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(dòng)態(tài)試驗(yàn)和地震試驗(yàn)的一些問(wèn)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(píng)估不同的試驗(yàn)控制方式：氣動(dòng)、液壓和電磁方式。提出“哪一種控制方式好？”的問(wèn)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(yè)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(lái)在三軸試驗(yàn)中測(cè)量剪切模量，不管是在快速不排水試驗(yàn)中還是在動(dòng)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(dòng)三軸試驗(yàn)典型結(jié)果的文章。
2. 利用動(dòng)三軸試驗(yàn)?zāi)M地震條件
地震是我們這個(gè)星球地質(zhì)運(yùn)動(dòng)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(lái)減輕地震運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)物的危害。另外，我們還需要評(píng)估土層的特性。無(wú)論是已有建筑還是待建建筑都可以通過(guò)結(jié)構(gòu)物間的良好連接來(lái)減少振動(dòng)造成的危害。軟弱的地基一方面可以吸收較多的振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(lái)進(jìn)行評(píng)估。
顯然，在高頻循環(huán)加載之前、中間和之后測(cè)量土的特性是非常必要的。我們有必要知道土層是否會(huì)由于孔壓的增加而強(qiáng)度降低。如果是這樣，我們則需要測(cè)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(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）規(guī)程D3999-91“使用循環(huán)三軸設(shè)備測(cè)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(shuō)明了對(duì)這種設(shè)備性能特征的要求。條例中說(shuō)“這些試驗(yàn)用來(lái)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(dòng)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(cè)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(tīng)覺(jué)頻率。請(qǐng)見(jiàn)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(duì)速度和相對(duì)位移值。ASTM3999-91規(guī)程中說(shuō)，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(gè)循環(huán)。對(duì)飽和土而言，不排水試驗(yàn)對(duì)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(duì)于部分飽和的土來(lái)說(shuō)，快速加載可以引起部分排水，此時(shí)，頻率是一個(gè)重要的試驗(yàn)參數(shù)。典型的試驗(yàn)結(jié)果請(qǐng)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(jiàn)圖4 和圖5。
圖4 GDS 2 Hz / 50kN 38/50/70/100mm 動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)
圖5 GDS 10 Hz / 20kN 70mm 動(dòng)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(huì)慢慢釋放，這個(gè)過(guò)程可能會(huì)是幾分鐘、幾天或幾年，此時(shí)沒(méi)有地震發(fā)生，但巖石會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，這就是我們說(shuō)的無(wú)震滑動(dòng)或蠕變。有時(shí)，由于巖石的爆裂，能量會(huì)在幾秒鐘內(nèi)快速釋放，此時(shí)會(huì)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(zhǎng)。表面波在淺部地震中傳播大量能量，因此往往用振幅來(lái)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(dòng)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(chǎng)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(dòng)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(dòng)態(tài)情形下會(huì)有不同的性能特征。因此需要根據(jù)用戶的研究過(guò)程來(lái)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(gè)動(dòng)三軸系統(tǒng)時(shí)，討論的重點(diǎn)在于儀器的動(dòng)態(tài)性能。無(wú)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(gè)可以接受的誤差范圍。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，許多動(dòng)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(wú)法通過(guò)后面的試驗(yàn)來(lái)解決，因?yàn)樵O(shè)備已經(jīng)購(gòu)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(gòu)買設(shè)備是較好的選擇。通過(guò)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(hào)來(lái)控制試驗(yàn)的系統(tǒng)是比較好的系統(tǒng)。當(dāng)然，客戶在購(gòu)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(guò)一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的閥門來(lái)來(lái)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(dòng)裝置中控制壓力）是簡(jiǎn)單的。而扭矩或力的真實(shí)閉合回路控制是通過(guò)扭矩和力的傳感器來(lái)完成的，由于試樣的無(wú)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(wèn)題的存在，使得想通過(guò)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(dòng)系統(tǒng)中的滑動(dòng)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(wú)電刷直流電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)遠(yuǎn)程傳感器（荷載、扭矩或壓力）的反饋數(shù)字信號(hào)控制位置或速度。對(duì)于荷載、扭矩或壓力來(lái)說(shuō)，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(gè)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(wú)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(dòng)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(gè)傳感器連接到試樣上，通過(guò)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(dòng)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(duì)便宜）。缺點(diǎn)是在這種高頻條件下，精度相對(duì)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(duì)來(lái)說(shuō)就好得多，因?yàn)樗梢蚤L(zhǎng)時(shí)間維持非常精確的荷載和位置，同時(shí)也可以有一個(gè)非常好的動(dòng)態(tài)性能。
總之，超過(guò)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)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(wú)電刷直流伺服馬達(dá)）的土/巖的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中。
? 在頻率低于2Hz和荷載低于50kN（無(wú)電刷直流伺服馬達(dá)）的土/巖的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中。
? 在加載超過(guò)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(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)
? 試驗(yàn)要求大量的循環(huán)，例如超過(guò)1000個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)——回彈模量試驗(yàn)
? 超過(guò)250kN的靜態(tài)高壓試驗(yàn)
? 超過(guò)2Hz和50kN的動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)單動(dòng)荷載控制
? 最大1000kPa的廉價(jià)壓力控制，包括開(kāi)放式的手動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(wú)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(cè)量土的剛度是通過(guò)小應(yīng)變動(dòng)態(tài)共振柱來(lái)完成的。研究者注意到這些動(dòng)態(tài)模量值與從類似擋土墻和開(kāi)挖基坑等實(shí)際靜態(tài)結(jié)構(gòu)物附近土層運(yùn)動(dòng)反推出來(lái)的靜態(tài)模量值比較相近。隨后，他們意識(shí)到過(guò)去在靜態(tài)試驗(yàn)（如三軸試驗(yàn)）和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)（如共振柱試驗(yàn)）中測(cè)量的模量值不同是因?yàn)橥恋膽?yīng)變程度不同，即一個(gè)試驗(yàn)是測(cè)量小應(yīng)變模量而另外一個(gè)試驗(yàn)測(cè)量大應(yīng)變模量，而不是因?yàn)橐粋€(gè)是“動(dòng)態(tài)”試驗(yàn)另一個(gè)是“靜態(tài)”試驗(yàn)（見(jiàn)圖8）。
令人意想不到的是模擬地震的共振柱動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)量的剛度值與野外靜態(tài)測(cè)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(gè)特點(diǎn)激勵(lì)研究者去開(kāi)發(fā)利用地震方法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定土和巖石的剛度?，F(xiàn)場(chǎng)地震試驗(yàn)方法主要包括：動(dòng)力觸探試驗(yàn)（SCPT）、跨孔和向下孔剪波速測(cè)量、表面波（瑞利波）SASW（表面波頻譜分析）方法——以手錘作為振動(dòng)源、CSW（連續(xù)表面波）方法——以可控制頻率的振蕩器提供振動(dòng)源（見(jiàn)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(cè)地層剛度的地震波法
8. 利用彎曲晶片測(cè)量剪切模量
8.1. 簡(jiǎn)介
由于荷載和位移測(cè)量裝置的分辨率和精度不足，在試驗(yàn)中測(cè)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(cè)量小應(yīng)變的剛度是通過(guò)局部應(yīng)變傳感器來(lái)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(jiǎn)化Gmax（最大剪切模量）的測(cè)量。
8.2. GDS 彎曲晶片系統(tǒng)
通過(guò)與荷蘭GeoDelft 公司合作，我們開(kāi)發(fā)了一種彎曲晶片系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過(guò)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(duì)晶片可以施加三種不同的波形：
-
? 只采用S波
-
? 只采用P波(高能量)
-
? S波和P波的組合波形
每套彎曲晶片都包括一個(gè)反射晶片和一個(gè)接收晶片。
彎曲晶片都被壓縮，然后固定在一個(gè)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(lái)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(hào)：
以上波形在試驗(yàn)中既可以只發(fā)射一次，也可以自動(dòng)重復(fù)發(fā)射，產(chǎn)生一系列數(shù)據(jù)。對(duì)于S波晶片來(lái)說(shuō)，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)：
-
? 振幅
-
? 周期
-
? 重復(fù)時(shí)間（0秒（連續(xù)）到60秒）
-
? 偏移（正或負(fù)）
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(gè)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(guò)軟件輸入增益值（接收信號(hào)），設(shè)置輸出信號(hào)電壓和控制P波和S波的轉(zhuǎn)換。軟件可以選擇一個(gè)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(hào)和接收信號(hào)都可以呈現(xiàn)在用戶面前。采集到的發(fā)射信號(hào)提供了一個(gè)計(jì)算時(shí)間的絕對(duì)零點(diǎn)而不是按照觸發(fā)時(shí)間。圖11為一個(gè)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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