振动三轴试验优化为：振动三轴试验探究

按荷载振动的方向，振动三轴仪有单向（轴向）振动和双向振动（轴向和径向）两种。按激振方式不同，振动三轴仪分为电磁式、机械（惯性）式、气压式，液压式等几种。

单向振动三轴仪的围压保持恒定，在轴向施加周期性的动应力，使土试样轴向经受循环变化的大主应力，从而在试样中产生循环变化的正应力和剪应力。轴向施加的振动波一般为正弦波，其幅值为σd。试验时，先使试样在轴向压力σ1及周围压力σ3作用下固结，此时试样在45°面上产生初始法向应力σ0＝（σ1＋σ3）/2 和初始剪应力τ0＝（σ1—σ3）/2。然后在不排水条件下，循环施加轴向动应力±σd，试样将在45°面上新增±σd/2 的法向正应力和±σd/2 的切向剪应力。单向振动三轴试验的应力状态分析如图4.17 （a）所示。

双向振动三轴试验先将试样在轴向压力σ1和周围压力σ3下固结，然后在不排水条件下施加轴向动应力σd/2，并同时在径向施加动应力—σd/2，两者以180°相位差交替施加动应力。试样在45°面上产生的法向应力保持不变，即σ0＝（σ1＋σ3）/2。同时，试样在45°面上交替增减动剪应力，即τ0±σd/2。双向振动三轴试验的应力状态分析如图4.17 （b）所示。

图4.17　振动三轴试验的应力状态分析

（a）单向振动试验；（b）双向振动试验

图4.18 为单向振动三轴试验记录曲线 （轴向动应力曲线、轴向应变曲线、振动孔隙水压力比曲线），其中Kc＝1.5，σ1＝75kPa，σd＝25kPa，干重度γd＝1.525。这种应力状态下孔压比ud/σ3已达不到1.0，最终只能达到0.79。如果按ε1＝5%作为破坏标准，则振动36 次达到破损，即N ＝36。改变动应力幅值进行振动试验，达到ε1＝5%，可得到不同的振动次数N。这些σd和N 资料可绘成图4.19（b）中σ3＝50kPa 的那条曲线。改变固结应力，但保持Kc仍为1.5。重复上述振动试验，可得到图4.19 （b）中σ3＝100kPa 和σ3＝150kPa曲线。类似地，改变固结应力，使Kc＝1.0 和Kc＝2.0，同样可绘成图4.19（a）和图4.19 （c）的两组曲线。

图4.18　振动三轴试验记录的典型曲线

图4.19　σd～Kc～nN关系曲线

根据坝址处的设计等效振动次数Neq（由表4.1 确定），在图4.19 中各曲线的横轴上在振动次数等于Neq处作竖直线交各曲线于1、2、3 点，则可得到各点的σ1、σ3和σd值。用此三值作如图4.20 所示的Mohr圆。假定破坏面与小主应力方向成45°＋Φ/2 角，作直线交固结应力圆于A，交动应力圆于B。A 点代表破坏面上的固结剪应力τcf和固结正应力σcf。由此求得固结剪应力比αc＝τcf/σcf。B 点至A 点的竖直距离表示破坏面上的动剪应力τdf，此τdf即试样的循环抗剪强度τN。1、2 和3 各点的αc和τdf求出以后，可绘制图4.21 的一条曲线。图4.19 中不同Kc的曲线组用Mohr圆求出不同的αc和τdf，可绘制图4.21 的其他曲线。此曲线组可用于计算液化或破损。(www.xing528.com)

图4.20　用Mohr圆求τcf、τdf和σcf（单向振动三轴试验）

图4.21　τdf～αc～σcf关系曲线

双向振动试验资料可同样绘制类似图4.19 的曲线组。然后用Mohr圆求αc及τdf，如图4.22 所示。再用αc和τdf绘制图4.21 的曲线组。

用地震总应力法计算坝坡稳定性时，需要地震总应力抗剪强度指标。这个指标也可以用Mohr圆确定，单向振动三轴试验如图4.20 所示。由B 点作水平线与经过A 点的竖直线相交于C 点，连接OC，OC 与水平线所成的夹角为动摩擦角Φd。在一定的设计等效振动次数下，Kc不同，Φd也不同，作成如图4.23 所示曲线，可供地震总应力法计算饱和砂土坝坡稳定时查用。

图4.22　用Mohr圆求τcf、τdf和σcf（双向振动三轴试验）

图4.23　Φd～Kc关系曲线

为了用有效应力法验算地震液化范围和计算坝坡地震稳定性，可根据坝址设计等效振动次数（由表4.1 确定）由图4.18 查取ud/σ3。由若干条不同的Kc和不同σd/σ1的曲线查ud/σ3以后，可绘制如图4.14 所示的不同振次下振动孔隙水压力比ud/σ3与固结比Kc及破坏面的动剪应力比αd＝τdf/σcf的关系曲线，供计算时查用。

双向振动三轴试验与单向振动三轴试验相比，能够较为相似地模拟现场地震应力状态。当Kc＝1，轴向增加动应力σd/2，同时径向减小动应力σd/2，在试样的45°平面上，正应力等于固结应力，剪应力等于σd/2。当动应力方向改变，即轴向减小σd/2，径向增加σd/2，在试样的45°平面上，正应力仍等于固结应力，而剪应力方向与前者相反，数值仍为σd/2。所以在45°平面上的剪应力即为循环抗剪强度τN＝σd/2。在水平地面的地基内，当受到水平向地震运动作用，水平面上也产生反复的地震剪应力，而正应力没有变化。因此可以将地基的水平面动剪应力与τN对比，如前者大于后者则液化或破损。不过，当Kc＞1.0，试样固结时，在45°平面上已存在着剪应力，双向振动时，45°平面上并不产生相等的交变剪应力，故不能相似地模拟现场地震应力状态。