由软件控制的GDS土动和地震研究实验系统
发布时间:2012-07-20

Bruce Menzies, Patrick Hooker, Karl Snelling and Jerry Sutton.

1. 概述

我们写这篇文章主要目的是为了回答许多客户提出的有关在室内进行土的动态试验和地震试验的一些问题。以下我们主要考虑研究土在受到地震波(频率在0.1~10Hz)影响下的性能。然后再评估不同的试验控制方式:气动、液压和电磁方式。提出“哪一种控制方式最好?”的问题。

接着,我们将回顾在实验室利用地震波法确定土的刚度的方法——关于野外利用地震波的方法将有另外的文章单独讨论,在GDS网页上也可以查到。在文章中我们还讨论了弯曲晶片系统,该系统可以用来在任何三轴试验中测量剪切模量,不管是在快速不排水试验中还是在动态试验中都可以。最后我们列出了一系列参考书目,书目中有一系列有关三轴试验的文章,也包括动三轴试验典型结果的文章。

2. 利用动三轴试验模拟地震条件

地震是我们这个星球地质运动的一部分,我们必须想办法保护自己,是自己不受到伤害。可以应用好的工程学原理来减轻地震运动对结构物的危害。另外,我们还需要评估土层的特性。无论是已有建筑还是待建建筑都可以通过结构物间的良好连接来减少振动造成的危害。软弱的地基一方面可以吸收较多的振动能量,但另一方面也容易产生液化。软土通常是饱和的。在振动时,孔隙水压是不断增加的。而有效应力是逐渐减少的,因此土层的强度和刚度也是逐渐减少的。

极端的情形是孔隙水压力增加到与总应力相等,土变成像流沙一样的流体。这里,增加的孔压不取决于频率,而只取决于振动的幅值和周期数。然而,在非饱和土中,孔隙水压和孔隙气压的增加将导致强度降低,这只能在不排水条件下模拟实际的频率来进行评估。

显然,在高频循环加载之前、中间和之后测量土的特性是非常必要的。我们有必要知道土层是否会由于孔压的增加而强度降低。如果是这样,我们则需要测量强度降低的多少,以便了解我们的建筑物是否仍然安全。

美国材料实验协会(ASTM)规程D3999-91“使用循环三轴设备测定土的模量和阻尼特性的标准试验方法”中详细说明了对这种设备性能特征的要求。条例中说“这些试验用来研究自然和工程结构物在受到由地震、海洋波浪或爆炸引起的动态循环加载时的性能。”
 

图1 1993年3月13日,从距离地震中心10KM的土耳其Erzincan地震观测站采集的强震记录5%阻尼波谱

地震波的频率最大只有10Hz,低于人的听觉频率。请见图1中的反馈波谱,我们可以看到0.1–10Hz 内的加速度峰值、0.1–2Hz 内的相对速度和相对位移值。ASTM3999-91规程中说,理想的三轴试验系统应该可以提供0.1- 2Hz的频率。

图2 和图3显示了饱和Hostun RF砂的典型试验结果。轴向力按照0.2Hz的频率以正弦波的方式变化。应力路径结果显示在图2中。液化发生在图3中的第16个循环。对饱和土而言,不排水试验对频率不敏感,孔压随时间增加(或强度降低)只与幅值和循环数有关。对于部分饱和的土来说,快速加载可以引起部分排水,此时,频率是一个重要的试验参数。典型的试验结果请参考附录I: Short Course Notes: Triaxial Test (after Simons, Menzies and Matthews, 2002).

图2 孔隙水压增加 (Courtesy of CETE Mediterranee).

图3 0.2Hz 下的应力路径(Courtesy of CETE
Mediterranee).

计算机控制的高频三轴试验系统符合ASTM 3999-91 标准,见图4 和图5。

图4 GDS 2 Hz / 50kN 38/50/70/100mm
动态三轴试验系统


 

图5 GDS 10 Hz / 20kN 70mm
动态三轴试验系统

有时,不知道什么原因,地震能量会慢慢释放,这个过程可能会是几分钟、几天或几年,此时没有地震发生,但岩石会产生滑动,这就是我们说的无震滑动或蠕变。有时,由于岩石的爆裂,能量会在几秒钟内快速释放,此时会产生地震。从爆裂口产生的地震波主要以三种波传播。传播最快的是主波或P波,它是一种压缩-膨胀波(图6),在岩石中的传播速度大约为5公里/秒。传播较慢的为次波或S(剪切)波,该波不能在液体中传播,也不能穿透地壳。传播最慢的是面波,包括主瑞利波和Love波,其穿透深度取决于波长。表面波在浅部地震中传播大量能量,因此往往用振幅来判断表面波的大小。在1960年的智利地震中,记录到地震发生后60小时且在地表传播20次后仍然具有很大的能量。


图6 地震波在土体中的传播方式

 土层勘察不仅应该包括实验室的动态三轴试验,还应该包括利用类似GDS SASW(表面波频谱分析仪)和CSW(连续表面波)系统完成的现场试验,这样似乎更加合理。

3. 采用气压、液压和电机三种控制方式,哪一种最好?

3.1 概述

不同的动三轴仪生产厂家使用不同的控制方式。主要有:气压、液压和电机三种方式。

不同的控制方式有不同的特点,具体采用哪种控制方式将取决于实际的应用。因为不同的控制方式在静态和动态情形下会有不同的性能特征。因此需要根据用户的研究过程来选择正确的系统和相应的控制方式。

当我们考察一个动三轴系统时,讨论的重点在于仪器的动态性能。无庸置疑地,液压或气压控制系统在频率大于10Hz时,其性能(及价格)优于电机控制系统。其不足是在如此高的频率下,精度不高,用户必须决定一个可以接受的误差范围。根据我们的经验,许多动三轴供应商只强调他们的输入设备的性能,如空压机或液压阀的性能,而不谈其输出的精度。供应商在描述输入和输出的差异上的不明确,导致用户无法通过后面的试验来解决,因为设备已经购买了。因此,从明确标明输出而不是输入指标的供应商处购买设备是较好的选择。通过安装在试样上的传感器(例如:水下荷重传感器)获得反馈信号来控制试验的系统是比较好的系统。当然,客户在购买设备前还需要考虑其它的因素。这些因素将在下面提到。

3.2 伺服控制系统

液压和气压是常用的压力控制方式。它们是通过一个可旋转的阀门来来控制一些相关的参数——压力、力或扭矩。这意味着完成虚拟的闭合回路控制(即在液压驱动装置中控制压力)是简单的。而扭矩或力的真实闭合回路控制是通过扭矩和力的传感器来完成的,由于试样的无线性和不同密封口的摩擦使得其变得很复杂。由于以下问题的存在,使得想通过液压或气压系统精确控制位移变得非常困难:

 中介物(气或油)的可压缩性以及驱动系统中的滑动杆将使控制成为非线性。

 在控制路径中大部分数字闭合回路控制系统采用的是12bit的数据采集系统,因此,其分辨率只能达到1/4000。

电机方案是使用无电刷直流电动马达驱动,通过远程传感器(荷载、扭矩或压力)的反馈数字信号控制位置或速度。对于荷载、扭矩或压力来说,电机控制和液压控制是类似的,都是在主要控制回路中(荷载、扭矩或压力)采用一个传感器。但是由马达控制(速度或位置)的有关参数由于系统、土和摩擦力的无线性而显得不够完美。位置控制时,马达是理想的装置,因为它们有较高的分辨率(每转8000点)和固定的传动装置。这意味着轴向位移和旋转的精度是很高的,而且是已知的,这比直接用一个传感器连接到试样上,通过16bits 数据采集系统(分辨率为1/64000)采集得到的数据要好。因此,传感器的反馈输出的精度很高。

3.3 动态控制

液压或气压控制设备在频率高于10Hz时,在控制速度方面比电机控制设备做得要好(而且相对便宜)。缺点是在这种高频条件下,精度相对不够,用户必须接受与实际相差5%的误差。在1到10Hz范围,采用液压和电机控制效果是一样好的(除了上面提到的位移精度和旋转控制以外)。低于1Hz时,电机系统相对来说就好得多,因为它可以长时间维持非常精确的荷载和位置,同时也可以有一个非常好的动态性能。

总之,超过10Hz时,选择液压控制,在1到10Hz时,用户的喜好成为选择的一个关键因素,低于1Hz时选择电机控制。在土力学中,只有1%不到的时间研究高于1Hz的情况,99%都是研究低于1Hz的,电机控制在1~10Hz运用较广。GDS系统既可完成静态试验,也可完成动态试验(例如2Hz和10Hz三轴系统,1Hz和5Hz空心圆柱系统),只有电机控制能够满足从静态到动态的试验精度。

3.4. 步进马达控制系统(一种电机控制的静态形式)

步进马达控制系统只适用于静态和非常低频的循环加载系统。其优点是可以非常稳定地短期和长期控制荷载、应力、位移、压力和体积变化。与伺服控制系统相比,它又非常经济。因此,步进马达控制装置成为大多数非动态岩土工程试验系统的首选。例如:GDS压力/体积控制器、加力架和力-位移驱动器。

4 系统的选择:

GDS建议在以下应用范围使用电机控制:
 在频率低于10Hz和荷载低于20kN(无电刷直流伺服马达)的土/岩的静态和动态试验中。
 在频率低于2Hz和荷载低于50kN(无电刷直流伺服马达)的土/岩的静态和动态试验中。
 在加载超过250kN的静态试验中(采用步进马达控制)。
我们建议在以下用途使用液压控制:
 频率高于10Hz的动态加载试验
 试验要求大量的循环,例如超过1000个循环的试验——回弹模量试验
 超过250kN的静态高压试验
 超过2Hz和50kN的动态高压试验

气压控制可以用于以下用途:
 轴向力小于5kN的廉价的应力控制系统,例如,使用Bellofram驱动器
 精度要求较低的重复加载试验,例如低荷载的回弹模量试验
 轴向力低于10kN的简单动荷载控制
 最大1000kPa的廉价压力控制,包括开放式的手动控制阀或闭合回路的由计算机控制的阀(例如GDS 2通道的气压阀)。

5 三轴系统:

 低于1Hz,使用电机控制系统
 1Hz-10Hz (地震波范围) 使用电机或液压(或气压,但精度较低) 控制系统
 高于10Hz 使用液压(或气压,但精度较低)控制系统
 静态和1-10Hz 动态系统(如GDS Hz和10Hz三轴系统及1Hz和5Hz空心圆柱系统)使用电机控制系统



图 7: 建议采用的控制系统

6 GDS 三轴系统:

GDS三轴和空心圆柱系统包括:

 10kN/2Hz 电机控制的三轴压缩/拉伸装置
 16kN/2Hz电机控制的三轴压缩/拉伸装置•
 40kN/2Hz电机控制的三轴压缩/拉伸装置
 20kN 10Hz电机控制的三轴压缩/拉伸装置包括围压动态控制系统
 100kN/10Hz 液压控制的三轴压缩/拉伸装置包括围压动态控制系统
 5kN/70Hz 气压控制的三轴压缩/拉伸装置
 25kN/ 70Hz 气压控制的三轴压缩/拉伸装置
 10kN/100N-m 1Hz 电机控制空心圆柱装置
 10kN/100N-m 2Hz电机控制空心圆柱装置
 10kN/100N-m 5Hz电机控制空心圆柱装置

注意:GDS空心圆柱系统一样可以完成应力路径、K0、非饱和土试验。

7. 实验室地震研究方法:

7.1. 土的无线性应变特性

在上世纪80年代和90年代初,在实验室测量土的刚度是通过小应变动态共振柱来完成的。研究者注意到这些动态模量值与从类似挡土墙和开挖基坑等实际静态结构物附近土层运动反推出来的静态模量值比较相近。随后,他们意识到过去在静态试验(如三轴试验)和动态试验(如共振柱试验)中测量的模量值不同是因为土的应变程度不同,即一个试验是测量小应变模量而另外一个试验测量大应变模量,而不是因为一个是“动态”试验另一个是“静态”试验(见图8)。

令人意想不到的是模拟地震的共振柱动态试验测量的刚度值与野外静态测得的值比较接近——因为它们都是在小应变状态下试验的。这个特点激励研究者去开发利用地震方法现场测定土和岩石的刚度。现场地震试验方法主要包括:动力触探试验(SCPT)、跨孔和向下孔剪波速测量、表面波(瑞利波)SASW(表面波频谱分析)方法——以手锤作为振动源、CSW(连续表面波)方法——以可控制频率的振荡器提供振动源(见图9)。

图8 理想的刚度-应变特性关系图,它表示绝大多数土的刚度值同其应变水平有关

图9 量测地层刚度的地震波法

8. 利用弯曲晶片测量剪切模量

8.1. 简介

由于荷载和位移测量装置的分辨率和精度不足,在试验中测量小应变状态下土的刚度是很困难的。通常在三轴试验中测量小应变的刚度是通过局部应变传感器来完成的,但是,这种设备非常昂贵,一般只在科研项目中采用。在三轴试验系统中加上弯曲晶片,可以大大简化Gmax(最大剪切模量)的测量。

8.2. GDS 弯曲晶片系统

通过与荷兰GeoDelft 公司合作,我们开发了一种弯曲晶片系统,该系统是通过计算机控制的,并可以利用计算机代替示波器显示波形。该系统可以与新的GDS系统或客户已有系统(包括非GDS生产的系统)配套使用。

该对晶片可以施加三种不同的波形:

  •  只采用S波
  •  只采用P波(高能量)
  •  S波和P波的组合波形

每套弯曲晶片都包括一个反射晶片和一个接收晶片。

所有的弯曲晶片都被压缩,然后固定在一个嵌入物中,安装在如图10所示的底座和试样帽上。底座和试样帽仍然像平时一样在三轴压力室中使用。所有的晶片都是高标准的,非常脆弱。有时试验中需要更换晶片。更换晶片只需拿走旧的换上新的就可以了。该嵌入物非常便宜,更换起来非常容易。

8.3. 发射控制

根据软件中的“向导”,可以很容易和快速地设定弯曲晶片试验。

为了符合世界上的各种弯曲晶片试验方法,GDS生产的弯曲晶片软件可以产生以下信号:

  •  正弦波
  •  方波
  •  用户自定义波

以上波形在试验中既可以只发射一次,也可以自动重复发射,产生一系列数据。对于S波晶片来说,发射可以逆转,并可很容易的采集数据。

标准波形(正弦波和方波)可以控制以下参数:

  •  振幅
  •  周期
  •  重复时间(0秒(连续)到60秒)
  •  偏移(正或负)

用户自定义波形选项,可以让用户采用非标准的波形。软件可以读取含有数字化波形的ASCII格式的文件,从而使发射晶片采用这个波形。

      图10 安装在试样帽和底座上的
GDS 弯曲晶片嵌入物

8.4. 接收控制

整套GDS弯曲晶片系统可以通过软件输入增益值(接收信号),设置输出信号电压和控制P波和S波的转换。软件可以选择一个合适的采样频率,但用户可以不管这些。采集的发射(反馈)信号和接收信号都可以呈现在用户面前。采集到的发射信号提供了一个计算时间的绝对零点而不是按照触发时间。图11为一个典型的试验窗口。

   

  图11 GDS 弯曲晶片系统软件(GDSBES)

弯曲晶片被压缩和固定在嵌入物中,再安装在试样帽或底座上(图12)。试样帽上的嵌入物材料为钛,具有较高的轴向硬度和较低的重量,从而使轴向荷载减到最小。钛制试样帽嵌入体的重量大约只有不锈钢制底座嵌入体重量的一半。

         图12 GDS 弯曲晶片嵌入物

附录

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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