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技术文章
30 共振柱试验
30.1 一 般 规 定
30.1.1 土样应为饱和的细粒土或砂土。
30.1.2 本试验宜制备多个性质相同的试样，在不同周围压力和 不同固结比下进行试验。周围压力和固结比宜根据工程实际确 定。可采用1个～4个周围压力，1个～3个固结比。
30.2 仪 器 设 备
30.2.1 本试验所用的主要仪器设备应符合下列规定：
1 共振柱试验仪：按试样约束条件，可分为一端固定一端自 由及一端固定一端用弹簧和阻尼器支承两类；按激振方式，可分为 稳态强迫振动法和自由振动法两类；按振动方式，可分为扭转振动 和纵向振动两类；
2 压力室(图30.2.1):内部置放激振器、加速度计及试样， 压力室底座和试样上压盖板应具有辐射状的凸条；
3 静力控制系统：应符合本标准第29.2.1条第1款第2项 的规定；
4 激振控制系统：包括信号发生器、功率放大器、D/A 转换 器和计算机；
5 量测系统：包括加速度计、电荷放大器、频率计、示波器或A/D 转换器和计算机。
30.2.2 本试验所用的其他仪器设备应符合本标准第19.2. 1条 第2款的规定。
(a)等压共振柱示意图 (b)轴向和侧向不等压共振柱示意图
图30.2. 1 共振柱主机示意图
1一接周围压力系统；2一压力室外罩；3一支架；4一加速度计；5-扭转激振器；
6—轴向激振器；7-驱动板；8-上压盖；9一试样；10一透水板；11一接排水管；
12—轴向压力；13一弹簧；14-激振器；15—旋转轴；16一压力传感器；
17—导向杆；18—加速度计；19—上下活动框架；20—水；21一试样
30.3 操 作 步 骤
30.3.1 试样制备应符合下列规定：
1 本试验采用的试样直径为50mm, 试样高度为直径的2倍~ 2 . 5倍；
2 原状土样的试样制备应按本标准第19.3. 1条第2款的规 定进行；
3 扰动土样的试样制备应按本标准19.3. 1条第3款的规定 进行；
4 砂性土的试样制备应按本标准第19.3. 1条第4款的规定 进行。
30.3.2 试样饱和应符合下列规定：
1 抽气饱和应按本标准第19.3.2条第1款的规定进行；
2 水头饱和应按本标准第19.3.2条第2款的规定进行；
3 饱和度检查和反压力饱和应按本标准第19.3.2条第3款的规定进行。
30.3.3 试样安装和固结应按下列步骤进行：
1 打开量管阀，使试样底座充水，当溢出的水不含气泡时，关 量管阀，在底座透水板上放湿滤纸。
2 将试样放在底座上，并压入凸条中，在其周围贴7条～9 条宽6mm 的湿滤纸条，用撑膜筒将乳胶膜套在试样外，下端与底 座扎紧，取下撑膜筒。用对开圆模夹紧试样，将乳胶膜上端翻出 模外。
3 对扭转振动，将加速度计和激振驱动系统水平固定在驱动 板上，再将驱动板置于试样上端，将旋转轴与试样帽上端连接，翻 起乳胶膜并扎紧在上压盖上(试样帽),按线圈座编号，将对应的线 圈套进磁钢外极，磁极中心至线圈上、下端的距离应相等。两对线 圈的高度应一致，线圈两侧的磁隙应相同，并对称于线圈支架，按 线圈上的标志接线。
4 对轴向振动，将加速度计垂直固定在上压盖上，再将上压 盖与激振器相连。当上压盖上下活动自如时，垂直地置于试样上 端，翻起乳胶膜并扎紧在上压盖上。
5 用引线将加力线圈与功率放大器相连，并将加速度计与电 荷放大器相连。
6 拆除对开圆模，装上压力室外罩。
7 转动调压阀，逐级施加至预定的周围压力， 一端固定另 一端弹簧支承的可进行不等向固结。打开排水阀，直至固结稳 定。稳定标准应符合本标准第29.3.4 条第4款的规定，关排水阀。
30.3.4 稳态强迫振动法应按下列步骤进行：
1 开启信号发生器、示波器、电荷放大器和频率计电源，预热，打开计算机数据采集系统。
2 将信号发生器的振幅控制旋钮调至零位，开启功率放大器 电源预热5min,将功能开关置于共振挡。
3 将信号发生器输出调至给定值，连续改变激振频率，由低 频逐渐增大，直至系统发生共振，读出最大电压值，此时频率计读 数即为共振频率。测记共振频率和相应的电压值，由电压值确定 动应变或动剪应变。
4 进行阻尼比测定时，当激振频率达到系统共振频率后，继 续增大频率，这时振幅逐渐减小，测记每一激振频率和相应的振幅 电压值。如此继续，测记7组～10组数据，关仪器电源。以振幅 为纵坐标，以频率为横坐标，绘制振幅与频率关系曲线。
5 宜逐级施加动应变幅或动应力幅进行测试，后一级的振幅 可控制为前一级的1倍。在同一试样上选用允许施加的动应变幅 或动应力幅的级数时，应避免孔隙水压力明显升高。
6 关闭仪器电源，退去压力，取下压力室罩，拆除试样，需要 时测定试样的干密度和含水率。
30.3.5 自由振动法应按下列步骤进行：
1 开启电荷放大器电源，预热，开计算机系统电源。
2 将试验程序输入计算机，开功率放大器电源预热5min, 在 计算机控制下进行试验。计算机指令 D/A 转换器控制驱动系统， 对试样施加瞬时扭矩后立即卸除，使试样自由振动。在振动过程 中，加速度计的信号经过电荷放大器和 A/D 转换器输入计算机处 理，得到振幅衰减曲线。
3 宜逐级施加动应变幅或动应力幅进行测试，后一级的振幅可控制为前一级的1倍。在每一级激振力振动下试验后，逐次增 大激振力，继续进行试验得到在试样应变幅值增大后测试的模量 和阻尼比。 一般应变幅值增大到1×10-4为止。
4 关闭仪器电源，退除压力，取下压力室外罩，拆除试样，需 要时测定试样的干密度和含水率。
30.4 计算、制图和记录
30.4.1 试样的动应变按下列公式计算：
1 动剪应变：
(30.4.1-1)
式中：γ——动剪应变(%);
Ad—— 安装加速度计处的动位移(cm); dc——试样固结后的直径(cm);
d₁—— 加速度计到试样轴线的距离(cm);
hc—— 试样固结后的高度(cm);
U—— 加速度计经放大后的电压值(mV); β——标定系数[mV/(981cm · s²];
w——共振圆频率(rad/s);
fnt-— 试验实测扭转共振频率(Hz)。
2 动轴向应变：
(30.4.1-2)
式中：△hd—— 动轴向变形(cm)。
30.4.2 扭转共振时的动剪切模量应按下式计算：
(30.4.2)
式中：Gd—— 动剪切模量(kPa);
fnt—— 试验时实测的扭转共振频率(Hz);
βs——扭转无量纲频率因数；
ρ0——试样密度(g/cm³)。
30.4.3 扭转无量纲频率因数应根据试样的约束条件分别按下列 公式计算：
1 无弹簧支承：
(30.4.3-1)
式中：I0—— 试样的转动惯量(g ·cm²);
I1——试样顶端附加物的转动惯量(g ·cm²); m0——试样质量(g);
d—— 试样直径(cm)。
2 有弹簧支承：
(30.4.3-2)
式中： f0t—— 无试样时转动振动各部分的扭振共振频率(Hz);
fnt——试验时实测的扭转共振频率(Hz)。
30.4.4 轴向共振时的动弹性模量应按下式计算：
(30.4.4)
式中：Ed—— 动弹性模量(kPa);
fnt—— 试验时实测的纵向振动共振频率(Hz);
βL—— 纵向振动无量纲频率因数。
30.4.5 纵向振动无量纲频率因数应根据试样的约束条件分别按 下列公式计算：
1 无弹簧支承：
(30.4.5-1)
式中：m0— 试样的质量(g);
mft——试样顶端附加物的质量(g)。
2 有弹簧支承：
(30.4.5-2)
式中：f0t—— 无试样时系统各部分的纵向振动共振频率(Hz);
fn1——试验时实测的纵向振动共振频率(Hz)。
30.4.6 土的阻尼比应按下列公式计算：
1 无弹簧支承：
1)自由振动法：
(30.4.6-1)
式中：λ——阻尼比；
N—— 计算所取的振动次数；
A1—— 停止激振后第1周振动的振幅(mm);
AN+1—— 停止激振后第 N+1 周振动的振幅(mm)。
2)稳态强迫振动法：
(30.4.6-2)
式中：f1、f₂—— 振幅与频率关系曲线上最大振幅值的70 . 7%处 所对应的频率(Hz);
fn—— 最大振幅值所对应的频率(Hz)。
2 有弹簧支承：
1)自由扭转振动法：
(30.4.6-3)
(30.4.6-4)
式中：δt、δ0t—— 有试样和无试样时系统扭转振动时的对数衰减率；
st—— 扭转振动时的能量比。
2)自由纵向振动法：
(30.4.6-5)
(30.4.6-6)
式中：δ1、δ01—— 有试样和无试样时系统纵向振动时的对数衰减率；
s1—— 纵向振动时的能量比。
30.4.7 以动剪应变(或轴向应变)为横坐标，动剪切模量或动弹 模量为纵坐标，在半对数纸上绘制不同周围压力下动剪应变或动 弹模量与动剪切模量或轴向应变关系曲线。取微小动剪应变 (γ<1×10-5) 下的动剪切模量为最大动剪切模量Gdmax。
30.4.8 以动剪应变或轴向应变为横坐标，动剪切模量比或动弹 模量比为纵坐标，在半对数纸上绘制周围压力下动剪应变或轴向 应变与动剪切模量比或动弹模量比关系的归一化曲线。
30.4.9 以动剪应变或轴向动应变为横坐标，阻尼比为纵坐标，在 半对数纸上绘制关系曲线。
30.4.10 共振柱试验记录格式应符合本标准附录 D 表 D.55~ 表 D.58 的规定。
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