技術(shù)文章
30 共振柱試驗
30.1 一 般 規 定
30.1.1 土樣應為飽和的細粒土或砂土。
30.1.2 本試驗宜制備多個(gè)性質(zhì)相同的試樣,在不同周?chē)鷫毫?/span> 不同固結比下進(jìn)行試驗。周?chē)鷫毫凸探Y比宜根據工程實(shí)際確 定??刹捎?/span>1個(gè)~4個(gè)周?chē)鷫毫Γ?個(gè)~3個(gè)固結比。
30.2 儀 器 設 備
30.2.1 本試驗所用的主要儀器設備應符合下列規定:
1 共振柱試驗儀:按試樣約束條件,可分為一端固定一端自 由及一端固定一端用彈簧和阻尼器支承兩類(lèi);按激振方式,可分為 穩態(tài)強迫振動(dòng)法和自由振動(dòng)法兩類(lèi);按振動(dòng)方式,可分為扭轉振動(dòng) 和縱向振動(dòng)兩類(lèi);
2 壓力室(圖30.2.1):內部置放激振器、加速度計及試樣, 壓力室底座和試樣上壓蓋板應具有輻射狀的凸條;
3 靜力控制系統:應符合本標準第29.2.1條第1款第2項 的規定;
4 激振控制系統:包括信號發(fā)生器、功率放大器、D/A 轉換 器和計算機;
5 量測系統:包括加速度計、電荷放大器、頻率計、示波器或A/D 轉換器和計算機。
30.2.2 本試驗所用的其他儀器設備應符合本標準第19.2. 1條 第2款的規定。
(a)等壓共振柱示意圖 (b)軸向和側向不等壓共振柱示意圖
圖30.2. 1 共振柱主機示意圖
1一接周?chē)鷫毫ο到y;2一壓力室外罩;3一支架;4一加速度計;5-扭轉激振器;
6—軸向激振器;7-驅動(dòng)板;8-上壓蓋;9一試樣;10一透水板;11一接排水管;
12—軸向壓力;13一彈簧;14-激振器;15—旋轉軸;16一壓力傳感器;
17—導向桿;18—加速度計;19—上下活動(dòng)框架;20—水;21一試樣
30.3 操 作 步 驟
30.3.1 試樣制備應符合下列規定:
1 本試驗采用的試樣直徑為50mm, 試樣高度為直徑的2倍~ 2 . 5倍;
2 原狀土樣的試樣制備應按本標準第19.3. 1條第2款的規 定進(jìn)行;
3 擾動(dòng)土樣的試樣制備應按本標準19.3. 1條第3款的規定 進(jìn)行;
4 砂性土的試樣制備應按本標準第19.3. 1條第4款的規定 進(jìn)行。
30.3.2 試樣飽和應符合下列規定:
1 抽氣飽和應按本標準第19.3.2條第1款的規定進(jìn)行;
2 水頭飽和應按本標準第19.3.2條第2款的規定進(jìn)行;
3 飽和度檢查和反壓力飽和應按本標準第19.3.2條第3款的規定進(jìn)行。
30.3.3 試樣安裝和固結應按下列步驟進(jìn)行:
1 打開(kāi)量管閥,使試樣底座充水,當溢出的水不含氣泡時(shí),關(guān) 量管閥,在底座透水板上放濕濾紙。
2 將試樣放在底座上,并壓入凸條中,在其周?chē)N7條~9 條寬6mm 的濕濾紙條,用撐膜筒將乳膠膜套在試樣外,下端與底 座扎緊,取下?lián)文ね?。用對開(kāi)圓模夾緊試樣,將乳膠膜上端翻出 模外。
3 對扭轉振動(dòng),將加速度計和激振驅動(dòng)系統水平固定在驅動(dòng) 板上,再將驅動(dòng)板置于試樣上端,將旋轉軸與試樣帽上端連接,翻 起乳膠膜并扎緊在上壓蓋上(試樣帽),按線(xiàn)圈座編號,將對應的線(xiàn) 圈套進(jìn)磁鋼外極,磁極中心至線(xiàn)圈上、下端的距離應相等。兩對線(xiàn) 圈的高度應一致,線(xiàn)圈兩側的磁隙應相同,并對稱(chēng)于線(xiàn)圈支架,按 線(xiàn)圈上的標志接線(xiàn)。
4 對軸向振動(dòng),將加速度計垂直固定在上壓蓋上,再將上壓 蓋與激振器相連。當上壓蓋上下活動(dòng)自如時(shí),垂直地置于試樣上 端,翻起乳膠膜并扎緊在上壓蓋上。
5 用引線(xiàn)將加力線(xiàn)圈與功率放大器相連,并將加速度計與電 荷放大器相連。
6 拆除對開(kāi)圓模,裝上壓力室外罩。
7 轉動(dòng)調壓閥,逐級施加至預定的周?chē)鷫毫Γ?/span> 一端固定另 一端彈簧支承的可進(jìn)行不等向固結。打開(kāi)排水閥,直至固結穩 定。穩定標準應符合本標準第29.3.4 條第4款的規定,關(guān)排水閥。
30.3.4 穩態(tài)強迫振動(dòng)法應按下列步驟進(jìn)行:
1 開(kāi)啟信號發(fā)生器、示波器、電荷放大器和頻率計電源,預熱,打開(kāi)計算機數據采集系統。
2 將信號發(fā)生器的振幅控制旋鈕調至零位,開(kāi)啟功率放大器 電源預熱5min,將功能開(kāi)關(guān)置于共振擋。
3 將信號發(fā)生器輸出調至給定值,連續改變激振頻率,由低 頻逐漸增大,直至系統發(fā)生共振,讀出最大電壓值,此時(shí)頻率計讀 數即為共振頻率。測記共振頻率和相應的電壓值,由電壓值確定 動(dòng)應變或動(dòng)剪應變。
4 進(jìn)行阻尼比測定時(shí),當激振頻率達到系統共振頻率后,繼 續增大頻率,這時(shí)振幅逐漸減小,測記每一激振頻率和相應的振幅 電壓值。如此繼續,測記7組~10組數據,關(guān)儀器電源。以振幅 為縱坐標,以頻率為橫坐標,繪制振幅與頻率關(guān)系曲線(xiàn)。
5 宜逐級施加動(dòng)應變幅或動(dòng)應力幅進(jìn)行測試,后一級的振幅 可控制為前一級的1倍。在同一試樣上選用允許施加的動(dòng)應變幅 或動(dòng)應力幅的級數時(shí),應避免孔隙水壓力明顯升高。
6 關(guān)閉儀器電源,退去壓力,取下壓力室罩,拆除試樣,需要 時(shí)測定試樣的干密度和含水率。
30.3.5 自由振動(dòng)法應按下列步驟進(jìn)行:
1 開(kāi)啟電荷放大器電源,預熱,開(kāi)計算機系統電源。
2 將試驗程序輸入計算機,開(kāi)功率放大器電源預熱5min, 在 計算機控制下進(jìn)行試驗。計算機指令 D/A 轉換器控制驅動(dòng)系統, 對試樣施加瞬時(shí)扭矩后立即卸除,使試樣自由振動(dòng)。在振動(dòng)過(guò)程 中,加速度計的信號經(jīng)過(guò)電荷放大器和 A/D 轉換器輸入計算機處 理,得到振幅衰減曲線(xiàn)。
3 宜逐級施加動(dòng)應變幅或動(dòng)應力幅進(jìn)行測試,后一級的振幅可控制為前一級的1倍。在每一級激振力振動(dòng)下試驗后,逐次增 大激振力,繼續進(jìn)行試驗得到在試樣應變幅值增大后測試的模量 和阻尼比。 一般應變幅值增大到1×10-4為止。
4 關(guān)閉儀器電源,退除壓力,取下壓力室外罩,拆除試樣,需 要時(shí)測定試樣的干密度和含水率。
30.4 計算、制圖和記錄
30.4.1 試樣的動(dòng)應變按下列公式計算:
1 動(dòng)剪應變:
(30.4.1-1)
式中:γ——動(dòng)剪應變(%);
Ad—— 安裝加速度計處的動(dòng)位移(cm); dc——試樣固結后的直徑(cm);
d?—— 加速度計到試樣軸線(xiàn)的距離(cm);
hc—— 試樣固結后的高度(cm);
U—— 加速度計經(jīng)放大后的電壓值(mV); β——標定系數[mV/(981cm · s2];
w——共振圓頻率(rad/s);
fnt-— 試驗實(shí)測扭轉共振頻率(Hz)。
2 動(dòng)軸向應變:
(30.4.1-2)
式中:△hd—— 動(dòng)軸向變形(cm)。
30.4.2 扭轉共振時(shí)的動(dòng)剪切模量應按下式計算:
(30.4.2)
式中:Gd—— 動(dòng)剪切模量(kPa);
fnt—— 試驗時(shí)實(shí)測的扭轉共振頻率(Hz);
βs——扭轉無(wú)量綱頻率因數;
ρ0——試樣密度(g/cm3)。
30.4.3 扭轉無(wú)量綱頻率因數應根據試樣的約束條件分別按下列 公式計算:
1 無(wú)彈簧支承:
(30.4.3-1)
式中:I0—— 試樣的轉動(dòng)慣量(g ·cm2);
I1——試樣頂端附加物的轉動(dòng)慣量(g ·cm2); m0——試樣質(zhì)量(g);
d—— 試樣直徑(cm)。
2 有彈簧支承:
(30.4.3-2)
式中: f0t—— 無(wú)試樣時(shí)轉動(dòng)振動(dòng)各部分的扭振共振頻率(Hz);
fnt——試驗時(shí)實(shí)測的扭轉共振頻率(Hz)。
30.4.4 軸向共振時(shí)的動(dòng)彈性模量應按下式計算:
(30.4.4)
式中:Ed—— 動(dòng)彈性模量(kPa);
fnt—— 試驗時(shí)實(shí)測的縱向振動(dòng)共振頻率(Hz);
βL—— 縱向振動(dòng)無(wú)量綱頻率因數。
30.4.5 縱向振動(dòng)無(wú)量綱頻率因數應根據試樣的約束條件分別按 下列公式計算:
1 無(wú)彈簧支承:
(30.4.5-1)
式中:m0— 試樣的質(zhì)量(g);
mft——試樣頂端附加物的質(zhì)量(g)。
2 有彈簧支承:
(30.4.5-2)
式中:f0t—— 無(wú)試樣時(shí)系統各部分的縱向振動(dòng)共振頻率(Hz);
fn1——試驗時(shí)實(shí)測的縱向振動(dòng)共振頻率(Hz)。
30.4.6 土的阻尼比應按下列公式計算:
1 無(wú)彈簧支承:
1)自由振動(dòng)法:
(30.4.6-1)
式中:λ——阻尼比;
N—— 計算所取的振動(dòng)次數;
A1—— 停止激振后第1周振動(dòng)的振幅(mm);
AN+1—— 停止激振后第 N+1 周振動(dòng)的振幅(mm)。
2)穩態(tài)強迫振動(dòng)法:
(30.4.6-2)
式中:f1、f?—— 振幅與頻率關(guān)系曲線(xiàn)上最大振幅值的70 . 7%處 所對應的頻率(Hz);
fn—— 最大振幅值所對應的頻率(Hz)。
2 有彈簧支承:
1)自由扭轉振動(dòng)法:
(30.4.6-3)
(30.4.6-4)
式中:δt、δ0t—— 有試樣和無(wú)試樣時(shí)系統扭轉振動(dòng)時(shí)的對數衰減率;
st—— 扭轉振動(dòng)時(shí)的能量比。
2)自由縱向振動(dòng)法:
(30.4.6-5)
(30.4.6-6)
式中:δ1、δ01—— 有試樣和無(wú)試樣時(shí)系統縱向振動(dòng)時(shí)的對數衰減率;
s1—— 縱向振動(dòng)時(shí)的能量比。
30.4.7 以動(dòng)剪應變(或軸向應變)為橫坐標,動(dòng)剪切模量或動(dòng)彈 模量為縱坐標,在半對數紙上繪制不同周?chē)鷫毫ο聞?dòng)剪應變或動(dòng) 彈模量與動(dòng)剪切模量或軸向應變關(guān)系曲線(xiàn)。取微小動(dòng)剪應變 (γ<1×10-5) 下的動(dòng)剪切模量為最大動(dòng)剪切模量Gdmax。
30.4.8 以動(dòng)剪應變或軸向應變?yōu)闄M坐標,動(dòng)剪切模量比或動(dòng)彈 模量比為縱坐標,在半對數紙上繪制周?chē)鷫毫?/span>下動(dòng)剪應變或軸向 應變與動(dòng)剪切模量比或動(dòng)彈模量比關(guān)系的歸一化曲線(xiàn)。
30.4.9 以動(dòng)剪應變或軸向動(dòng)應變?yōu)闄M坐標,阻尼比為縱坐標,在 半對數紙上繪制關(guān)系曲線(xiàn)。
30.4.10 共振柱試驗記錄格式應符合本標準附錄 D 表 D.55~ 表 D.58 的規定。