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技術文章
30 共振柱試驗
30.1 一 般 規 定
30.1.1 土樣應為飽和的細粒土或砂土。
30.1.2 本試驗宜制備多個性質相同的試樣，在不同周圍壓力和 不同固結比下進行試驗。周圍壓力和固結比宜根據工程實際確 定。可采用1個～4個周圍壓力，1個～3個固結比。
30.2 儀 器 設 備
30.2.1 本試驗所用的主要儀器設備應符合下列規定：
1 共振柱試驗儀：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 穩態強迫振動法和自由振動法兩類；按振動方式，可分為扭轉振動 和縱向振動兩類；
2 壓力室(圖30.2.1):內部置放激振器、加速度計及試樣， 壓力室底座和試樣上壓蓋板應具有輻射狀的凸條；
3 靜力控制系統：應符合本標準第29.2.1條第1款第2項 的規定；
4 激振控制系統：包括信號發生器、功率放大器、D/A 轉換 器和計算機；
5 量測系統：包括加速度計、電荷放大器、頻率計、示波器或A/D 轉換器和計算機。
30.2.2 本試驗所用的其他儀器設備應符合本標準第19.2. 1條 第2款的規定。
(a)等壓共振柱示意圖 (b)軸向和側向不等壓共振柱示意圖
圖30.2. 1 共振柱主機示意圖
1一接周圍壓力系統；2一壓力室外罩；3一支架；4一加速度計；5-扭轉激振器；
6—軸向激振器；7-驅動板；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—旋轉軸；16一壓力傳感器；
17—導向桿；18—加速度計；19—上下活動框架；20—水；21一試樣
30.3 操 作 步 驟
30.3.1 試樣制備應符合下列規定：
1 本試驗采用的試樣直徑為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按本標準第19.3. 1條第2款的規 定進行；
3 擾動土樣的試樣制備應按本標準19.3. 1條第3款的規定 進行；
4 砂性土的試樣制備應按本標準第19.3. 1條第4款的規定 進行。
30.3.2 試樣飽和應符合下列規定：
1 抽氣飽和應按本標準第19.3.2條第1款的規定進行；
2 水頭飽和應按本標準第19.3.2條第2款的規定進行；
3 飽和度檢查和反壓力飽和應按本標準第19.3.2條第3款的規定進行。
30.3.3 試樣安裝和固結應按下列步驟進行：
1 打開量管閥，使試樣底座充水，當溢出的水不含氣泡時，關 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，取下撐膜筒。用對開圓模夾緊試樣，將乳膠膜上端翻出 模外。
3 對扭轉振動，將加速度計和激振驅動系統水平固定在驅動 板上，再將驅動板置于試樣上端，將旋轉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，將對應的線 圈套進磁鋼外極，磁極中心至線圈上、下端的距離應相等。兩對線 圈的高度應一致，線圈兩側的磁隙應相同，并對稱于線圈支架，按 線圈上的標志接線。
4 對軸向振動，將加速度計垂直固定在上壓蓋上，再將上壓 蓋與激振器相連。當上壓蓋上下活動自如時，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，并將加速度計與電 荷放大器相連。
6 拆除對開圓模，裝上壓力室外罩。
7 轉動調壓閥，逐級施加至預定的周圍壓力， 一端固定另 一端彈簧支承的可進行不等向固結。打開排水閥，直至固結穩 定。穩定標準應符合本標準第29.3.4 條第4款的規定，關排水閥。
30.3.4 穩態強迫振動法應按下列步驟進行：
1 開啟信號發生器、示波器、電荷放大器和頻率計電源，預熱，打開計算機數據采集系統。
2 將信號發生器的振幅控制旋鈕調至零位，開啟功率放大器 電源預熱5min,將功能開關置于共振擋。
3 將信號發生器輸出調至給定值，連續改變激振頻率，由低 頻逐漸增大，直至系統發生共振，讀出最大電壓值，此時頻率計讀 數即為共振頻率。測記共振頻率和相應的電壓值，由電壓值確定 動應變或動剪應變。
4 進行阻尼比測定時，當激振頻率達到系統共振頻率后，繼 續增大頻率，這時振幅逐漸減小，測記每一激振頻率和相應的振幅 電壓值。如此繼續，測記7組～10組數據，關儀器電源。以振幅 為縱坐標，以頻率為橫坐標，繪制振幅與頻率關系曲線。
5 宜逐級施加動應變幅或動應力幅進行測試，后一級的振幅 可控制為前一級的1倍。在同一試樣上選用允許施加的動應變幅 或動應力幅的級數時，應避免孔隙水壓力明顯升高。
6 關閉儀器電源，退去壓力，取下壓力室罩，拆除試樣，需要 時測定試樣的干密度和含水率。
30.3.5 自由振動法應按下列步驟進行：
1 開啟電荷放大器電源，預熱，開計算機系統電源。
2 將試驗程序輸入計算機，開功率放大器電源預熱5min, 在 計算機控制下進行試驗。計算機指令 D/A 轉換器控制驅動系統， 對試樣施加瞬時扭矩后立即卸除，使試樣自由振動。在振動過程 中，加速度計的信號經過電荷放大器和 A/D 轉換器輸入計算機處 理，得到振幅衰減曲線。
3 宜逐級施加動應變幅或動應力幅進行測試，后一級的振幅可控制為前一級的1倍。在每一級激振力振動下試驗后，逐次增 大激振力，繼續進行試驗得到在試樣應變幅值增大后測試的模量 和阻尼比。 一般應變幅值增大到1×10-4為止。
4 關閉儀器電源，退除壓力，取下壓力室外罩，拆除試樣，需 要時測定試樣的干密度和含水率。
30.4 計算、制圖和記錄
30.4.1 試樣的動應變按下列公式計算：
1 動剪應變：
(30.4.1-1)
式中：γ——動剪應變(%);
Ad—— 安裝加速度計處的動位移(cm); dc——試樣固結后的直徑(cm);
d?—— 加速度計到試樣軸線的距離(cm);
hc—— 試樣固結后的高度(cm);
U—— 加速度計經放大后的電壓值(mV); β——標定系數[mV/(981cm · s2];
w——共振圓頻率(rad/s);
fnt-— 試驗實測扭轉共振頻率(Hz)。
2 動軸向應變：
(30.4.1-2)
式中：△hd—— 動軸向變形(cm)。
30.4.2 扭轉共振時的動剪切模量應按下式計算：
(30.4.2)
式中：Gd—— 動剪切模量(kPa);
fnt—— 試驗時實測的扭轉共振頻率(Hz);
βs——扭轉無量綱頻率因數；
ρ0——試樣密度(g/cm3)。
30.4.3 扭轉無量綱頻率因數應根據試樣的約束條件分別按下列 公式計算：
1 無彈簧支承：
(30.4.3-1)
式中：I0—— 試樣的轉動慣量(g ·cm2);
I1——試樣頂端附加物的轉動慣量(g ·cm2); m0——試樣質量(g);
d—— 試樣直徑(cm)。
2 有彈簧支承：
(30.4.3-2)
式中： f0t—— 無試樣時轉動振動各部分的扭振共振頻率(Hz);
fnt——試驗時實測的扭轉共振頻率(Hz)。
30.4.4 軸向共振時的動彈性模量應按下式計算：
(30.4.4)
式中：Ed—— 動彈性模量(kPa);
fnt—— 試驗時實測的縱向振動共振頻率(Hz);
βL—— 縱向振動無量綱頻率因數。
30.4.5 縱向振動無量綱頻率因數應根據試樣的約束條件分別按 下列公式計算：
1 無彈簧支承：
(30.4.5-1)
式中：m0— 試樣的質量(g);
mft——試樣頂端附加物的質量(g)。
2 有彈簧支承：
(30.4.5-2)
式中：f0t—— 無試樣時系統各部分的縱向振動共振頻率(Hz);
fn1——試驗時實測的縱向振動共振頻率(Hz)。
30.4.6 土的阻尼比應按下列公式計算：
1 無彈簧支承：
1)自由振動法：
(30.4.6-1)
式中：λ——阻尼比；
N—— 計算所取的振動次數；
A1—— 停止激振后第1周振動的振幅(mm);
AN+1—— 停止激振后第 N+1 周振動的振幅(mm)。
2)穩態強迫振動法：
(30.4.6-2)
式中：f1、f?—— 振幅與頻率關系曲線上最大振幅值的70 . 7%處 所對應的頻率(Hz);
fn—— 最大振幅值所對應的頻率(Hz)。
2 有彈簧支承：
1)自由扭轉振動法：
(30.4.6-3)
(30.4.6-4)
式中：δt、δ0t—— 有試樣和無試樣時系統扭轉振動時的對數衰減率；
st—— 扭轉振動時的能量比。
2)自由縱向振動法：
(30.4.6-5)
(30.4.6-6)
式中：δ1、δ01—— 有試樣和無試樣時系統縱向振動時的對數衰減率；
s1—— 縱向振動時的能量比。
30.4.7 以動剪應變(或軸向應變)為橫坐標，動剪切模量或動彈 模量為縱坐標，在半對數紙上繪制不同周圍壓力下動剪應變或動 彈模量與動剪切模量或軸向應變關系曲線。取微小動剪應變 (γ<1×10-5) 下的動剪切模量為最大動剪切模量Gdmax。
30.4.8 以動剪應變或軸向應變為橫坐標，動剪切模量比或動彈 模量比為縱坐標，在半對數紙上繪制周圍壓力下動剪應變或軸向 應變與動剪切模量比或動彈模量比關系的歸一化曲線。
30.4.9 以動剪應變或軸向動應變為橫坐標，阻尼比為縱坐標，在 半對數紙上繪制關系曲線。
30.4.10 共振柱試驗記錄格式應符合本標準附錄 D 表 D.55~ 表 D.58 的規定。
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