30  共振柱試驗(yàn)

30.1  一 般 規(guī) 定

30.1.1       土樣應(yīng)為飽和的細(xì)粒土或砂土。

30.1.2      本試驗(yàn)宜制備多個(gè)性質(zhì)相同的試樣，在不同周圍壓力和 不同固結(jié)比下進(jìn)行試驗(yàn)。周圍壓力和固結(jié)比宜根據(jù)工程實(shí)際確 定。可采用1個(gè)～4個(gè)周圍壓力，1個(gè)～3個(gè)固結(jié)比。

30.2  儀 器 設(shè) 備

30.2.1      本試驗(yàn)所用的主要儀器設(shè)備應(yīng)符合下列規(guī)定：

1    共振柱試驗(yàn)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；按激振方式，可分為 穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)法和自由振動(dòng)法兩類；按振動(dòng)方式，可分為扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 和縱向振動(dòng)兩類；

2    壓力室(圖30.2.1):內(nèi)部置放激振器、加速度計(jì)及試樣， 壓力室底座和試樣上壓蓋板應(yīng)具有輻射狀的凸條；

3   靜力控制系統(tǒng)：應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)第29.2.1條第1款第2項(xiàng) 的規(guī)定；

4    激振控制系統(tǒng)：包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、D/A  轉(zhuǎn)換 器和計(jì)算機(jī)；

5    量測(cè)系統(tǒng)：包括加速度計(jì)、電荷放大器、頻率計(jì)、示波器或A/D 轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)。

30.2.2      本試驗(yàn)所用的其他儀器設(shè)備應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)第19.2. 1條 第2款的規(guī)定。

(a)等壓共振柱示意圖                                     (b)軸向和側(cè)向不等壓共振柱示意圖

                                               圖30.2. 1  共振柱主機(jī)示意圖

1一接周圍壓力系統(tǒng)；2一壓力室外罩；3一支架；4一加速度計(jì)；5-扭轉(zhuǎn)激振器；

6—軸向激振器；7-驅(qū)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(zhuǎn)軸；16一壓力傳感器；

17—導(dǎo)向桿；18—加速度計(jì)；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(yīng)符合下列規(guī)定：

1    本試驗(yàn)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(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第19.3. 1條第2款的規(guī) 定進(jìn)行；

3    擾動(dòng)土樣的試樣制備應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)19.3. 1條第3款的規(guī)定 進(jìn)行；

4    砂性土的試樣制備應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第19.3. 1條第4款的規(guī)定 進(jìn)行。

30.3.2      試樣飽和應(yīng)符合下列規(guī)定：

1    抽氣飽和應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第19.3.2條第1款的規(guī)定進(jìn)行；

2    水頭飽和應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第19.3.2條第2款的規(guī)定進(jìn)行；

3    飽和度檢查和反壓力飽和應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)第19.3.2條第3款的規(guī)定進(jìn)行。

30.3.3      試樣安裝和固結(jié)應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：

1    打開量管閥，使試樣底座充水，當(dāng)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，在其周圍貼7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)文ね病Ｓ脤?duì)開圓模夾緊試樣，將乳膠膜上端翻出 模外。

3    對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，將加速度計(jì)和激振驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)水平固定在驅(qū)動(dòng) 板上，再將驅(qū)動(dòng)板置于試樣上端，將旋轉(zhuǎn)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),按線圈座編號(hào)，將對(duì)應(yīng)的線 圈套進(jìn)磁鋼外極，磁極中心至線圈上、下端的距離應(yīng)相等。兩對(duì)線 圈的高度應(yīng)一致，線圈兩側(cè)的磁隙應(yīng)相同，并對(duì)稱于線圈支架，按 線圈上的標(biāo)志接線。

4    對(duì)軸向振動(dòng)，將加速度計(jì)垂直固定在上壓蓋上，再將上壓 蓋與激振器相連。當(dāng)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    用引線將加力線圈與功率放大器相連，并將加速度計(jì)與電 荷放大器相連。

6    拆除對(duì)開圓模，裝上壓力室外罩。

7    轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)壓閥，逐級(jí)施加至預(yù)定的周圍壓力， 一端固定另 一端彈簧支承的可進(jìn)行不等向固結(jié)。打開排水閥，直至固結(jié)穩(wěn) 定。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)第29.3.4 條第4款的規(guī)定，關(guān)排水閥。

30.3.4      穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)法應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：

1   開啟信號(hào)發(fā)生器、示波器、電荷放大器和頻率計(jì)電源，預(yù)熱，打開計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2    將信號(hào)發(fā)生器的振幅控制旋鈕調(diào)至零位，開啟功率放大器 電源預(yù)熱5min,將功能開關(guān)置于共振擋。

3  將信號(hào)發(fā)生器輸出調(diào)至給定值，連續(xù)改變激振頻率，由低 頻逐漸增大，直至系統(tǒng)發(fā)生共振，讀出最大電壓值，此時(shí)頻率計(jì)讀 數(shù)即為共振頻率。測(cè)記共振頻率和相應(yīng)的電壓值，由電壓值確定 動(dòng)應(yīng)變或動(dòng)剪應(yīng)變。

4    進(jìn)行阻尼比測(cè)定時(shí)，當(dāng)激振頻率達(dá)到系統(tǒng)共振頻率后，繼 續(xù)增大頻率，這時(shí)振幅逐漸減小，測(cè)記每一激振頻率和相應(yīng)的振幅 電壓值。如此繼續(xù)，測(cè)記7組～10組數(shù)據(jù)，關(guān)儀器電源。以振幅 為縱坐標(biāo)，以頻率為橫坐標(biāo)，繪制振幅與頻率關(guān)系曲線。

5    宜逐級(jí)施加動(dòng)應(yīng)變幅或動(dòng)應(yīng)力幅進(jìn)行測(cè)試，后一級(jí)的振幅 可控制為前一級(jí)的1倍。在同一試樣上選用允許施加的動(dòng)應(yīng)變幅 或動(dòng)應(yīng)力幅的級(jí)數(shù)時(shí)，應(yīng)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(cè)定試樣的干密度和含水率。

30.3.5       自由振動(dòng)法應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：

1   開啟電荷放大器電源，預(yù)熱，開計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源。

2    將試驗(yàn)程序輸入計(jì)算機(jī)，開功率放大器電源預(yù)熱5min, 在  計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行試驗(yàn)。計(jì)算機(jī)指令 D/A 轉(zhuǎn)換器控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)， 對(duì)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(jì)的信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入計(jì)算機(jī)處  理，得到振幅衰減曲線。

3  宜逐級(jí)施加動(dòng)應(yīng)變幅或動(dòng)應(yīng)力幅進(jìn)行測(cè)試，后一級(jí)的振幅可控制為前一級(jí)的1倍。在每一級(jí)激振力振動(dòng)下試驗(yàn)后，逐次增 大激振力，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)得到在試樣應(yīng)變幅值增大后測(cè)試的模量 和阻尼比。 一般應(yīng)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(cè)定試樣的干密度和含水率。

30.4  計(jì)算、制圖和記錄

30.4.1  試樣的動(dòng)應(yīng)變按下列公式計(jì)算：

1  動(dòng)剪應(yīng)變：

          (30.4.1-1)

式中：γ——?jiǎng)蛹魬?yīng)變(%);

A_d—— 安裝加速度計(jì)處的動(dòng)位移(cm); d_c——試樣固結(jié)后的直徑(cm);

d?—— 加速度計(jì)到試樣軸線的距離(cm); 

h_c—— 試樣固結(jié)后的高度(cm);

U—— 加速度計(jì)經(jīng)放大后的電壓值(mV); β——標(biāo)定系數(shù)[mV/(981cm · s2];

w——共振圓頻率(rad/s);

f_nt-— 試驗(yàn)實(shí)測(cè)扭轉(zhuǎn)共振頻率(Hz)。

2  動(dòng)軸向應(yīng)變：

                       (30.4.1-2)

式中：△h_d—— 動(dòng)軸向變形(cm)。

30.4.2  扭轉(zhuǎn)共振時(shí)的動(dòng)剪切模量應(yīng)按下式計(jì)算：

                                   (30.4.2)

式中：Gd—— 動(dòng)剪切模量(kPa);

f_nt—— 試驗(yàn)時(shí)實(shí)測(cè)的扭轉(zhuǎn)共振頻率(Hz); 

β_s——扭轉(zhuǎn)無(wú)量綱頻率因數(shù)；

            ρ₀——試樣密度(g/cm3)。

30.4.3  扭轉(zhuǎn)無(wú)量綱頻率因數(shù)應(yīng)根據(jù)試樣的約束條件分別按下列 公式計(jì)算：

1  無(wú)彈簧支承：

                     (30.4.3-1)

式中：I₀—— 試樣的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(g ·cm2);

I₁——試樣頂端附加物的轉(zhuǎn)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： f_0t—— 無(wú)試樣時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)各部分的扭振共振頻率(Hz);

             f_nt——試驗(yàn)時(shí)實(shí)測(cè)的扭轉(zhuǎn)共振頻率(Hz)。

30.4.4  軸向共振時(shí)的動(dòng)彈性模量應(yīng)按下式計(jì)算：

            (30.4.4)

 式中：E_d—— 動(dòng)彈性模量(kPa);

f_nt—— 試驗(yàn)時(shí)實(shí)測(cè)的縱向振動(dòng)共振頻率(Hz);

β_L—— 縱向振動(dòng)無(wú)量綱頻率因數(shù)。

30.4.5  縱向振動(dòng)無(wú)量綱頻率因數(shù)應(yīng)根據(jù)試樣的約束條件分別按 下列公式計(jì)算：

       1 無(wú)彈簧支承：

         (30.4.5-1)

式中：m₀—   試樣的質(zhì)量(g);

m_ft——試樣頂端附加物的質(zhì)量(g)。

2  有彈簧支承：

          (30.4.5-2)

式中：f_0t—— 無(wú)試樣時(shí)系統(tǒng)各部分的縱向振動(dòng)共振頻率(Hz); 

          f_n1——試驗(yàn)時(shí)實(shí)測(cè)的縱向振動(dòng)共振頻率(Hz)。

30.4.6  土的阻尼比應(yīng)按下列公式計(jì)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(jì)算所取的振動(dòng)次數(shù)；

A₁—— 停止激振后第1周振動(dòng)的振幅(mm);

A_N+1—— 停止激振后第 N+1  周振動(dòng)的振幅(mm)。

2)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)法：

                   (30.4.6-2)

式中：f₁、f_?—— 振幅與頻率關(guān)系曲線上最大振幅值的70 . 7%處 所對(duì)應(yīng)的頻率(Hz);

                    f_n—— 最大振幅值所對(duì)應(yīng)的頻率(Hz)。

2  有彈簧支承：

1)自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)法： 

                (30.4.6-3)

          (30.4.6-4)

式中：δ_t、δ_0t—— 有試樣和無(wú)試樣時(shí)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)的對(duì)數(shù)衰減率；

                 s_t—— 扭轉(zhuǎn)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(tǒng)縱向振動(dòng)時(shí)的對(duì)數(shù)衰減率；

s₁—— 縱向振動(dòng)時(shí)的能量比。

30.4.7      以動(dòng)剪應(yīng)變(或軸向應(yīng)變)為橫坐標(biāo)，動(dòng)剪切模量或動(dòng)彈 模量為縱坐標(biāo)，在半對(duì)數(shù)紙上繪制不同周圍壓力下動(dòng)剪應(yīng)變或動(dòng) 彈模量與動(dòng)剪切模量或軸向應(yīng)變關(guān)系曲線。取微小動(dòng)剪應(yīng)變 (γ<1×10^-5) 下的動(dòng)剪切模量為最大動(dòng)剪切模量G_dmax。

30.4.8      以動(dòng)剪應(yīng)變或軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，動(dòng)剪切模量比或動(dòng)彈 模量比為縱坐標(biāo)，在半對(duì)數(shù)紙上繪制周圍壓力下動(dòng)剪應(yīng)變或軸向 應(yīng)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。

30.4.9      以動(dòng)剪應(yīng)變或軸向動(dòng)應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，阻尼比為縱坐標(biāo)，在 半對(duì)數(shù)紙上繪制關(guān)系曲線。

30.4.10     共振柱試驗(yàn)記錄格式應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)附錄 D 表 D.55~ 表 D.58 的規(guī)定。