Bruce Menzies, Patrick Hooker, Karl Snelling and Jerry Sutton.
1. 概述
我們寫這篇文章主要目的是為了回答許多客戶提出的有關(guān)在室內(nèi)進(jìn)行土的動態(tài)試驗(yàn)和地震試驗(yàn)的一些問題。以下我們主要考慮研究土在受到地震波(頻率在0.1~10Hz)影響下的性能。然后再評估不同的試驗(yàn)控制方式:氣動、液壓和電磁方式。提出“哪一種控制方式好?”的問題。
接著,我們將回顧在實(shí)驗(yàn)室利用地震波法確定土的剛度的方法——關(guān)于野外利用地震波的方法將有另外的文章單獨(dú)討論,在GDS網(wǎng)頁上也可以查到。在文章中我們還討論了彎曲晶片系統(tǒng),該系統(tǒng)可以用來在三軸試驗(yàn)中測量剪切模量,不管是在快速不排水試驗(yàn)中還是在動態(tài)試驗(yàn)中都可以。最后我們列出了一系列參考書目,書目中有一系列有關(guān)三軸試驗(yàn)的文章,也包括動三軸試驗(yàn)典型結(jié)果的文章。
2. 利用動三軸試驗(yàn)?zāi)M地震條件
地震是我們這個星球地質(zhì)運(yùn)動的一部分,我們必須想辦法保護(hù)自己,是自己不受到傷害??梢詰?yīng)用好的工程學(xué)原理來減輕地震運(yùn)動對結(jié)構(gòu)物的危害。另外,我們還需要評估土層的特性。無論是已有建筑還是待建建筑都可以通過結(jié)構(gòu)物間的良好連接來減少振動造成的危害。軟弱的地基一方面可以吸收較多的振動能量,但另一方面也容易產(chǎn)生液化。軟土通常是飽和的。在振動時(shí),孔隙水壓是不斷增加的。而有效應(yīng)力是逐漸減少的,因此土層的強(qiáng)度和剛度也是逐漸減少的。
極端的情形是孔隙水壓力增加到與總應(yīng)力相等,土變成像流沙一樣的流體。這里,增加的孔壓不取決于頻率,而只取決于振動的幅值和周期數(shù)。然而,在非飽和土中,孔隙水壓和孔隙氣壓的增加將導(dǎo)致強(qiáng)度降低,這只能在不排水條件下模擬實(shí)際的頻率來進(jìn)行評估。
顯然,在高頻循環(huán)加載之前、中間和之后測量土的特性是非常必要的。我們有必要知道土層是否會由于孔壓的增加而強(qiáng)度降低。如果是這樣,我們則需要測量強(qiáng)度降低的多少,以便了解我們的建筑物是否仍然安全。
美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(ASTM)規(guī)程D3999-91“使用循環(huán)三軸設(shè)備測定土的模量和阻尼特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法”中詳細(xì)說明了對這種設(shè)備性能特征的要求。條例中說“這些試驗(yàn)用來研究自然和工程結(jié)構(gòu)物在受到由地震、海洋波浪或爆炸引起的動態(tài)循環(huán)加載時(shí)的性能?!?br />
圖1 1993年3月13日,從距離地震中心10KM的土耳其Erzincan地震觀測站采集的強(qiáng)震記錄5%阻尼波譜
地震波的頻率最大只有10Hz,低于人的聽覺頻率。請見圖1中的反饋波譜,我們可以看到0.1–10Hz 內(nèi)的加速度峰值、0.1–2Hz 內(nèi)的相對速度和相對位移值。ASTM3999-91規(guī)程中說,理想的三軸試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)該可以提供0.1- 2Hz的頻率。
圖2 和圖3顯示了飽和Hostun RF砂的典型試驗(yàn)結(jié)果。軸向力按照0.2Hz的頻率以正弦波的方式變化。應(yīng)力路徑結(jié)果顯示在圖2中。液化發(fā)生在圖3中的第16個循環(huán)。對飽和土而言,不排水試驗(yàn)對頻率不敏感,孔壓隨時(shí)間增加(或強(qiáng)度降低)只與幅值和循環(huán)數(shù)有關(guān)。對于部分飽和的土來說,快速加載可以引起部分排水,此時(shí),頻率是一個重要的試驗(yàn)參數(shù)。典型的試驗(yàn)結(jié)果請參考附錄I: Short Course Notes: Triaxial Test (after Simons, Menzies and Matthews, 2002).
圖2 孔隙水壓增加 (Courtesy of CETE Mediterranee).
圖3 0.2Hz 下的應(yīng)力路徑(Courtesy of CETE
Mediterranee).
計(jì)算機(jī)控制的高頻三軸試驗(yàn)系統(tǒng)符合ASTM 3999-91 標(biāo)準(zhǔn),見圖4 和圖5。
圖4 GDS 2 Hz / 50kN 38/50/70/100mm 動態(tài)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)
圖5 GDS 10 Hz / 20kN 70mm 動態(tài)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)
有時(shí),不知道什么原因,地震能量會慢慢釋放,這個過程可能會是幾分鐘、幾天或幾年,此時(shí)沒有地震發(fā)生,但巖石會產(chǎn)生滑動,這就是我們說的無震滑動或蠕變。有時(shí),由于巖石的爆裂,能量會在幾秒鐘內(nèi)快速釋放,此時(shí)會產(chǎn)生地震。從爆裂口產(chǎn)生的地震波主要以三種波傳播。傳播最快的是主波或P波,它是一種壓縮-膨脹波(圖6),在巖石中的傳播速度大約為5公里/秒。傳播較慢的為次波或S(剪切)波,該波不能在液體中傳播,也不能穿透地殼。傳播最慢的是面波,包括主瑞利波和Love波,其穿透深度取決于波長。表面波在淺部地震中傳播大量能量,因此往往用振幅來判斷表面波的大小。在1960年的智利地震中,記錄到地震發(fā)生后60小時(shí)且在地表傳播20次后仍然具有很大的能量。
圖6 地震波在土體中的傳播方式
土層勘察不僅應(yīng)該包括實(shí)驗(yàn)室的動態(tài)三軸試驗(yàn),還應(yīng)該包括利用類似GDS SASW(表面波頻譜分析儀)和CSW(連續(xù)表面波)系統(tǒng)完成的現(xiàn)場試驗(yàn),這樣似乎更加合理。
3. 采用氣壓、液壓和電機(jī)三種控制方式,哪一種好?
3.1 概述
不同的動三軸儀生產(chǎn)廠家使用不同的控制方式。主要有:氣壓、液壓和電機(jī)三種方式。
不同的控制方式有不同的特點(diǎn),具體采用哪種控制方式將取決于實(shí)際的應(yīng)用。因?yàn)椴煌目刂品绞皆陟o態(tài)和動態(tài)情形下會有不同的性能特征。因此需要根據(jù)用戶的研究過程來選擇正確的系統(tǒng)和相應(yīng)的控制方式。
當(dāng)我們考察一個動三軸系統(tǒng)時(shí),討論的重點(diǎn)在于儀器的動態(tài)性能。無庸置疑地,液壓或氣壓控制系統(tǒng)在頻率大于10Hz時(shí),其性能(及價(jià)格)優(yōu)于電機(jī)控制系統(tǒng)。其不足是在如此高的頻率下,精度不高,用戶必須決定一個可以接受的誤差范圍。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn),許多動三軸供應(yīng)商只強(qiáng)調(diào)他們的輸入設(shè)備的性能,如空壓機(jī)或液壓閥的性能,而不談其輸出的精度。供應(yīng)商在描述輸入和輸出的差異上的不明確,導(dǎo)致用戶無法通過后面的試驗(yàn)來解決,因?yàn)樵O(shè)備已經(jīng)購買了。因此,從明確標(biāo)明輸出而不是輸入指標(biāo)的供應(yīng)商處購買設(shè)備是較好的選擇。通過安裝在試樣上的傳感器(例如:水下荷重傳感器)獲得反饋信號來控制試驗(yàn)的系統(tǒng)是比較好的系統(tǒng)。當(dāng)然,客戶在購買設(shè)備前還需要考慮其它的因素。這些因素將在下面提到。
3.2 伺服控制系統(tǒng)
液壓和氣壓是常用的壓力控制方式。它們是通過一個可旋轉(zhuǎn)的閥門來來控制一些相關(guān)的參數(shù)——壓力、力或扭矩。這意味著完成虛擬的閉合回路控制(即在液壓驅(qū)動裝置中控制壓力)是簡單的。而扭矩或力的真實(shí)閉合回路控制是通過扭矩和力的傳感器來完成的,由于試樣的無線性和不同密封口的摩擦使得其變得很復(fù)雜。由于以下問題的存在,使得想通過液壓或氣壓系統(tǒng)精確控制位移變得非常困難:
? 中介物(氣或油)的可壓縮性以及驅(qū)動系統(tǒng)中的滑動桿將使控制成為非線性。
? 在控制路徑中大部分?jǐn)?shù)字閉合回路控制系統(tǒng)采用的是12bit的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),因此,其分辨率只能達(dá)到1/4000。
電機(jī)方案是使用無電刷直流電動馬達(dá)驅(qū)動,通過遠(yuǎn)程傳感器(荷載、扭矩或壓力)的反饋數(shù)字信號控制位置或速度。對于荷載、扭矩或壓力來說,電機(jī)控制和液壓控制是類似的,都是在主要控制回路中(荷載、扭矩或壓力)采用一個傳感器。但是由馬達(dá)控制(速度或位置)的有關(guān)參數(shù)由于系統(tǒng)、土和摩擦力的無線性而顯得不夠完美。位置控制時(shí),馬達(dá)是理想的裝置,因?yàn)樗鼈冇休^高的分辨率(每轉(zhuǎn)8000點(diǎn))和固定的傳動裝置。這意味著軸向位移和旋轉(zhuǎn)的精度是很高的,而且是已知的,這比直接用一個傳感器連接到試樣上,通過16bits 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(分辨率為1/64000)采集得到的數(shù)據(jù)要好。因此,傳感器的反饋輸出的精度很高。
3.3 動態(tài)控制
液壓或氣壓控制設(shè)備在頻率高于10Hz時(shí),在控制速度方面比電機(jī)控制設(shè)備做得要好(而且相對便宜)。缺點(diǎn)是在這種高頻條件下,精度相對不夠,用戶必須接受與實(shí)際相差5%的誤差。在1到10Hz范圍,采用液壓和電機(jī)控制效果是一樣好的(除了上面提到的位移精度和旋轉(zhuǎn)控制以外)。低于1Hz時(shí),電機(jī)系統(tǒng)相對來說就好得多,因?yàn)樗梢蚤L時(shí)間維持非常精確的荷載和位置,同時(shí)也可以有一個非常好的動態(tài)性能。
總之,超過10Hz時(shí),選擇液壓控制,在1到10Hz時(shí),用戶的喜好成為選擇的一個關(guān)鍵因素,低于1Hz時(shí)選擇電機(jī)控制。在土力學(xué)中,只有1%不到的時(shí)間研究高于1Hz的情況,99%都是研究低于1Hz的,電機(jī)控制在1~10Hz運(yùn)用較廣。GDS系統(tǒng)既可完成靜態(tài)試驗(yàn),也可完成動態(tài)試驗(yàn)(例如2Hz和10Hz三軸系統(tǒng),1Hz和5Hz空心圓柱系統(tǒng)),只有電機(jī)控制能夠滿足從靜態(tài)到動態(tài)的試驗(yàn)精度。
3.4. 步進(jìn)馬達(dá)控制系統(tǒng)(一種電機(jī)控制的靜態(tài)形式)
步進(jìn)馬達(dá)控制系統(tǒng)只適用于靜態(tài)和非常低頻的循環(huán)加載系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是可以非常穩(wěn)定地短期和長期控制荷載、應(yīng)力、位移、壓力和體積變化。與伺服控制系統(tǒng)相比,它又非常經(jīng)濟(jì)。因此,步進(jìn)馬達(dá)控制裝置成為大多數(shù)非動態(tài)巖土工程試驗(yàn)系統(tǒng)的首選。例如:GDS壓力/體積控制器、加力架和力-位移驅(qū)動器。
4 系統(tǒng)的選擇:
GDS建議在以下應(yīng)用范圍使用電機(jī)控制:
? 在頻率低于10Hz和荷載低于20kN(無電刷直流伺服馬達(dá))的土/巖的靜態(tài)和動態(tài)試驗(yàn)中。
? 在頻率低于2Hz和荷載低于50kN(無電刷直流伺服馬達(dá))的土/巖的靜態(tài)和動態(tài)試驗(yàn)中。
? 在加載超過250kN的靜態(tài)試驗(yàn)中(采用步進(jìn)馬達(dá)控制)。
我們建議在以下用途使用液壓控制:
? 頻率高于10Hz的動態(tài)加載試驗(yàn)
? 試驗(yàn)要求大量的循環(huán),例如超過1000個循環(huán)的試驗(yàn)——回彈模量試驗(yàn)
? 超過250kN的靜態(tài)高壓試驗(yàn)
? 超過2Hz和50kN的動態(tài)高壓試驗(yàn)
氣壓控制可以用于以下用途:
? 軸向力小于5kN的廉價(jià)的應(yīng)力控制系統(tǒng),例如,使用Bellofram驅(qū)動器
? 精度要求較低的重復(fù)加載試驗(yàn),例如低荷載的回彈模量試驗(yàn)
? 軸向力低于10kN的簡單動荷載控制
? 最大1000kPa的廉價(jià)壓力控制,包括開放式的手動控制閥或閉合回路的由計(jì)算機(jī)控制的閥(例如GDS 2通道的氣壓閥)。
5 三軸系統(tǒng):
? 低于1Hz,使用電機(jī)控制系統(tǒng)
? 1Hz-10Hz (地震波范圍) 使用電機(jī)或液壓(或氣壓,但精度較低) 控制系統(tǒng)
? 高于10Hz 使用液壓(或氣壓,但精度較低)控制系統(tǒng)
? 靜態(tài)和1-10Hz 動態(tài)系統(tǒng)(如GDS Hz和10Hz三軸系統(tǒng)及1Hz和5Hz空心圓柱系統(tǒng))使用電機(jī)控制系統(tǒng)
圖 7: 建議采用的控制系統(tǒng)
6 GDS 三軸系統(tǒng):
GDS三軸和空心圓柱系統(tǒng)包括:
? 10kN/2Hz 電機(jī)控制的三軸壓縮/拉伸裝置
? 16kN/2Hz電機(jī)控制的三軸壓縮/拉伸裝置?
? ?40kN/2Hz電機(jī)控制的三軸壓縮/拉伸裝置
? ?20kN 10Hz電機(jī)控制的三軸壓縮/拉伸裝置包括圍壓動態(tài)控制系統(tǒng)
? ?100kN/10Hz 液壓控制的三軸壓縮/拉伸裝置包括圍壓動態(tài)控制系統(tǒng)
? 5kN/70Hz 氣壓控制的三軸壓縮/拉伸裝置
? 25kN/ 70Hz 氣壓控制的三軸壓縮/拉伸裝置
? 10kN/100N-m 1Hz 電機(jī)控制空心圓柱裝置
? ?10kN/100N-m 2Hz電機(jī)控制空心圓柱裝置
? 10kN/100N-m 5Hz電機(jī)控制空心圓柱裝置
注意:GDS空心圓柱系統(tǒng)一樣可以完成應(yīng)力路徑、K0、非飽和土試驗(yàn)。
7. 實(shí)驗(yàn)室地震研究方法:
7.1. 土的無線性應(yīng)變特性
在上世紀(jì)80年代和90年代初,在實(shí)驗(yàn)室測量土的剛度是通過小應(yīng)變動態(tài)共振柱來完成的。研究者注意到這些動態(tài)模量值與從類似擋土墻和開挖基坑等實(shí)際靜態(tài)結(jié)構(gòu)物附近土層運(yùn)動反推出來的靜態(tài)模量值比較相近。隨后,他們意識到過去在靜態(tài)試驗(yàn)(如三軸試驗(yàn))和動態(tài)試驗(yàn)(如共振柱試驗(yàn))中測量的模量值不同是因?yàn)橥恋膽?yīng)變程度不同,即一個試驗(yàn)是測量小應(yīng)變模量而另外一個試驗(yàn)測量大應(yīng)變模量,而不是因?yàn)橐粋€是“動態(tài)”試驗(yàn)另一個是“靜態(tài)”試驗(yàn)(見圖8)。
令人意想不到的是模擬地震的共振柱動態(tài)試驗(yàn)測量的剛度值與野外靜態(tài)測得的值比較接近——因?yàn)樗鼈兌际窃谛?yīng)變狀態(tài)下試驗(yàn)的。這個特點(diǎn)激勵研究者去開發(fā)利用地震方法現(xiàn)場測定土和巖石的剛度。現(xiàn)場地震試驗(yàn)方法主要包括:動力觸探試驗(yàn)(SCPT)、跨孔和向下孔剪波速測量、表面波(瑞利波)SASW(表面波頻譜分析)方法——以手錘作為振動源、CSW(連續(xù)表面波)方法——以可控制頻率的振蕩器提供振動源(見圖9)。
圖8 理想的剛度-應(yīng)變特性關(guān)系圖,它表示絕大多數(shù)土的剛度值同其應(yīng)變水平有關(guān)
圖9 量測地層剛度的地震波法
8. 利用彎曲晶片測量剪切模量
8.1. 簡介
由于荷載和位移測量裝置的分辨率和精度不足,在試驗(yàn)中測量小應(yīng)變狀態(tài)下土的剛度是很困難的。通常在三軸試驗(yàn)中測量小應(yīng)變的剛度是通過局部應(yīng)變傳感器來完成的,但是,這種設(shè)備非常昂貴,一般只在科研項(xiàng)目中采用。在三軸試驗(yàn)系統(tǒng)中加上彎曲晶片,可以大大簡化Gmax(最大剪切模量)的測量。
8.2. GDS 彎曲晶片系統(tǒng)
通過與荷蘭GeoDelft 公司合作,我們開發(fā)了一種彎曲晶片系統(tǒng),該系統(tǒng)是通過計(jì)算機(jī)控制的,并可以利用計(jì)算機(jī)代替示波器顯示波形。該系統(tǒng)可以與新的GDS系統(tǒng)或客戶已有系統(tǒng)(包括非GDS生產(chǎn)的系統(tǒng))配套使用。
該對晶片可以施加三種不同的波形:
每套彎曲晶片都包括一個反射晶片和一個接收晶片。
彎曲晶片都被壓縮,然后固定在一個嵌入物中,安裝在如圖10所示的底座和試樣帽上。底座和試樣帽仍然像平時(shí)一樣在三軸壓力室中使用。晶片都是標(biāo)準(zhǔn)高的,非常脆弱。有時(shí)試驗(yàn)中需要更換晶片。更換晶片需拿走舊的換上新的就可以了。該嵌入物便宜,更換起來容易。
8.3. 發(fā)射控制
根據(jù)軟件中的“向?qū)А?,可以很容易地設(shè)定彎曲晶片試驗(yàn)。
為了符合彎曲晶片試驗(yàn)方法,GDS生產(chǎn)的彎曲晶片軟件可以產(chǎn)生以下信號:
以上波形在試驗(yàn)中既可以只發(fā)射一次,也可以自動重復(fù)發(fā)射,產(chǎn)生一系列數(shù)據(jù)。對于S波晶片來說,發(fā)射可以逆轉(zhuǎn),并可很容易的采集數(shù)據(jù)。
標(biāo)準(zhǔn)波形(正弦波和方波)可以控制以下參數(shù):
用戶自定義波形選項(xiàng),可以讓用戶采用非標(biāo)準(zhǔn)的波形。軟件可以讀取含有數(shù)字化波形的ASCII格式的文件,從而使發(fā)射晶片采用這個波形。
圖10 安裝在試樣帽和底座上的
GDS 彎曲晶片嵌入物
8.4. 接收控制
整套GDS彎曲晶片系統(tǒng)可以通過軟件輸入增益值(接收信號),設(shè)置輸出信號電壓和控制P波和S波的轉(zhuǎn)換。軟件可以選擇一個合適的采樣頻率,但用戶可以不管這些。采集的發(fā)射(反饋)信號和接收信號都可以呈現(xiàn)在用戶面前。采集到的發(fā)射信號提供了一個計(jì)算時(shí)間的絕對零點(diǎn)而不是按照觸發(fā)時(shí)間。圖11為一個典型的試驗(yàn)窗口。
圖11 GDS 彎曲晶片系統(tǒng)軟件(GDSBES)
彎曲晶片被壓縮和固定在嵌入物中,再安裝在試樣帽或底座上(圖12)。試樣帽上的嵌入物材料為鈦,具有較高的軸向硬度和較低的重量,從而使軸向荷載減到最小。鈦制試樣帽嵌入體的重量大約只有不銹鋼制底座嵌入體重量的一半。
圖12 GDS 彎曲晶片嵌入物
附錄
Short Course Notes: Triaxial Test
These notes are reproduced from “A short course in geotechnical site investigation” by Noel Simons, Bruce Menzies and Marcus Matthews by permission of the publisher, Thomas Telford Ltd.
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