装成的密封容器，能承受一定的压力，内部可充无气水，其功能是在实验时，上下活塞之间放置土试样。激振器由励磁线圈、振动线圈、悬挂机构组成。其功能是将功率放大器输出的电流转换为激振力。是振动三轴实验的驱动装置。(2)电控单元。它包括功率放大器和测量放大器，提供激振器励磁线圈和振动线圈所必需的电源、测量参数放大。为满足试验系统的要求，功率放大器具有足够的输出功率、良好的直流稳定性和低噪声特性。(3)微机单元。微机单元由波形发生板、PC机、A/D采集板及操作处理软件组成。其功能是提供试验所必需的波形、频率，实现各种自动控制功能、数据采集和处理、绘制各种曲线及提供成果报告(用户可根据需要选择打印机)。(4)静控柜单元。该单元是由压力容器、压力表、精密调压阀和管路系统组成。其功能是提供试验所必需的静荷载、静压力，监测静力试验参数等。

1.3 实验系统的主要技术指标

(1)试样尺寸：直径39.1 mm，高80 mm，直径50 mm，高100 mm；(2)轴向最大动出力：1.37 kN(峰-峰)；(3)三轴室压力：0～0.6 MPa，FS 1%；(4)反压：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)频率范围：1～10 Hz(正弦波)；(7)轴向最大位移：±12.5 mm，FS±1%；(8)多种自动控制；(9)符合水利部SL237-1999<土工试验规程>的多种曲线输出功能；(10)电源电压：220(AC)±10%；电源频率：50 Hz，功率：2 kW；另外，本项目使用了静音空压机，最大噪音分布不超过50分贝。

2 动三轴实验系统的运用

2.1 仪器的标定

图2 轴向位移标定曲线

在进行实验之前，仪器的各项性能均需调整，仔细标定动应力、动应变、动空隙水压力以及σ1-σ3关系。为方便起见，仪器的标定采用静力法标定。动空隙水压力标定采用经侧压系统中的压力表进行，标定时，应先将空隙水压力测量管路充水排气，逐级加压，然后逐级退压，反复两次，并绘制空隙水压力与位移的关系曲线。动应力采用标准测力环标定；动应变采用百分表进行标定(参见图2)；σ1-σ3关系采用橡皮试件、铝试件以及不装试件进行对比标定。

2.2 实验前的准备工作

(1)仔细检查各部分，联好电缆、管路，并确认完好无误。(2)确认动三轴试验系统完全正常，应对测量系统进行静态标定，标定的方法见附件。(3)按功率放大器“开(ON)”键一次，指示灯“电源(POWER)” 亮，接通220 V电源。(4)打开气源，使之压力达0.8 MPa。⑸小水罐充水，体变量管充水：顺时针旋紧放气阀；拉出调压阀手柄；顺时针旋转调压阀,使表示值小于0.05 MPa；开相应的进水球阀，关闭调压阀，开放气阀，压力表示值为零。

2.3 试样安装

(1)拆下装在压力室固定上盖的快速接头，拆下荷重传感器电缆的航空插头。(2)取下压力室罩，其方法为双手握住压紧大螺母上的手柄逆时针方向旋转至压力室罩下盖的凸处与压紧大螺母的凹处对准，双手抱住压力室罩平稳向上提，取下压力室罩后倒置于干净平稳的平面上。(3)装试样。确认管路中无气，开主机上与滴定管相通的转心阀，排净管路中的气泡后关转心阀，拧松孔压传感器接头上的放气螺钉，使放气孔出气泡至出水无气泡，拧紧放气螺钉。按土工试验规程操作，将试样装在压力室上下活塞之间。若需在仪器上制备试样，应拆下压力室活动上盖，利用承样半模在下活塞上制备试样(拆下压力室活动上盖的方法是双手握住荷重传感器支承螺栓，逆时针方向旋转至压力室活动上盖的凸处与固定上盖的凹处对准，平稳向上提，取下压力室活动上盖后倒置于干净平稳的平面上)。(4)装好试样。调上活塞导向螺母，使上活塞盖与荷重传感器刚刚接触(内置式荷重传感器无此步骤)。调支承板，使试样上平面与上活塞下平面刚好接触(若在仪器上制备试样，应按与拆下时相反的操作先装上压力室活动上盖)，捆好乳胶膜。(5)装压力室罩。用干净棉纱或毛巾将O形密封圈和沟槽及平面擦净，将压力室罩下盖的下平面擦净，凸处对准压紧大螺母的凹处放在压力室底盘的上平面上，顺时针方向旋转压紧大螺母，使压紧大螺母的凸处压住压力室罩下盖的凸处的四分之三以上，接上荷重传感器电缆。

2.4 系统调零

完成上述工作后，启动微机，运行动三轴试验系统程序，根据屏幕提示，进入试验系统调零，按显示器屏幕上的顺序逐一进行测量系统调零：⑴仔细旋转测量放大器上左起第一个调零电位器，使显示器屏幕上相应的轴向力示值为零(或接近零)。⑵调安装在主机激振器侧面的位移传感器微调装置，使位移传感器处于机械零位置，仔细旋转测量放大器上左起第二个调零电位器，使显示器屏幕上相应的轴向位移示值为零(或接近零)。⑶仔细旋转测量放大器上左起第三个调零电位器，使显示器屏幕上相应的孔隙水压力值为零(或接近零)。⑷仔细旋转测量放大器上左起第四个调零电位器，使显示器屏幕上相应的围压示值为零(或接近零)。⑸仔细旋转测量放大器上左起第五个调零电位器，使显示器屏幕上相应的体变示值为零(或接近零)。

2.5 试样饱和与固结

(1)压力室进水。开主机上的进水球阀01，拧紧放气阀,仔细向右旋转调压阀,使压力表的示值小于0.2 MPa，向压力室充水至超过试样上平面，关球阀，开放气阀，向左旋转调压阀，使压力表的示值为零。(2)加围压。装上压力室上盖上的快速接头，旋紧放气阀，在系统调零菜单上输入欲加的值，点击开始(或仔细向右旋转调压阀)，使压力表的示值为欲施加的围压值。(3)测试样饱和度。显示器上显示的孔压值和围压值之比值即为当前的饱和度。确认试样已饱和，可进行下一程序。(若需施加反压时请旋紧放气阀，仔细向右旋转调压阀，使压力表的示值为欲施加的反压值，并开球阀，后关球阀。注意：施加反压后，必须适当增加围压值，详见《土工试验操作规程》。(4)加轴压。旋紧放气阀，在系统调零菜单上输入欲加的值，点击开始(或仔细向右旋转调压阀)，施加轴向静荷载至欲施加值，同时下活塞支撑板刚好脱开。注意：对试样施加的围压、轴向静荷载及固结时的孔隙水压力值均以微机显示器示值为准，压力表示值为参考值。(5)固结排水。将体变量管内管液面调至与试样中间同高记录示值，开球阀至排水完毕关上球阀，记录示值，计算排水体积。(若已施加反压，则开球阀，显示器上孔压值为零时显示的体变值即为排水体积。)注意：若用体变传感器测量体变，请将“帮助”下的“系统配置”中的“体变传感器”选为“有”，则可实现自动采集和保存体变值。反之选为“无”，则需输入体变值。

2.6 振动试验

当确认振动试验准备正确无误，即可进行振动试验。(1)测量系统的轴向力、轴向位移调零，方法如前。(2)按“开(ON)”键三次，依次“功放(AMPL)”、“励磁(EXC)”、“动圈(VIB.COIL)”绿灯亮。(3)松开主机下活塞支撑板，并向左右分开，以免影响振动线圈移动。(4)进入试验菜单，根据屏幕提示定义波形、选择试验类型、设定试验参数。(5)当屏幕提示“试验开始吗？”时，将“功率放大器(VIBRATION CONTROLLER)”上的增益开关向右旋转至最大，单击确 定，开始振动试验。(6)当振动试验按设置的程序运行完后自动保存数据。

2.7 试验结束

图3 成都小区划某场地粘土的动剪切模量、阻尼比与剪应变的关系曲线

振动试验结束后请按以下顺序操作：(1)振动停止时先将“功率放大器(VIBRATION CONTROLLER)”上的增益开关向左旋转至关。(2)本次试验完全结束后，按“关(OFF)”键四次，依次“动圈(VIB.COIL)”、“励磁(EXC)”、“功放(AMPL)”、“电源(POWER)”绿灯灭。(3)支撑板托住下活塞。(4)在系统调零菜单上输入轴压值为零，点击开始(或向左旋放气阀，向左旋转调压阀)，卸去轴向静荷载。(5)开压力室进水转心阀，放掉压力室内的水后关阀。在系统调零菜单上输入围压值为零，点击开始(或向左旋放气阀，向左旋转调压阀)，卸去围压。⑹拆下压力室上盖上的快速接头，确认压力室内无压力时，按与装压力室罩相反的操作取下压力室罩，倒置于干净平稳的平面上。⑺取出试验后的样品，注意切勿使砂土掉在压力室内和O型橡胶密封圈沟槽处。清洗各有关部分。

2.8 数据处理

振动试验完成后可进行数据处理(参见图3)。(1)进入处理菜单，可在屏幕(或打印机上)绘制振动过程各参数的时变函数曲线、回滞环曲线。根据试验目的选择相应的处理类别，进行数据计算和将数据存盘等操作。(2)进入绘图菜单，根据试验选择的类别、控制方式选取相应菜单，可绘制动弹模或动强度所需的关系曲线以及由打印机绘出关系曲线，将实验结果汇总用数值存盘。(3)进入汇总菜单，根据试验选择的类别、控制方式选取相应菜单，读入汇总结果、绘制曲线、打印汇总结果。

3 结语

土动力学参数(动剪切模量比和阻尼比)是土体本构关系的一种反映，也是土层地震反应计算必不可少的基础数据之一。动三轴试验系统则是直接测试土动力学参数的系统。实验室的建设可加快报告完成时间和减少项目成本。为四川省地震局在大工作量、有限合同时限内更高效率、更优质的完成工程任务提供数据和技术支撑。提高四川省地震局技术实力和技术门槛，维护公司形象和声誉，同时为业务拓展打下坚实的基础。为四川省地震局的地震科研工作提供基础数据支持，根据该试验系统的测试积累的数据，实验室的技术人员还统计分析了四川省内、成都平原不同土类的土动力学参数，并进行了对比研究。该系统的建设直接弥补了四川省地震局的技术短板，培养了一批专业的技术队伍，提高了地震安全性报告的质量，增强了单位的技术实力和市场竞争力，保持了在四川省地震安评行业内的领先地位和技术优势，产生了良好的经济效益和社会效益。

[1] 中华人民共和国行业标准.SL237-1999.土工试验规程[S].北京：中华人民共和国水利部．

[2] 中华人民共和国国家标准.GB50011-2001建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[3] 袁晓铭，孙锐，孙静,等．常规土类动剪切魔量比和阻尼比试验研究[J].地震工程与工程振动.2000.20(4):133-139.

[4] 史丙新，周荣军，吕悦军,等.成都平原粘性土动力学参数统计分析[J]．震灾防御技术，2015,10(2)：305-315．

[5] 王明明，周荣军，刘韶,等.2013年香格里拉-得荣M5.9级地震震中区地质地貌调查[J].华南地震，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，河南省镇平县人，工程师，主要从事工程地震方面的研究.E-mail:sbx188@163.com

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.03.008