摘要：为更好地模拟多向应力和主应力轴旋转等复杂应力路径，与英国GDS公司合作研发了能施加轴向和扭矩动载的空心圆柱仪。文中介绍了该仪器的工作原理和性能，分析对比了其与传统单向动三轴仪试验结果，并探讨该空心圆柱仪所完成的5组典型动力荷载及一组不规则随机波动力试验能力。动力加荷时，通过调整设定刚度参数，实测波形与设定波形误差较小。该仪器能很好地模拟地震、波浪和交通荷载引起的应力，为研究复杂应力状态下土体动力本构关系提供了很好的工具。

　　关键词：动力试验，空心圆柱扭剪仪，动应力路径

　　1引言

　　土体性状受到应力路径的影响，理想状态下只有室内试验条件xx模拟真实加载过程，才能反应土体的真实响应，在动力条件下尤其如此。最常见的几种动力荷载，如地震荷载、交通荷载、波浪荷载等都是涉及到多向应力和主应力轴旋转的复杂应力路径，这就要求了解土体在复杂应力条件下的响应规律，从而建立考虑多种复杂因素的更科学的本构模型。解决该问题离不开先进的土工试验设备和现代测试技术。传统的土工试验中，动三轴仪只能通过施加动偏应力在试样45°斜面上模拟地震水平向剪切作用，动扭剪仪只能通过施加扭矩来模拟纯剪时的应力状态，而难以模拟更复杂的动应力路径，无法满足现代工程的需要。

　　空心圆柱仪是目前可以实现包括主应力轴旋转在内的多种复杂应力条件的{zxj}的土工试验设备。空心圆柱仪（以下简称HCA）因试样为薄壁空心圆柱形而得名。早在1936年，Cooling和Smith就对空心圆柱土样进行了扭剪试验，这也是扭剪三轴试验的前身。20世纪60年代，Broms等利用静力扭剪三轴试验研究了主应力轴方向旋转和中主应力大小对黏土抗剪强度的影响。80年代Hight等[1]对之前的HCA进行了总结，开发了新型HCA，探讨了试样尺寸和端部效应对试样的应力、应变不均匀性的影响，{zh1}确定了内径为203 mm，外径为254 mm，高254 mm的试样尺寸以获得较好的应力、应变均匀性，使试样中部的“有效区域”免受端部效应影响。Ishihara和Towhata[2]在日本诚研舍制造的空心圆柱扭剪仪的基础上增加了竖向加载系统，模拟波浪荷载，试样内径为60 mm、外径为100 mm、高104 mm，仪器加载速率较为缓慢（文献中为0.08Hz）；Tatsuoka等[3]后来改用高200 mm试样以减小端部效应。Macky和Saada[4]在改造的HCA（试样内径为51 mm，外径为71 mm，高127 mm）上研究了大应变下各向异性黏土的动力特性，提出了不同的大主应力偏转角下G/Gmax与应变的变化关系。

　　Shibuya[5]为东京大学开发了伺服系统和自动数据采集装置，使HCA能实现更加复杂的应力路径试验。20世纪90年代后更注重从测试硬件和试验手段上提升HCA测试精度，Vaid等[6]研制了新的HCA，重新探讨了应力沿试样壁的不均匀性问题，划出应力空间中的“No Go”区域，将应力不均匀控制在允许范围内，从而确定内径为102 mm，外径为152 mm，高302 mm的试样尺寸。Crockford和Sousa[7]探讨了快速、xx制备空心圆柱黏土样的技巧，并开发了能加快位移传感器数据采集速度的装置。1994年，Frost和Drnevich[8]对比了不同尺寸、不同制样方式的试验结果，提出了空心圆柱样标准化问题。Abrantes和Penumadu[9]利用MTS加载框架，TestWare－SX控制系统研发了自己的HCA。

　　2003年，O’Kelly和Naughton[10]开发的HCA可以在复杂应力条件下，xx测量应变从10-5量级开始到破坏过程中试样应力和孔压变化，进行了一系列砂土各向异性的研究。

　　在国内，1986年中国水利水电科学研究院的张震夏等研制成功了我国{dy}台HCA。1991年，西安理工大学与中国水利水电科学研究院仪器所合作，完成了通过控制轴力和扭矩进行主应力轴旋转的试验[11]。1993年，南京航空航天大学的颜国正[12]为研究土壤和农村建筑复合材料的本构关系，研制了可控制轴力及扭矩加载的HCA，加载精度可控制在5 kPa以内，但其仪器开发成功后，未见到进一步的研究成果。总体来说，该设备国内尚无定型产品，制作经验也不成熟，自制的HCA在协调性、稳定性、控制和量测精度等方面都存在不同程度的问题。清华大学在美国引进的扭剪共振柱仪上增加了轴向循环加载和测试系统，并进行了波浪荷载的模拟[13]。河海大学、大连理工大学分别与日本圆井株式会社、诚研舍株式会社合作研制开发了HCA[14－15]，能进行垂直振动、扭剪振动。

　　在“211工程”重点学科建设计划的支持下，浙江大学岩土所经广泛调查研究和反复论证、多方比选，与英国GDS公司合作，确定了HCA的具体技术指标，成功地研制开发了5 Hz动态空心圆柱扭剪仪。本文就该套仪器的动力试验性能进行初步探讨和评价。

　　2 GDS空心圆柱仪工作原理及功能介绍浙江大学与GDS公司联合开发的HCA由计算机操控，可xx独立控制轴力、竖向位移、扭矩、转角、内、外压力及反压，并实现轴力和扭矩的动力施加(也可用应变控制)。HCA主要包括压力室和激振器，如图1所示。

　　压力室通过3根连接压力室顶盖和底座的大直径金属杆来获得支撑刚度，压力室的仓体采用有机玻璃制造，{zg}可以承受1 700 kPa的压力。压力室顶端刚接水下荷重轴力/扭矩双出力传感器。采用重锤平衡马达系统控制压力室升、降。

　　试样底座可更换，分2种尺寸，分别用于大(内径/外径为160 mm/200 mm，高400 mm）、小（内径/外径为60 mm/100 mm，高200 mm）2种尺寸的试样。研发的HCA仪器动力系统采用电机控制，低于10 Hz加载频率时可以得到比液压和气压控制方式更好的输出精度。它通过2台大功率无刷直流伺服马达分别控制轴向荷载（位移）和扭矩（转角），利用高强材料零间隙齿咬合皮带、滚珠丝杠、球状螺母进行传动。2台马达可以带动球状螺母的轴向移动，再通过导杆传递到导杆上，最终由导杆穿过平衡室伸入压力室中，带动底座运动。平衡室的作用是通过调节、补偿压力室内水流，{zd0}限度地保证在轴向动力加载过程中围压不产生波动，也不会因压力室内围压的变化在导杆上产生力的作用。传感器数据的读取则通过专门设计的高速数据采集控制卡来实现。

　　空心圆柱试样中外压、内压和反压的控制通过GDS高级压力/体变控制器（2 MPa/1 000 mL）来实现，孔压通过连接到试样底座的外部孔压传感器量测，压力的量测精度可达2 kPa，体积量测精度可达2.5 mm3。

　　3单向循环振动试验结果对比为探讨及验证新仪器的动力试验性能，在严格控制试验条件的情况下，在本实验室的一台美国SBEL公司进口的单向动三轴仪HX－100和GDS空心圆柱仪上进行了福建标准砂比较试验。HX－100动力系统为气压控制式，激振力作用于试样顶端，试样为圆柱形，直径为39.1 mm、高80 mm。

　　GDS空心圆柱仪动力系统为电机控制式，激振力作用于试样底部，采用小尺寸空心圆柱试样。由于功能限制，只进行了轴向振动下不排水动三轴试验对比。

　　试验土样是筛除2 mm以上颗粒的福建标准砂，物性指标见表1，颗分曲线如图2所示。采用水中砂雨法制样，控制相对密度相同（Dr=40%左右），并施加100～400 kPa反压，确保孔隙压力系数B≥0.97。几组动力试验的试样均在100 kPa的有效围压下固结。固结完成后，在试样轴向施加动应力直至破坏，振动波形均采用正弦波，循环荷载频率为1 Hz。对比试验中各试样参数的初始密度、固结体变、固结后密度和相对密度等见表2。2组试验中为控制固结度相同，HX－100试样固结1 h，排水量在1 mL左右；HCA上试样固结6.25 h，固结体变在9～9.8 mL左右。试样固结后相对密度控制在(40±5)%以内。图3给出了动应力比相近的试样的轴向动力荷载、孔压和轴向应变的时程曲线。从图中可见，轴向动力施加过程中，HX－100初始几次循环时施加力较小，通过后期的伺服反馈逐渐达到规定值，土样破坏后力逐渐衰减。HCA在开始就有较好的控制精度，土样破坏后力有一定变异。2套仪器中土样孔压的发展模式较为接近：开始阶段均随着振次逐渐增加，并在某一时刻出现陡增现象，随后达到稳定，在初始固结压力100 kPa附近振动。

　　HX－100试样孔压峰值间出现明显的“凹坑”，这种多学者报道[16]，是试样在“前期的累积剪缩（孔隙水压力上升）和后期的加载剪胀和卸载剪缩交替作用下”

　　[17]形成的饱和砂土循环活动性表征，也被认为是瞬时液化的标志。而HCA试样孔压峰值阶段则比较平缓，虽然也有一定波动，但没有出现HX－100试样中孔压震荡现象，这可能是因为试样较大，加载剪胀现象不明显所致。从变形发展模式来看，由于前者为顶部激振，传力杆与试样帽之间存在真空吸力，易在土样中形成拉伸变形，而后者拉压变形较为均匀，因此两者的应变模式有区别。

　　表2中还给出了初始液化标准和双幅应变达到5%破坏标准下土样的破坏振次，虽然分别从孔压和变形的角度定义土体破坏标准，但对于试验所用标准砂，这两种液化标准得到的破坏振次非常接近，从图4对2台仪器的动强度结果对比来看，也相差不4不同动应力路径的实现能力GDS公司空心圆柱仪可以通过轴力和扭矩循环变载组合，实现包括主应力轴旋转在内的多种复杂应力状态。为考察HCA加载精度及多向振动的耦合性能，本文

完成了5种典型的动应力路径，如图5所示。本文仅就设定荷载与实际施加荷载进行对比，结果见表3～7。从误差分析来看，扭矩控制比轴向力控制精度高；轴向力控制{jd1}偏差较小，但当施加轴力幅值小时，如循环椭圆扭剪（表5）

　　时较小的偏差也会引起较大的相对误差。从工作原理可以看出，仪器实际是通过高精度解码器将力的信号变换成位移信号进行动力控制的，因此，对显然更容易实现的位移/转角控制方式不做验证。如图5所示，不同加载模式下试样实测动应力路径与设计路径相差无几，仪器加载可以满足多向动力组合的试验需要。

　　5结论

　　（1）与英国GDS公司合作研发的动态空心圆柱扭剪仪可以在5 Hz频率范围内进行轴向荷载和扭矩的耦合动态作用，除可以完成动三轴仪、动扭剪仪的试验功能外，还可以实现包括主应力轴连续旋转、不规则任意波加载在内的多种复杂应力路径。

　　（2）通过与其它动三轴仪动力试验对比发现，二者孔压规律、动强度结果相近，HCA的轴向动力施加更为精准，但由于动力控制原理和激振部位不同，两者变形规律有一定差异。

　　（3）仪器对具有规则波形的动力试验，均能达到较好的模拟结果，荷载频率越低，加载精度越高；对不规则波的动力试验，“刚度”参数的选择尤为重要，通过调整该参数可以得到较好的模拟效果。

　　（4）本次研发的仪器的加载性能优良，动力荷载误差控制较好，达到国际先进水平，为研究复杂应力状态下土体动力本构关系提供了有力的工具。

　　进一步的研究和探索工作还需要积累更多的试验资料。

参考文献

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　　[2]沈瑞福,王洪瑾,周景星.动主应力轴连续旋转下砂土的动强度[J].水利学报,1996,(1):27－33.

　　[3]刘汉龙,周云东,高玉峰,等.多功能静动三轴仪研制及在液化后大变形中的应用[J].大坝观测与土工测试,2001,27(5):48－51.

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