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综述：这三部系列重要用于介绍岩土工程试验中通用的步骤之——三轴试验。该汇报对三轴试验这个课题提供的详尽的介绍，蕴含很多衍生能够用于评估土体响应领域内的工程利用。

Overview: This three part series has been written to introduce one of the most versatile tests in the geotechnical laboratory – the triaxial test. The papers provide a detailed introduction to the subject of triaxial testing, including the many variations available for assessing soil response across a range of engineering applications.

本系列文章共分为以下主题：

1. 三轴试验介绍
2. 高级三轴试验
3. 动三轴试验

本文介绍第三部门。

引言
本文是三轴试验系列论文第三部门-动三轴试验，简要介绍了为什么要进行动三轴试验、动三轴试验与静态试验的区别、动三轴试验的通常步骤以及动三轴仪器的新进展。

1、为什么要进行动三轴试验？
很多岩土工程在其使用期内土体味受到动荷载，这些动荷载可能是由于环境因数，例如地震和台风，或者是由于人类活动，例如结构或基础接受的车辆和机械振动。通常，土体在动态荷载作用下的响应比静态荷载越发复杂，这就必要工程师在室内和现场钻研土体的动态行为。就如三轴试验技术与步骤和高级三轴试验中所介绍的，三轴试验提供了一种方便且通用的在室内钻研土体行为的步骤，能够进行静态和动态试验。图1展示的是地震和高速铁路中动循环荷载下土体失稳的例子。

图1 地震-蕴含侧向扩张（左）

；高速铁路中由于动循环荷载下土体受剪切粉碎（右边， Mott MacDonald，2001）

Fig.1 Earthquake-induced lateral spreading (left); illustration of progressive railway subgrade shear failure due to repeated load cycles (right, reproduced from Mott MacDonald, 2011).

2、什么是动循环荷载的频率？
作用在土体上的动态荷载高度依赖于荷载源。这意味着加载波形是相对均匀的且拥有一个单一频率（例如机械振动），或者是拥有肯定频率领域的随机波（例如地震）。在尝试室内将复杂波形作用于试样上必要尖端的试验设备，这些系统将动态循环荷载近似成正弦波、方波或者三角波等单一波形。出于这种思考，图1给出了正弦波中近似的一系列动态荷载的典型测试频率领域。静态荷载和动态荷载界限频率是0.05-0.1HZ（Ishihara，1996）
表1 循环三轴试验中典型频率领域
 Typical test frequency ranges for cyclic triaxial testing.

荷载类型	典型测试频率
波浪荷载	0.1HZ
风荷载	0.1-1HZ
地震荷载	1HZ
轨路交通	>1HZ
机械振动	≤20HZ

3 动态荷载与静态荷载下土体响应的区别？
动态荷载与静态荷载下土体响应的区别重要有以下两个方面：
（1）表加应力旋转
（2）土体响应速度的依赖性
其它动力景象，例如共振，在评价土体沉积方面拥有沉要作用（O’Reilly & Brown, 1991），这些动力景象在本文中没有会商。

3.1 表加应力旋转
表加在土体上的应力旋转指的压力增长的速度变动。对于三轴试验单一，指的是作用在试样上的偏应力q在增长和减幼间振动。因而这个应力强调应力旋转不愿定是指动态荷载，但在有些情况下指的是作用于土体上的天然循环荷载。
图2展示了动态试验中两种类型的动态荷载-单向荷载指的是应力没有扭转符号（也就是始终为正值），而双向荷载指的是应力扭转了符号（也就是值在正与负之间交替）。荷载实现一个循环所用功夫叫荷载周期，用T暗示，荷载大幼为振幅，用A暗示，荷载频率为f，是周期的倒数（1/T）。
旋转力作用下土体响应的两个沉要特点：（1）塑性剪切应变的堆集

；（2）超孔隙水压力的产生。这些特点只有在土体达到弹塑性后才出现，这相当于剪应变约莫为0.01%或者更大(Ishihara, 1996)。当剪切变形幼于0.01%时大无数土往往是纯弹性的。

Fig.2 One-way and two-way cyclic loading patterns. Note T = loading period and A = loading amplitude

泥土塑性剪切应变增量是永远性的或不成复原的。单向循环荷载能够对照剪切应变周期的起头和实现时的载荷来量化。固然在一个周期产生的塑性应变增量可能相对较幼，从多多周期加载的累积效应可能意思沉大。为了演示该个性，三轴砂样在循环荷载下的偏应力-剪应变如图3所示。第一次加载循环时的塑性剪切应变增量约莫为0.2%，但经过50个周期的循环荷载后累计剪切应变超过4%。

Fig.3 Accumulation of plastic shear strain during an undrained cyclic loading test on a sand specimen

图3还凸显了随着周期增长土体的塑性应变增量削减的趋向，加载过程中一些点的应变增量与统一周期内观察到的可复原应变相比变得无关紧要，此时泥土能够称为弹性。
超孔隙水压力产生暗示鼓和土在荷载作用下孔隙水压力的变动。在循环加载中这个个性取决于泥土的排水前提和加载速度：若是高渗入泥土进行加载或加载速度相对较慢，则孔隙水将有足够的功夫排除，孔压有足够的功夫消散，这种情况下的了局是不会产生超孔隙压力，这是仿照齐全排水前提下的三轴试验

；另一方面，若是泥土渗入性幼，或加载速度足够快，可能产生超孔隙压力，这是仿照不排水前提下的三轴试验。
沉积土中超孔隙水压力的产生降低了土体的有效应力，在一些情况下甚至造成土体失稳粉碎。这方面的一个驰名例子是砂矿床的液化-由地震产生的循环荷载引起的孔隙水压力增长快于其消散过程，即便砂是一种高渗入性资料。一旦砂的有效应力靠近于零，泥土抵抗剪切载荷的能力失落，导致泥土显著变形。
通常选取超孔隙比 来量化三轴试验中的超孔隙水压力，它是产生的超孔隙水压力与作用在土体上的初始有效应力的比值。因而当 =0时孔隙水压力蹬宗所施加的反压，当 =1时孔隙水压力蹬宗围压，有效应力蹬宗零。图4具体展示了砂土在不排水循环荷载下孔隙水压力的产生过程，把稳比例也能够暗示为百分比。

Fig.4 Generation of excess pore water pressure during an undrained cyclic loading test on a sand specimen

3.2 土体响应速度的依赖性
荷载加载速度对土体的响应拥有沉要影响。通常，更快的加载速度会使粘土越发僵硬，强度更大，这个过程已经在单轴（只有一个方向载荷）循环荷载作用下获得。把稳：加载速度拥有代表性的显著影响是土体进入弹塑性阶段。
土体响应速度依赖于两个成分。第一个是泥土颗粒间粘度的影响，第二个是加载速度对超孔隙水压力消散的影响。由于颗粒间粘度不是颗粒土（如砂土和砾石）的个性，超孔隙水压力的产生是唯一成分，这也就意味着试验中黏性土的响应速度取决于加载速度，其如果是该土在现场的排水前提被维持（例如急剧加载过程中试样是不排水的）。
为了凸起加载速度对粘性土的响应成效，在尝试室造备的高岭土试样的强度曲线如图5所示。在这里，所有试样在98kPa下进行各向同性固结，而后在不排水前提下施加循环的偏应力，直至双振幅（锋-峰值）轴向应变达到粉碎尺度10%。把稳：循环应力比（CRS）界说为施加的均匀初始有效应力除以偏应力幅值的一半。
图5清澈显示了高岭土试样在高频率荷载和一样周期下达到粉碎所必要增长荷载幅值。对于每增长一次循环次数被观察到的强度增量约莫为9% (Boulanger and Idriss, 2006) 。

Fig.5 Cyclic strength curves of Kaolin specimens for loading frequencies equal to 0.1 Hz and 0.01 Hz (data from ?zaydin and Erguvanli, 1980)

4 通过动三轴试验获得的参数
只管动态循环三轴试验可能钻研土体动态响应的很多参数，两个常用的试验尺度为：
（1）ASTM D3999-11（使用动三轴装置丈量泥土的模量和阻尼机能）

；
（2）ASTM D5311-11（应力节造的土体动三轴强度）。
ASTM D3999-11最初重要是用来确定随着所施加的轴向应变εa的增长，割线杨氏模量E的退化和泥土试样中的阻尼系数D。把稳，估计的剪切模量G和施加剪应变γ也能够通过泊松比μ得到，泊松比μ在不排水前提下蹬宗0.5。
ASTM D5311-11用来确定不排水前提下试样在荷载作用下达到粉碎时的动强度。通常，粉碎尺度是超孔隙水压力比达到1.0，或双振幅（DA）轴向应变εa达到限度值（20％是指定的测试尺度，5％通常用于液化钻研）。若是有多个试样施加分歧循环应力比进行试验，可能绘造图5所示的循环强度曲线。
上述各试验尺度的前提是作用在试样上的荷载必须是循环荷载。在这里，ASTM D3999-11允许的荷载频率为0.5HZ-1HZ，而ASTM D5311-11允许的荷载频率为0.1HZ-2赫HZ（首选1赫兹）。这意味着传统的静态三轴仪器通常不适合执行循环荷载测试尺度，用动态循环三轴仪包办是必须的。
5 静态和动态三轴设备之间的差距
静态和动态三轴设备之间的差距重要体此刻以下方面：（1）荷载架

；（2）节造和采集硬件

；（3）节造软件。这些区别简介如下。
5.1 荷载架
静三轴和动三轴试验的显著区别是作用在试样上的荷载频率。动三轴荷载架必须拥有激励装置来施加动态频率（至少达到2HZ）的循环荷载，同时也可在这些频率下给试样施加大的轴向应变（20%）。启动荷载激励装置所需的功率与荷载频率的平方成正比，动态循环三轴荷载架往往较大，比静三轴试验所要求的先进。
5.2 节造和采集硬件
由于动三轴试验中荷载频率较大，节造荷载架和采集传感器数据的硬件必要有能力高速运行。出格地，节造系统必要以一样的正弦波形作用于试样上，每一个周期至少要采集40个点（这也就相当于荷载频率为2HZ时数据采集频率为80HZ）。
5.3 节造软件
用于三轴试验的节造软件必要有能力允许用户指定所必要的荷载参数（例如频率、幅值），也能够选择加载终场的粉碎准则，例如轴向应变限度值。把稳一些动态三轴设备，如图6显示的GDS动三轴，能够增长自界说波形（地震加快度-功夫）来实现钻研主张。

Fig.6 GDS Dynamic Triaxial Testing System (DYNTTS) components

6 动三轴试验
动三轴试验与传统静三轴试验过程根基一样，重要区别是剪切和分析土体响应阶段。这也就意味着第一部门给出的试样筹备、鼓和和固结阶段同样合用于动三轴试验７⒄挂幌盗卸崾匝榈囊恍┒畋斫ㄒ槿缦拢
筹备拉伸试样帽-若是选取双向加载模式，试样将会收到拉伸（也就是围压大于轴压），在这种情况下试样帽必要固定在加载锤上以可能接受拉力。这种装置在静三轴中不常用，所以必要思考何时筹备仪器进行动态试验。所有的GDS动三轴设备都提供了拉伸帽和塑料套管。如图7所示，在各向同性固结之前或实现之后进行这样的衔接。

图7 GDS拉伸装置

（1）选择相宜的节造参数-所有的动态设备都允许应力节造和应变节造。在一些情况下，如依照ASTM D5311-11划定的循环强度试验，必要选取应力节造（即荷载的特定振幅必须有针对性）。在其它情况下，如依照ASTM D3999-11的划定测模量E的衰减就必要选择使用哪个节造参数（好比力幅值和位移幅值）。在进行E衰减测试中，选取节造位移幅值，这是由于这种步骤允许试样轴向应变达到指标值。这种步骤的益处是E的衰减可能被系统地界说，预防试样应变过早地超过限度。
（2）保障高精度和分辨率的变形丈量-就如第二部门所会商的，在幼应变领域内不成预防线系统变形会影响丈量的土体变形。对于一些动态循环测试，这不是一个沉要的思考成分，出格是钻研大应变时（如动强度试验），与施加的应变相比系统变形影响不大。然而，当幼应变响应是很沉要时，好比E的衰减和D的增长，可能必要将部门应变传感器直接装置到试样上。这种增长显著提高变形丈量的精度和分辨率，从而提供一种在幼应变领域内更好的估计E和D（连同G和γ）的步骤。
（3）思考荷载频率的影响-只管对于钻研动强度（ASTM D5311-11）时1HZ频率是首选的，使用传感器丈量该频率下试样两端的孔隙水压力被证明是不成靠的，这是由于试样中不均匀的压力散布造成的，这批注高频率的粘土试验所测得的孔隙水压力必要审慎使用。把稳：丈量孔隙水压力的部门传感器在试验中央地位（参与第二部门更多的具体信息），然而不均匀的压力散布依然能够选取这种丈量步骤来反映试样的响应（Zergoun & Vaid, 1994）。
7 动三轴仪的新进展
前面已经讲到过动三轴设备可进行应力节造和应变节造下的动态试验，下面介绍的几种动三轴设备都是选取应力节造。大部门设备选取伺服电机、液压或者气压节造。
GDS动态循环三轴仪重要使用一个伺服电机系统，这个系统可能精确节造轴向位移和速度，这是通过荷载架中电机的编码器和固定的传动装置驱动系统来实现的。在执行荷载节造时，通过软件节造使作动器的指标速度不休更新，也必要荷载架的关环反馈装置维持指标荷载振幅。上述提到的传统加载系统（液压和气动设备）选取比例项-整体-派生(PID)的反馈，这种步骤自身就拥有以下限度：
（1） 必要用户指定试样刚度
（2） 试样刚度变动会降低仪器的响应能力
为了改善动态循环三轴仪的职能和反映， GDS实现自适应节造步骤。固然这种新的节造步骤仍选取PID反馈，但它还蕴含“前反馈”(FF)和系统“观察器”，协助作动器当令调整指标速度，因而能够守护越发一致的载荷振幅，出格是当试件刚度迅速扭转过程中。图8显示了自适应节造步骤组件的框图。

Fig.8 New adaptive control method for GDS Dynamic Triaxial Testing System (DYNTTS).

GDS DYNTTS测试了局显示新的节造步骤较传统PID机能改善，尤其是当试件刚度产生变动的情况。选取自适应步骤时，密砂试样进行0.1赫兹双向动态不排水试验，其液化后荷载振幅约为指标值的87%，即双振幅轴向应变超过20%。而对于传统的PID步骤，液化后双振幅轴向应变约为7%，维持的荷载振幅较指标值减幼低于10%。
此刻自适应节造步骤是DYNTTS的尺度配置，若是客户愿意也能够定造传统的PID反馈步骤。
参考文件:
[1] ASTM Standard D3999, “Standard Tests Methods for the Determination of the Modulus and Damping Properties of Soils Using the Cyclic Triaxial Apparatus,” ASTM International, West Conshohocken, PA, 2013, DOI: 10.1520/D3999-11.
[2] ASTM Standard D5311, “Standard Tests Methods for Load Controlled Cyclic Triaxial Strength of Soil,” ASTM International, West Conshohocken, PA, 2013, DOI: 10.1520/D5311-11.
[3] Boulanger, R. W. & Idriss, I. M. 2006. Liquefaction Susceptibility Criteria for Silts and Clays. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 132, No. 11, p 1413-1426.
[4] Ishihara, K. 1996. Soil Behaviour in Earthquake Geotechnics, Oxford, Clarendon Press.
[5] Mott MacDonald. 2011. RSSB 1386 (Revised) The effects of railway traffic on embankment stability. Final Report, Croydon, Mott MacDonald.
[6] O’Reilly, M. P. & Brown, S. F. 1991. Cyclic Loading of Soils: from theory to design, Glasgow and London, Blackie.
?zaydin, K. & Erguvanli, ?. 1980. The generation of pore pressures in clayey soils during earthquakes. Proc., 7th World Conf. on Earthquake Engineering, Vol. 3, p 326-330.
[7] Zergoun, M. & Vaid, Y. P. 1994. Effective stress response of clay to undrained cyclic loading. Canadian Geotechnical Journal, Vol. 31, p 714-727.