振动单剪试验实验研究

振动单剪试验是在试样的水平方向施加反复的剪切力，使试样内产生水平向和竖向剪应力，反复剪切N 次试样达到液化或破损，此时的剪应力就是循环抗剪强度τN。

振动单剪仪有刚性式、柔性式、叠环式三种。

图4.24　刚性式振动单剪仪及试样

（a）单剪容器上视图；（b）试样上视图；（c）端板旋转；（d）试样变形

刚性式振动单剪仪的剪切盒由两个固定的刚性侧面板和两个装有销轴的活动刚性板所组成。活动刚性板绕销轴左右转动，使装在剪切盒中的土样发生反复的剪切变形，如图4.24 所示。土样的平面尺寸为6cm×6cm，厚2cm，也有用5cm×5cm×2.86cm 的。这种仪器的优点是土样的应变比较均匀，但剪切面上的应力不均匀。试样边角容易有空隙，造成试验误差。

柔性式振动单剪仪的剪切盒为圆形，试样直径7cm，高2.7cm。侧面覆盖一层0.5mm厚的用琴弦加固的橡皮膜。琴弦直径0.2mm，以0.5mm间距螺旋状围绕在橡皮膜周围，用以限制土样侧向变形，使土样在静止侧压力条件下固结。在剪切盒顶部施加往复剪切力使试样反复变形。这种仪器的优点是试样内应力比较均匀。

叠环式单剪仪的剪切盒是由几个圆环叠置而成的，仪器的原理图如图4.25 所示。剪切盒内径为7cm，厚度可根据需要增减圆环，试样放在叠环内壁的橡皮膜内。在顶部加压力P，试样水平面产生压应力。如需作有起始剪应力的振动液化试验，可先施加起始剪应力，然后再施加往复剪切力。

图4.25　叠环式振动单剪仪

当模拟坝体和坝基在水平向地震时的应力状态时，先在试样顶部加竖直压力P 使之固结，试样的水平面上产生固结正应力。假定水平面是破坏面，则固结正应力以σcf表示。然后沿试样表面施加水平剪应力τcf使之固结，以模拟坝体和坝基在地震前已存在的剪应力。在不排水条件下，在试样表面施加循环剪应力τd，直至试样液化或破损 （破坏标准为ud＝σcf或剪应变达到指定值）。此时的振动次数即液化或破损振动次数N，施加的循环剪应力τd即循环抗剪强度τN。图4.26 （a）表示试样施加固结正应力σcf，由于试样周围受刚性圆环限制，故产生水平向固结正应力K0σcf，K0为静止侧压力系数。τcf为施加的固结剪应力。图4.26 （b）表示在初始固结应力状态下施加循环剪应力τd。作振动试验时，对于水平地面下的地基土样，不施加固结剪应力τcf。对于坝体和坝基的土样，应施加不同的σcf和τcf。这样，计算时可按坝基或坝体各点的静剪应力比αc＝τ/σv使用。

图4.26　振动单剪试验土样的应力状态

（a）固结应力；（b）循环剪应力(www.xing528.com)

振动试验时，由测验仪器自动测量和记录整个振动过程中的剪应力、孔隙水压力、剪应变等曲线，如图4.27 所示，其中τcf＝0，σcf＝120kPa，αc＝τcf/σcf＝0，τd＝40kPa。根据破坏标准，由图上曲线查取液化或破损时的振动次数N。在同样的αc、σcf状态下，改变τd作振动试验，取得几组与上述类似的曲线。再改变αc，用不同的σcf以及不同的τd作振动试验，取得几组与上述类似的曲线。

图4.27　振动单剪试验量测记录的典型曲线

（a）振动孔隙水压力；（b）剪应变；（c）剪应力

由这些曲线查取N，就可绘制τd～αc～N 关系曲线，如图4.28 所示。根据坝址处的设计等效振动次数Neq在各曲线上截取τd，便可绘制如图4.29 所示的τd～αc～σcf曲线，此τd即为循环抗剪强度τN。

图4.28　τd～αc～N 关系曲线

图4.29　τd～αc～σcf关系曲线

图4.30　 关系曲线

采用有效应力法验算地震时坝体和坝基的液化或破损范围及坝坡地震稳定计算时，需要振动孔隙水压力比ud/σcf与固结剪应力比αc和动静应力比τd/τcf（对水平地面的地基用τd）的关系曲线，如图4.30 所示。当坝址处的设计等效振动次数Neq已定，可由图4.27查取ud/σcf。根据一系列的上述曲线查取ud/σcf，便可绘制图4.30 所示的ud/σcf～αc～τd/τcf关系曲线，供计算时查用。

振动单剪试验的成果与现场液化资料比较，循环抗剪强度偏低。尤其是不加初始剪应力的振动单剪试验成果用于水平地面地基液化验算时，试验的循环抗剪强度应提高20%。而振动三轴试验的循环抗剪强度则偏高，要适当降低。