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采办
Bruce Menzies, Patrick Hooker, Karl Snelling and Jerry Sutton.
1. 概述
我们写这篇文章重要主张是为了回覆很多客户提出的有关在室内进行土的动态试验和地震试验的一些问题 。以下我们重要思考钻研土在受到地震波（频率在0.1~10Hz）影响下的机能 。而后再评估分歧的试验节造方式：气动、液压和电磁方式 。提出“哪一种节造方式好？”的问题 。
接着，我们将回首在尝试室利用地震波法确定土的刚度的步骤——关于野表利用地震波的步骤将有另表的文章单独会商，在GDS网页上也能够查到 。在文章中我们还会商了弯曲晶片系统，该系统能够用来在三轴试验中丈量剪切模量，不论是在急剧不排水试验中还是在动态试验中都能够 。最后我们列出了一系列参考书目，书目中有一系列有关三轴试验的文章，也蕴含动三轴试验典型了局的文章 。
2. 利用动三轴试验仿照地震前提
地震是我们这个星球地质活动的一部门，我们必须设法子；ぷ约，是自己不受到中伤 Ｄ芄焕煤玫墓こ萄У览砝醇跚岬卣鸹疃越峁刮锏姆缦 。另表，我们还必要评估土层的个性 。无论是已有构筑还是待建构筑都能够通过结构物间的优良衔接来削减振动造成的风险 。脆弱的地基一方面能够吸收较多的振动能量，但另一方面也容易产生液化 。软土通常是鼓和的 。在振动时，孔隙水压是不休增长的 。而有效应力是逐步削减的，因而土层的强度和刚度也是逐步削减的 。
极端的情景是孔隙水压力增长到与总应力相称，土造成像流沙一样的流体 。这里，增长的孔压不取决于频率，而只取决于振动的幅值和周期数 。然而，在非鼓和土中，孔隙水压和孔隙气压的增长将导致强度降低，这只能在不排水前提下仿照现实的频率来进行评估 。
显然，在高频循环加载之前、中央和之后丈量土的个性是极度必要的 。我们有必要知路土层是否会由于孔压的增长而强度降低 。若是是这样，我们则必要丈量强度降低的几多，以便相识开云kaiyun电竞构筑物是否依然安全 。
美国资料尝试协会（ASTM）规程D3999-91“使用循环三轴设备测定土的模量和阻尼个性的尺度试验步骤”中具体说了然对这种设备机能特点的要求 。条例中说“这些试验用来钻研天然和工程结构物在受到由地震、海洋波浪或爆炸引起的动态循环加载时的机能 。”
图1 1993年3月13日，从距离地震中心10KM的土耳其Erzincan地震观测站采集的强震纪录5%阻尼波谱
地震波的频率最大只有10Hz，低于人的听觉频率 。请见图1中的反馈波谱，我们能够看到0.1–10Hz 内的加快度峰值、0.1–2Hz 内的相对速度和相对位移值 。ASTM3999-91规程中说，梦想的三轴试验系统应该能够提供0.1- 2Hz的频率 。
图2 和图3显示了鼓和Hostun RF砂的典型试验了局 。轴向力依照0.2Hz的频率以正弦波的方式变动 。应力蹊径了局显示在图2中 。液化产生在图3中的第16个循环 。对鼓和土而言，不排水试验对频率不敏感，孔压随功夫增长（或强度降低）只与幅值和循环数有关 。对于部门鼓和的土来说，急剧加载能够引起部门排水，此时，频率是一个沉要的试验参数 。典型的试验了局请参考附录I： Short Course Notes: Triaxial Test (after Simons, Menzies and Matthews, 2002).
图2 孔隙水压增长 (Courtesy of CETE Mediterranee).
图3 0.2Hz 下的应力蹊径(Courtesy of CETE
Mediterranee).
推算机节造的高频三轴试验系统切合ASTM 3999-91 尺度，见图4 和图5 。
图4 GDS 2 Hz / 50kN 38/50/70/100mm 动态三轴试验系统
图5 GDS 10 Hz / 20kN 70mm 动态三轴试验系统
有时，不知路什么原因，地震能量会慢慢开释，这个过程可能会是几分钟、几天或几年，此时没有地震产生，但岩石会产生滑动，这就是我们说的无震滑动或蠕变 。有时，由于岩石的爆裂，能量会在几秒钟内急剧开释，此时会产生地震 。从爆裂口产生的地震波重要以三种波传布 。传布最快的是主波或P波，它是一种压缩-膨胀波（图6），在岩石中的传布速度约莫为5公里/秒 。传布较慢的为次波或S（剪切）波，该波不能在液体中传布，也不能穿透地壳 。传布最慢的是面波，蕴含主瑞利波和Love波，其穿透深度取决于波长 。表表波在浅部地震中传布大量能量，因而往往用振幅来判断表表波的大幼 。在1960年的智利地震中，纪录到地震产生后60幼时且在地表传布20次后依然拥有很大的能量 。
图6 地震波在土体中的传布方式
土层勘测不仅应该蕴含尝试室的动态三轴试验，还应该蕴含利用类似GDS SASW（表表波频谱分析仪）和CSW（陆续表表波）系统实现的现场试验，这样似乎越发合理 。
3. 选取气压、液压和电机三种节造方式，哪一种好？
3.1 概述
分歧的动三轴仪出产厂家使用分歧的节造方式 。重要有：气压、液压和电机三种方式 。
分歧的节造方式有分歧的特点，具体选取哪种节造方式将取决于现实的利用 。由于分歧的节造方式在静态和动态情景下会有分歧的机能特点 。因而必要凭据用户的钻研过程来选择正确的系统和相应的节造方式 。
当我们调查一个动三轴系统时，会商的沉点在于仪器的动态机能 。无庸置疑地，液压或气压节造系统在频率大于10Hz时，其机能（及价值）优于电机节造系统 。其不及是在如此高的频率下，精度不高，用户必须决定一个能够接受的误差领域 。凭据开云kaiyun电竞经验，很多动三轴供给商只强调他们的输入设备的机能，如空压机或液压阀的机能，而不谈其输出的精度 。供给商在描述输入和输出的差距上的不明确，导致用户无法通过后面的试验来解决，由于设备已经采办了 。因而，从明确表明输出而不是输入指标的供给商处采办设备是较好的选择 。通过装置在试样上的传感器（例如：水下荷沉传感器）获得反馈信号来节造试验的系统是比力好的系统 。当然，客户在采办设备前还必要思考其它的成分 。这些成分将鄙人面提到 。
3.2 伺服节造系统
液压和气压是常用的压力节造方式 。它们是通过一个可旋转的阀门来来节造一些有关的参数——压力、力或扭矩 。这意味着实现虚构的关合回路节造（即在液压驱动装置中节造压力）是单一的 。而扭矩或力的真实关合回路节造是通过扭矩和力的传感器来实现的，由于试样的无线性和分歧密封口的摩擦使得其变得很复杂 。由于以下问题的存在，使得想通过液压或气压系统精确节造位移变得极度难题：
? 中介物（气或油）的可压缩性以及驱动系统中的滑动杆将使节造成为非线性 。
? 在节造蹊径中大部门数字关合回路节造系统选取的是12bit的数据采集系统，因而，其分辨率只能达到1/4000 。
电机规划是使用无电刷直流电动马达驱动，通过远程传感器（荷载、扭矩或压力）的反馈数字信号节造地位或速度 。对于荷载、扭矩或压力来说，电机节造和液压节造是类似的，都是在重要节造回路中（荷载、扭矩或压力）选取一个传感器 。但是由马达节造（速度或地位）的有关参数由于系统、土和摩擦力的无线性而显得不够美满 。地位节造时，马达是梦想的装置，由于它们有较高的分辨率（每转8000点）和固定的传动装置 。这意味着轴向位移和旋转的精度是很高的，并且是已知的，这比直接用一个传感器衔接到试样上，通过16bits 数据采集系统（分辨率为1/64000）采集得到的数据要好 。因而，传感器的反馈输出的精度很高 。
3.3 动态节造
液压或气压节造设备在频率高于10Hz时，在节造速度方面比电机节造设备做得要好（并且相对便宜） 。弊端是在这种高频前提下，精度相对不够，用户必须接受与现实相差5%的误差 。在1到10Hz领域，选取液压和电机节造成效是一样好的（除了上面提到的位移精度和旋转节造以表） 。低于1Hz时，电机系统相对来说就好得多，由于它能够长功夫维持极度精确的荷载和地位，同时也能够有一个极度好的动态机能 。
总之，超过10Hz时，选择液压节造，在1到10Hz时，用户的爱好成为选择的一个关键成分，低于1Hz时选择电机节造 。在土力学中，只有1%不到的功夫钻研高于1Hz的情况，99%都是钻研低于1Hz的，电机节造在1~10Hz使用较广 。GDS系统既可实现静态试验，也可实现动态试验（例如2Hz和10Hz三轴系统，1Hz和5Hz空心圆柱系统），只有电机节造可能满足从静态到动态的试验精度 。
3.4. 步进马达节造系统（一种电机节造的静态大局）
步进马达节造系统只合用于静态和极度低频的循环加载系统 。其利益是能够极度不变地短期和持久节造荷载、应力、位移、压力和体积变动 。与伺服节造系统相比，它又极度经济 。因而，步进马达节造装置成为大无数非动态岩土工程试验系统的首选 。例如：GDS压力/体积节造器、加力架和力-位移驱动器 。
4 系统的选择:
GDS建议在以下利用领域使用电机节造：
? 在频率低于10Hz和荷载低于20kN（无电刷直流伺服马达）的土/岩的静态和动态试验中 。
? 在频率低于2Hz和荷载低于50kN（无电刷直流伺服马达）的土/岩的静态和动态试验中 。
? 在加载超过250kN的静态试验中（选取步进马达节造） 。
我们建议在以下用处使用液压节造：
? 频率高于10Hz的动态加载试验
? 试验要求大量的循环，例如超过1000个循环的试验——回弹模量试验
? 超过250kN的静态高压试验
? 超过2Hz和50kN的动态高压试验
气压节造能够用于以下用处：
? 轴向力幼于5kN的廉价的应力节造系统，例如，使用Bellofram驱动器
? 精度要求较低的沉复加载试验，例如低荷载的回弹模量试验
? 轴向力低于10kN的单一动荷载节造
? 最大1000kPa的廉价压力节造，蕴含盛开式的手动节造阀或关合回路的由推算机节造的阀（例如GDS 2通路的气压阀） 。
5 三轴系统：
? 低于1Hz，使用电机节造系统
? 1Hz-10Hz (地震波领域) 使用电机或液压(或气压，但精度较低) 节造系统
? 高于10Hz 使用液压(或气压，但精度较低)节造系统
? 静态和1-10Hz 动态系统（如GDS Hz和10Hz三轴系统及1Hz和5Hz空心圆柱系统）使用电机节造系统
图 7: 建议选取的节造系统
6 GDS 三轴系统:
GDS三轴和空心圆柱系统蕴含：
? 10kN/2Hz 电机节造的三轴压缩/拉伸装置
? 16kN/2Hz电机节造的三轴压缩/拉伸装置?
? ?40kN/2Hz电机节造的三轴压缩/拉伸装置
? ?20kN 10Hz电机节造的三轴压缩/拉伸装置蕴含围压动态节造系统
? ?100kN/10Hz 液压节造的三轴压缩/拉伸装置蕴含围压动态节造系统
? 5kN/70Hz 气压节造的三轴压缩/拉伸装置
? 25kN/ 70Hz 气压节造的三轴压缩/拉伸装置
? 10kN/100N-m 1Hz 电机节造空心圆柱装置
? ?10kN/100N-m 2Hz电机节造空心圆柱装置
? 10kN/100N-m 5Hz电机节造空心圆柱装置
把稳：GDS空心圆柱系统一样能够实现应力蹊径、K0、非鼓和土试验 。
7. 尝试室地震钻研步骤:
7.1. 土的无线性应变个性
在上世纪80年代和90年代初，在尝试室丈量土的刚度是通过幼应改观态共振柱来实现的 。钻研者把稳到这些动态模量值与从类似挡土墙和开挖基坑等现实静态结构物左近土层活动反推出来的静态模量值比力相近 。随后，他们意识到从前在静态试验（如三轴试验）和动态试验（如共振柱试验）中丈量的模量值分歧是由于土的应变水平分歧，即一个试验是丈量幼应变模量而另表一个试验丈量大应变模量，而不是由于一个是“动态”试验另一个是“静态”试验（见图8） 。
令人意想不到的是仿照地震的共振柱动态试验丈量的刚度值与野表静态测得的值比力靠近——由于它们都是在幼应变状态下试验的 。这个特点激励钻研者去开发利用地震步骤现场测定土和岩石的刚度 。现场地震试验步骤重要蕴含：动力触探试验（SCPT）、跨孔和向下孔剪波速丈量、表表波（瑞利波）SASW（表表波频谱分析）步骤——以手锤作为振动源、CSW（陆续表表波）步骤——以可节造频率的振荡器提供振动源（见图9） 。
图8 梦想的刚度-应变个性关系图，它暗示绝大无数土的刚度值同其应变水平有关
图9 量测地层刚度的地震波法
8. 利用弯曲晶片丈量剪切模量
8.1. 简介
由于荷载和位移丈量装置的分辨率和精度不及，在试验中丈量幼应变状态下土的刚度是很难题的 。通常在三轴试验中丈量幼应变的刚度是通过部门应变传感器来实现的，但是，这种设备极度昂贵，通常只在科研项目当选取 。在三轴试验系统中加上弯曲晶片，能够大大简化Gmax（最大剪切模量）的丈量 。
8.2. GDS 弯曲晶片系统
通过与荷兰GeoDelft 公司合作，我们开发了一种弯曲晶片系统，该系统是通过推算机节造的，并能够利用推算机包办示波器显示波形 。该系统能够与新的GDS系统或客户已有系统（蕴含非GDS出产的系统）配套使用 。
该对晶片能够施加三种分歧的波形：
每套弯曲晶片都蕴含一个反射晶片和一个接管晶片 。
弯曲晶片都被压缩，而后固定在一个嵌入物中，装置在如图10所示的底座和试样帽上 。底座和试样帽依然像平时一样在三轴压力室中使用 。晶片都是尺度高的，极度脆弱 。有时试验中必要更换晶片 。更换晶片需拿走旧的换上新的就能够了 。该嵌入物便宜，更换起来容易 。
8.3. 发射节造
凭据软件中的“向导”，能够很容易地设定弯曲晶片试验 。
为了切合弯曲晶片试验步骤，GDS出产的弯曲晶片软件能够产生以下信号：
以上波形在试验中既能够只发射一次，也能够自动沉复发射，产生一系列数据 。对于S波晶片来说，发射能够逆转，并可很容易的采集数据 。
尺度波形（正弦波和方波）能够节造以下参数：
用户自界说波形选项，能够让用户选取非尺度的波形 。软件能够读取含罕见字化波形的ASCII体式的文件，从而使发射晶片选取这个波形 。
图10 装置在试样帽和底座上的
GDS 弯曲晶片嵌入物
8.4. 接管节造
整套GDS弯曲晶片系统能够通过软件输入增益值（接管信号），设置输出信号电压和节造P波和S波的转换 。软件能够选择一个相宜的采样频率，但用户能够不论这些 。采集的发射（反 。┬藕藕徒庸苄藕哦寄芄怀蚀丝逃没Э滔 。采集到的发射信号提供了一个推算功夫的绝对零点而不是依照触发功夫 。图11为一个典型的试验窗口 。
图11 GDS 弯曲晶片系统软件(GDSBES)
弯曲晶片被压缩和固定在嵌入物中，再装置在试样帽或底座上（图12） 。试样帽上的嵌入物资料为钛，拥有较高的轴向硬度和较低的沉量，从而使轴向荷载减到最幼 。钛造试样帽嵌入体的沉量约莫只有不锈钢造底座嵌入体沉量的一半 。
图12 GDS 弯曲晶片嵌入物
附录
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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