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)進行土的動態(tài)試驗和地震試驗的一些問題。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，我們將回顧在實驗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中測量剪切模量，不管是在快速不排水試驗中還是在動態(tài)試驗中都可以。最后我們列出了一系列參考書目，書目中有一系列有關(guān)三軸試驗的文章，也包括動三軸試驗典型結(jié)果的文章。
2. 利用動三軸試驗?zāi)M地震條件
地震是我們這個星球地質(zhì)運動的一部分，我們必須想辦法保護自己，是自己不受到傷害。可以應(yīng)用好的工程學(xué)原理來減輕地震運動對結(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，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)致強度降低，這只能在不排水條件下模擬實際的頻率來進行評估。
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度降低。如果是這樣，我們則需要測量強度降低的多少，以便了解我們的建筑物是否仍然安全。
美國材料實驗協(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)試驗方法”中詳細說明了對這種設(shè)備性能特征的要求。條例中說“這些試驗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)加載時的性能。”
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，不排水試驗對頻率不敏感，孔壓隨時間增加（或強度降低）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，頻率是一個重要的試驗參數(shù)。典型的試驗結(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).
計算機控制的高頻三軸試驗系統(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)三軸試驗系統(tǒng)
圖5 GDS 10 Hz / 20kN 70mm 動態(tài)三軸試驗系統(tǒng)
有時，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，由于巖石的爆裂，能量會在幾秒鐘內(nèi)快速釋放，此時會產(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)該包括實驗室的動態(tài)三軸試驗，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，這樣似乎更加合理。
3. 采用氣壓、液壓和電機三種控制方式，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、液壓和電機三種方式。
不同的控制方式有不同的特點，具體采用哪種控制方式將取決于實際的應(yīng)用。因為不同的控制方式在靜態(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，討論的重點在于儀器的動態(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，其性能（及價格）優(yōu)于電機控制系統(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，許多動三軸供應(yīng)商只強調(diào)他們的輸入設(shè)備的性能，如空壓機或液壓閥的性能，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來解決，因為設(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數(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，其分辨率只能達到1/4000。
電機方案是使用無電刷直流電動馬達驅(qū)動，通過遠程傳感器（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，馬達是理想的裝置，因為它們有較高的分辨率（每轉(zhuǎn)8000點）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，在控制速度方面比電機控制設(shè)備做得要好（而且相對便宜）。缺點是在這種高頻條件下，精度相對不夠，用戶必須接受與實際相差5%的誤差。在1到10Hz范圍，采用液壓和電機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，電機系統(tǒng)相對來說就好得多，因為它可以長時間維持非常精確的荷載和位置，同時也可以有一個非常好的動態(tài)性能。
總之，超過10Hz時，選擇液壓控制，在1到10Hz時，用戶的喜好成為選擇的一個關(guān)鍵因素，低于1Hz時選擇電機控制。在土力學(xué)中，只有1%不到的時間研究高于1Hz的情況，99%都是研究低于1Hz的，電機控制在1~10Hz運用較廣。GDS系統(tǒng)既可完成靜態(tài)試驗，也可完成動態(tài)試驗（例如2Hz和10Hz三軸系統(tǒng)，1Hz和5Hz空心圓柱系統(tǒng)），只有電機控制能夠滿足從靜態(tài)到動態(tài)的試驗精度。
3.4. 步進馬達控制系統(tǒng)（一種電機控制的靜態(tài)形式）
步進馬達控制系統(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。因此，步進馬達控制裝置成為大多數(shù)非動態(tài)巖土工程試驗系統(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)用范圍使用電機控制：
? 在頻率低于10Hz和荷載低于20kN（無電刷直流伺服馬達）的土/巖的靜態(tài)和動態(tài)試驗中。
? 在頻率低于2Hz和荷載低于50kN（無電刷直流伺服馬達）的土/巖的靜態(tài)和動態(tài)試驗中。
? 在加載超過250kN的靜態(tài)試驗中（采用步進馬達控制）。
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
? 試驗要求大量的循環(huán)，例如超過1000個循環(huán)的試驗——回彈模量試驗
? 超過250kN的靜態(tài)高壓試驗
? 超過2Hz和50kN的動態(tài)高壓試驗
氣壓控制可以用于以下用途：
? 軸向力小于5kN的廉價的應(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，例如低荷載的回彈模量試驗
? 軸向力低于10kN的簡單動荷載控制
? 最大1000kPa的廉價壓力控制，包括開放式的手動控制閥或閉合回路的由計算機控制的閥（例如GDS 2通道的氣壓閥）。
5 三軸系統(tǒng)：
? 低于1Hz，使用電機控制系統(tǒng)
? 1Hz-10Hz (地震波范圍) 使用電機或液壓(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 電機控制的三軸壓縮/拉伸裝置
? 16kN/2Hz電機控制的三軸壓縮/拉伸裝置?
? ?40kN/2Hz電機控制的三軸壓縮/拉伸裝置
? ?20kN 10Hz電機控制的三軸壓縮/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 電機控制空心圓柱裝置
? ?10kN/100N-m 2Hz電機控制空心圓柱裝置
? 10kN/100N-m 5Hz電機控制空心圓柱裝置
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。
7. 實驗室地震研究方法:
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，在實驗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際靜態(tài)結(jié)構(gòu)物附近土層運動反推出來的靜態(tài)模量值比較相近。隨后，他們意識到過去在靜態(tài)試驗（如三軸試驗）和動態(tài)試驗（如共振柱試驗）中測量的模量值不同是因為土的應(yīng)變程度不同，即一個試驗是測量小應(yīng)變模量而另外一個試驗測量大應(yīng)變模量，而不是因為一個是“動態(tài)”試驗另一個是“靜態(tài)”試驗（見圖8）。
令人意想不到的是模擬地震的共振柱動態(tài)試驗測量的剛度值與野外靜態(tài)測得的值比較接近——因為它們都是在小應(yīng)變狀態(tài)下試驗的。這個特點激勵研究者去開發(fā)利用地震方法現(xiàn)場測定土和巖石的剛度?，F(xiàn)場地震試驗方法主要包括：動力觸探試驗（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，一般只在科研項目中采用。在三軸試驗系統(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)是通過計算機控制的，并可以利用計算機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：
-
? 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。有時試驗中需要更換晶片。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。
為了符合彎曲晶片試驗方法，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)：
-
? 振幅
-
? 周期
-
? 重復(fù)時間（0秒（連續(xù)）到60秒）
-
? 偏移（正或負）
用戶自定義波形選項，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算時間的絕對零點而不是按照觸發(fā)時間。圖11為一個典型的試驗窗口。
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.
參考書目
Fredlund, D.G. (1997). From theory to practice in unsaturated soil mechanics. Proc. 3rd Brazilian Symp. on Unsaturated Soils. Rio de Janeiro, Brazil.
Heymann, G. (1998). The Stiffness of Soils and Weak Rocks at Very Small Strains. PhD Thesis, Department of Civil Engineering, University of Surrey.
Heymann, G., Clayton, C.R.I. and Reed, G.T. (1997). Laser interferometry to evaluate the performance of local displacement transducers. Géotechnique 47, No.3, 399-405.
Jovicic, V. and Coop, M.R. (1997). Stiffness of coarse-grained soils at small strains.
Géotechnique, 47, No. 3, 545-562.
Jovièi?, V., Coop, M.R., and Simi?, M. (1996). Objective criteria for determining Gmax from bender element tests. Géotechnique 46, No. 2, 357-362.
Matthews, M.C. and Clayton, C.R.I (1993).
Influence of intact porosity on the engineering properties of a weak rock. Geotechnical Engineering of Hard Soils - Soft Rock (A. Anagnostopoulos, F. Schlosser, N. Kalteziotis and R. Frank, Eds), Vol. 1, Balkema, Rotterdam, 693-702.
Matthews, M.C., Clayton, C.R.I. and Rigby-
Jones, J. (2000). Locating dissolution features in the Chalk. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 33(2), 125-140.
Matthews, M.C., Clayton, C.R.I., and Own, Y. (2000). The use of field geophysical techniques to determine geotechnical stiffness parameters. Proc. Instn Civ. Engrs Geotech. Engng. January, pp. 31-42.
Matthews, M.C., Hope, V.S. and Clayton, C.R.I. (1996) The use of surface waves in the determination of ground stiffness profiles. Proc. Instn. Civ. Engrs. Geotech. Engng 119, April, 84-95.
Ray, R.P. and Morris, K.B. (1995). Automated laboratory testing for soil/water characteristic curves. Unsaturated Soils, Alonso & Delage (eds). A.A. Balkema, Rotterdam, 547-552.
Simons, N.E. and Menzies, B.K. (2000). A short course in foundation engineering. Thomas Telford, London, 244p.
Simons, N.E., Menzies, B.K. and Matthews,
M.C. (2001). A short course in soil and rock
slope engineering. Thomas Telford, London,
432p.
Simons, N.E., Menzies, B.K. and Matthews,
M.C. (2002). A short course in geotechnical site investigation. Thomas Telford, London, 300p.
Souto, A., Hartikainin, J. and ?züdoeru, K.
(1994). Measurement of dynamic parameters of road pavement materials by the bender element and resonant column tests. Géotechnique 44, No. 3, 519-526.
Tou J.H., Leong, E.C., Rahardjo, H. and Cheong, H.K. (2001). Determination of Gmax of residual soils using bender elements. Proc. 14th Southeast
Asian Geotech Conf., Hong Kong, Vol. 1, pp. 581-586.
Viggiani, G. and Atkinson, J.H. (1995).
Interpretation of bender element tests.
Géotechnique 45, No. 1, 149-154.
