一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验方法及装置

摘要

本发明公开了一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验方法及装置，步骤是：(1)试验准备：削取圆柱试样，将底座安装在承台上；(2)装样：将透水石和试样依次安装在底座上；(3)组装仪器；(4)试样固结；(5)设置试验条件：开启信号发生器等；(6)进行振动试验；(7)试验结束：关闭仪器电源，卸除压力，拆下压力室外罩并拆除试样。传力杆通过传力杆嵌帽和传力螺帽分别与平衡架、试样帽进行固定，传力杆上部通过加载帽盖与可伸缩支杆连接，可伸缩支杆穿过顶板和承托板。顶板和承托板之间由可伸缩支杆、可伸缩支杆平行对称连接。量表安装在可伸缩支杆顶端。适用于各类土体，实现容易、简单易懂，提高了采集数据的准确性和试验的成功率。

权利要求

1.一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验方法，其步骤是：（1）试验准备：削取圆柱试样，将底座安装在承台上，并使试样底座充水，放上湿滤纸；

（2）装样：向底座充入用于粘结的胶，将透水石和试样依次安装在底座上，在试样四周贴上滤纸条，并用撑膜筒为试样套上乳胶膜，往试样上填补一层用于粘结的胶，扣紧试样帽并安装玻璃罩；

（3）组装仪器：组装好仪器，将仪器与计算机操作系统连接；

（4）试样固结：将压力室外罩放至最低，调节调压阀门施加压力，打开排水阀，直至试样完成固结；

（5）设置试验条件：开启量测系统电源，调零，打开计算机操作系统，调节顶板上方的两个可伸缩支杆到特定的高度，改变试样受到的拉伸力大小；

（6）进行振动试验：通过调整量测系统中的信号发生器输出使系统共振，并读数；

（7）试验结束：关闭仪器电源，卸除压力，拆下压力室外罩并拆除试样；

所述的试样帽与试样之间用于粘结的胶应采用环氧树脂；

所述的步骤（2）装样填胶，在试样中心位置留出直径为2‑5mm的空白区域；

调节拉伸力大小时应保持在顶板水平或近于水平的倾斜程度不超过2°。

2.一种测定拉伸条件下的各向异性共振柱装置，其执行权利要求1的方法，该装置包括轴向LVDT传感器（2）、加速度传感器（4）、磁铁（5）、驱动底盘（8）、试样帽（10）、围压系统（14）、孔压传感器（16），磁铁（5）和加速度传感器（4）分别对称固定在驱动底盘（8）上，线圈（6）与功率放大器相连，加速度传感器（4）与电荷放大器相连，示波器与LVDT传感器（2）相连，在平衡架（3）两侧分别用固定螺丝（7）固定线圈（6），平衡架（3）一侧安装轴向LVDT传感器（2），平衡架（3）与试样帽（10）之间固定连接，试样帽（10）上部与LVDT传感器（2）的探针通过螺栓连接，下底座（11）连接孔压传感器（16），与承台（15）之间固定，承台（15）上方安装玻璃罩（12），试样帽（10）和下底座（11）分别涂上一层用于粘结的胶（31），并与试样（1）直接接触，压力室外罩（18）与顶板（19）和承台（15）连接，计算机操作系统在外部与量测系统有线连接，其特征在于：传力杆（27）通过传力杆嵌帽（29）和传力螺帽（28）分别将平衡架（3）、试样帽（10）固定，传力杆（27）上部通过加载帽盖（26）与第三可伸缩支杆（23c）连接，第三可伸缩支杆（23c）穿过顶板（19）和承托板（20），并通过第一固定帽盖（22a）、第二固定帽盖（22b）分别与承托板（20）、顶板（19）固定，O形密封圈（25）将连接处套紧进行密封，在顶板（19）和承托板（20）之间平行对称安装第一可伸缩支杆（23a）、第二可伸缩支杆（23b），将弹簧（24）套入第三可伸缩支杆（23c），量表（21）最后安装在第三可伸缩支杆（23c）顶端。

3.根据权利要求2所述的一种测定拉伸条件下的各向异性共振柱装置，其特征在于：所述的传力杆（27）的材质为304不锈钢，直径不超过2mm。

4.根据权利要求2所述的一种测定拉伸条件下的各向异性共振柱装置，其特征在于：所述的弹簧（24）的材质为304不锈钢，系数不小于0.25KN/cm。

5.根据权利要求2所述的一种测定拉伸条件下的各向异性共振柱装置，其特征在于：所述的传力杆嵌帽（29）直径大于传力杆（27）的直径，传力杆嵌帽（29）直径不超过3mm。

说明书

一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及岩土工程土工试验领域，尤其涉及一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验方法。同时还涉及一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验的装置，它同时也适用
于各向同性条件下的共振柱试验。

背景技术

[0002] 土的小应变刚度(通常以剪切模量G和阻尼比D两个参数来描述)是土体的重要力学性质，体现了这类岩土材料对地震荷载、振动冲击等动力荷载的响应，是众多工构筑物抗
震设计和动力计算分析最基本的参数(Burland,J.B.1989.Ninth Laurits Bjerrum 
Memorial Lecture:"Small is beautiful"—the stiffness of soils at small 
strains.Canadian Geotechnical Journal,26(4),499–516.)。因此，土的小应变刚度对工
程设计的安全性和经济性具有重要意义。目前，土的小应变刚度可以通过多种刚度测试方
法测定，其中共振柱试验是这些方法中最常用、最重要的方法。共振柱试验由电测驱动系统
产生扭转激励，通过测量自由端的运动得到基础共振频率，继而确定材料的波速、剪切模量
和阻尼比。

[0003] 虽然共振柱试验得到了广泛的应用，但也有着明显的局限性，即现有的仪器和试验方法只能开展各向同性条件下的刚度测试，即施加在试样上的三个主应力σ1，σ2，σ3大小
相等，这与土的天然赋存状态不符合。研究表明，大多数土体在自然界中处于各向异性状
态，即最小主应力σ3与最大主应力σ1并不相等，二者的比值称为静止土压力系数K0。因此，为
了准确测定土的小应变刚度参数，非常有必要在各向异性条件下开展共振柱试验。已有的
专利对这一问题进行了初步的探讨，如已发明了可以在压缩状态下(K0>1)进行共振柱测试
的仪器(一种稳定与精准温度控制的各向异性共振柱系统及方法，申请号
201811251153.8)。而目前尚未有文献或专利涉及开展拉伸状态下(K0>1)的共振柱试验。与
此对应，许多研究者指出，一部分土体在天然状态下的K0>1(Watabe,Y.,Tanaka,M.,
Tanaka,H.,Tsuchida,T.2003.K0‑consolidation in a triaxial cell and evaluation 
of in‑situ K0 for marine clays with various characteristics.Soils and 
Foundations,43(1),1‑20.)即处于拉伸状态。因此急需一种能够提供各向异性拉伸状态下
的共振柱试验方法，以满足科研和工程实际应用的需要。

发明内容

[0004] 依据上述内容，为了解决现有方法不能在拉伸条件下使用共振柱测定土的各向异性的问题，本发明的目的是在于提供了一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验方法，方
法易行，操作简便，该方法基于传统的共振柱试验，不仅可以在拉伸条件下进行测试，还向
下兼容了各向同性条件下进行的共振柱试验。本发明适用于各类土体，实现容易、简单易懂
的特点。

[0005] 本发明人另一个目的是在于提供了一种一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验装置，结构简单，使用方便，便于组装，适配性强，组装步骤简单，便于携带，与目前各类传
统共振柱仪器均可适配，造价低廉，可以实现量产，试验成功率高，该装置能较好地保护试
样在试验过程中不会受拉破坏，提高了采集数据的准确性和试验的成功率。

[0006] 为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

[0007] 一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验方法，包括以下步骤：

[0008] (1)试验准备：削取圆柱试样，将底座安装在承台上，并使试样底座充水(根据实验情况充水)，放上湿滤纸(市场上购置普通滤纸)；

[0009] (2)装样：向底座充入用于粘结的胶(市场上购置普通胶)，将透水石和试样依次安装在底座上，在试样四周贴上滤纸条(普通)，并用撑膜筒为试样套上乳胶膜(市场上购置普
通胶膜)，往试样上填补一层用于粘结的胶，扣紧试样帽并安装玻璃罩；

[0010] (3)组装仪器：组装好仪器，并将仪器与计算机操作系统(普通)连接。

[0011] (4)试样固结：将压力室外罩(Bishop&Wesley‑2Mpa)放至与承台接触，调节调压阀门施加压力(50‑500kPa)，打开排水阀，直至试样完成固结；

[0012] (5)设置试验条件：开启量测系统电源，调零，打开计算机操作系统。调节顶板上方的两个可伸缩支杆，通过量表读数控制试样受到的拉伸力大小，使得试样轴向受到的拉伸
力大小为围压大小的0.5‑1倍；

[0013] (6)进行振动试验：通过调整量测系统中的信号发生器输出使系统共振，并读数；

[0014] (7)试验结束：关闭仪器电源，卸除压力，拆下压力室外罩并拆除试样。在不同的试验条件下，测量试样的动剪切模量随周围压力改变的曲线，并取微小动剪应变(γ＜1*10‑
5)下的动剪切模量为最大动剪切模量Gmax。最大动剪切模量Gmax即为描述土的小应变刚度
性质时的重要参数。

[0015] 在上述的一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验方法中，优选地，O形密封圈的材质应使用丁腈，且同一部位的密封圈数量应至少使用2个；

[0016] 在上述的一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验方法中，优选地，试样帽与试样之间用于粘结的胶应采用环氧树脂；

[0017] 在上述的一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验方法中，优选地，在步骤(2)装样填胶时，应在试样中心位置留出直径为2‑5mm的空白区域；

[0018] 在上述的一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验方法中，优选地，调节拉伸力大小时应保持在顶板水平或近于水平的倾斜程度不超过2°。

[0019] 上述的一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验方法的七个步骤中，最关键的部分有：步骤2中的填补胶的过程；步骤3与步骤5中涉及提供拉伸力的部分，包括组装负责提
供拉伸力的部件(该部分称为拉伸力控制系统)以及通过调节可伸缩支杆来调节试验提供
的拉伸力大小。步骤2保证了在受拉时试样不会与试样帽、底座脱离，在此基础上，步骤3和
步骤5实现了各向异性共振柱试验中拉伸条件的提供，填补了传统共振柱在各向异性伸条
件下无法进行试验的空白，同时向下兼容了传统共振柱试验，具有操作简便、多种试验条件
一体化实现的优势。

[0020] 本发明的一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验方法采用了花岗岩残积土和全风化花岗岩分别在不同的应力状态(K0＝1、K0＝1.3、K0＝1.6、K0＝2)四种情况，其中K0
＝1为传统共振柱实现的各向同性条件，其余为本发明特别实现的各向异性拉伸条件)下进
行了试验，得到了较为良好的数据与规律。由于各向异性拉伸条件缺乏文献研究，在K0＝1
各向同性条件下将本发明得出的试验结果与传统共振柱得出的试验结果进行对比，发现花
岗岩残积土在K0＝1的情况下，通过本发明和传统共振柱试验得到的最大动剪切模量Gmax
分别为138MPa和150MPa,而全风化花岗岩得到的结果分别为192MPa和178MPa。其数据误差
不超过0.03％。因此可知本发明的技术效果较为可靠和准确。

[0021] 一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验装置，包括：轴向LVDT传感器、驱动底盘、加速度传感器(GDS‑C/A2/1)、线圈、磁铁、固定螺丝、平衡架、透水石、试样帽、下底座、玻
璃罩、反压系统(STDDPC v2)、围压系统(TG90A‑680*3‑90L)、承台、孔压传感器(KPA‑PA‑
2MPa)、排水管、压力室外罩、拉伸力控制系统、量测系统(包括电荷放大器、频率计、示波器。
均为市场购置普通部件，无特别的型号)和计算机操作系统。其连接关系是：磁铁和加速度
传感器分别对称固定在驱动底盘上。平衡架两侧分别用固定螺丝固定线圈，使磁铁位于线
圈中部，但不与线圈接触。平衡架一侧安装轴向LVDT传感器，平衡架与试样帽之间固定连
接，且试样帽上部与LVDT传感器的探针通过螺栓连接，探针可以在LVDT传感器的内部自由
滑动。下底座连接孔压传感器，与承台之间固定。承台上方安装玻璃罩。试验进行时，试样帽
和下底座分别涂上一层用于粘结的胶，并与试样直接接触。压力室外罩与顶板和承台连接，
可以进行上下伸缩调节，压力室外罩边缘用O形密封圈进行密封。围压系统连通压力室内
部。其中量测系统中的线圈与功率放大器用引线相连，加速度传感器与电荷放大器相连，示
波器与LVDT传感器相连。计算机操作系统(普通)通过光缆逐个与组成量测系统的各部件
(包括电荷放大器、频率计、示波器，均为市场购置普通部件)分别进行有线连接。拉伸力控
制系统通过传力杆和传力杆嵌帽与试样帽固定，并由传力螺帽固定在平衡架上，以保证能
稳定为试样提供拉伸力作用。拉伸力控制系统负责试验过程中拉伸力的提供。拉伸力控制
系统由顶板、承托板、量表、弹簧、第一固定帽盖、第二固定帽盖、第一可伸缩支杆、第二可伸
缩支杆、第三可伸缩支杆、O形密封圈、加载帽盖、传力杆、传力螺帽、传力杆嵌帽组成，其特
征在于：传力杆通过传力杆嵌帽和传力螺帽分别将平衡架、试样帽进行固定，传力杆上部通
过加载帽盖与第三可伸缩支杆连接，第三可伸缩支杆穿过顶板和承托板，并通过第一固定
帽盖、第二固定帽盖分别与承托板、顶板固定。顶板和承托板之间由第一可伸缩支杆、第二
可伸缩支杆平行对称连接。弹簧与第一固定帽盖、第二固定帽盖连接，套入第三可伸缩支
杆。量表安装在第三可伸缩支杆顶端。

[0022] 透水石放置于下底座和试样之间，透水石保证了试样不会变形，且试样排出的水分可通过透水石进入排水管排出。

[0023] 排水管从承台中心穿过，与下底座连接，由排水管上的阀门进行排水控制。阀门打开时，从试样中排出的水分可以通过排水管排向外界。

[0024] 用于粘结的胶在试验中位于试样帽和试样之间，可以保证试样在受拉过程中与试样帽始终保持相对位置固定，不会产生脱离现象。

[0025] 拉伸力控制系统工作时，同步调节第一可伸缩支杆、第二可伸缩支杆的伸缩长度，通过弹簧受力作用于传力杆，进而作用在试样上以达到提供轴向拉伸力的目的。试样的受
拉情况变化通过第三可伸缩支杆顶端的量表进行读数记录。

[0026] 在上述的各向异性拉伸条件共振柱试验装置中，优选地，传力杆的材质应使用304不锈钢，直径不应超过2mm；

[0027] 在上述的各向异性拉伸条件共振柱试验装置中，优选地，弹簧的材质应选取304不锈钢，劲度系数不小于0.25KN/cm；

[0028] 在上述的各向异性拉伸条件共振柱试验装置中，优选地，量表的精度至少应为0.005mm；

[0029] 在上述的各向异性拉伸条件共振柱试验装置中，优选地，传力杆嵌帽直径应略大于传力杆直径(2mm)，且不超过3mm。

[0030] 一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验装置中，其中拉伸力控制系统的弹簧、传力杆是关键部件。弹簧通过下端的第二固定帽盖与第三可伸缩支杆相连，第三可伸缩支
杆通过加载帽盖与传力杆相连，传力杆通过传力杆嵌帽与试样帽相连，从而保证弹簧产生
的拉伸力能够稳定、定向地通过传力杆传递到试样上，形成拉伸的试验环境，使得试验能够
成功在各向异性拉伸的试验条件下进行。

[0031] 本发明提出的方法与现有技术相比，具有以下优点和效果：

[0032] 1、扩大了试验范围：除了能够提供各向异性拉伸条件的共振柱试验研究，同样可以实现传统共振柱装置各向同性条件的试验要求，可以满足更多的科研和工程需求；

[0033] 2、操作便捷：与传统各向同性条件下的共振柱试验方法对比，使用了全新的轴向拉伸力共振系统，操作相对有所简化，便于操作；

[0034] 3、原理简单，便于理解：以传统各向同性共振柱装置为基础，原理简单明了，便于操作人员理解和使用；

[0035] 4、耗材少、成本低：本发明提供的方法仅需要消耗市场购置普通胶作为固定试样的材料，消耗低，具有较高的可重复性。

[0036] 5、试验成功率高：该仪器能较好地保护试样在试验过程中不会受拉破坏，提高了采集数据的准确性和试验的成功率；

[0037] 6、性价比高：具有一台仪器多种使用的可能，既可以在拉伸条件下进行各向异性共振柱试验，也可以在各向同性下进行试验，提供了多种测试的可能性；

[0038] 7、便于组装、适配性强：组装步骤简单，仪器零配件不多，其中拉伸力控制系统可以单独拆卸，便于携带，与目前各类传统共振柱仪器均可适配；

[0039] 8、造价低：仪器零配件常见，易于获得，造价低廉，可以实现量产。

附图说明

[0040] 图1为一种测定拉伸条件下的各向异性共振柱装置示意图。

[0041] 图2为一种拉伸力控制系统结构示意图。

[0042] 图3为一种土体天然应力状态示意图。

[0043] 图4为一种上底座和试样上端接触示意图。

[0044] 图5为一种下底座和试样下端接触示意图。

[0045] 图6为一种用本方法得到的残积土拉伸状态下的试验结果示意图。

[0046] 图7为一种用本方法得到的全风化花岗岩拉伸状态下的试验结果示意图。

[0047] 图8为一种用本方法与常规共振柱方法得到的试验结果对比图示意图。

[0048] 其中：1－试样、2－轴向LVDT传感器、3－平衡架、4－加速度传感器(GDS‑C/A2/1)、5－磁铁、6－线圈、7－固定螺丝、8－驱动底盘、9－透水石、10－试样帽、11－下底座、12－
玻璃罩、13－反压系统(STDDPC v2)、14－围压系统(TG90A‑680*3‑90L)、15－承台、16－孔
压传感器(KPA‑PA‑2MPa)、17－排水管、18－压力室外罩(Bishop&Wesley‑2Mpa)、19－顶板、
20－承托板、21－量表、22a－第一固定帽盖、22b－第二固定帽盖、23a－第一可伸缩支杆、
23b－第二可伸缩支杆、23c－第三可伸缩支杆、24－弹簧、25－O形密封圈、26－加载帽盖、
27－传力杆、28－传力螺帽、29－传力杆嵌帽、30－拉伸力控制系统、31－用于粘结的胶(普
通)。

具体实施方式

[0049] 实施例1：

[0050] 根据图1、图2、图3、图4所示，一种测定拉伸条件下的各向异性共振柱装置，该装置包括轴向LVDT传感器2、驱动底盘8、加速度传感器4(GDS‑C/A2/1)、线圈6、磁铁5、固定螺丝
7、平衡架3、透水石9、试样帽10、下底座11、玻璃罩12、反压系统13(STDDPC v2)、围压系统14
(TG90A‑680*3‑90L)、承台15、孔压传感器16(KPA‑PA‑2MPa)、排水管17、压力室外罩18、拉伸
力控制系统30、量测系统(包括电荷放大器、频率计、示波器，均为市场购置普通部件)和计
算机操作系统。其连接关系是：磁铁5和加速度传感器4分别对称固定在驱动底盘8上。用引
线将线圈6与功率放大器(普通)相连，并将加速度传感器4与电荷放大器(普通)相连，示波
器(普通)与LVDT传感器2相连。在平衡架3两侧分别用固定螺丝7固定线圈6，使线圈6均匀等
距缠绕在磁铁5外极，磁铁5位于线圈6中部，但不与线圈6接触。平衡架3一侧安装轴向LVDT
传感器2，平衡架3与试样帽10之间固定连接，且试样帽10上部与LVDT传感器2的探针通过螺
栓连接，探针可以在LVDT传感器2的内部自由滑动。下底座11连接孔压传感器16，与承台15
之间固定。承台15上方安装玻璃罩12。试验进行时，试样帽10和下底座11分别涂上一层用于
粘结的胶31，并与试样1直接接触。压力室外罩18与顶板19和承台15连接，可以进行上下伸
缩调节，压力室外罩18边缘用O形密封圈25进行密封。围压系统14连压力室内部。其中量测
系统中的线圈6与功率放大器(普通)用引线相连，加速度传感器4与电荷放大器(普通)相
连，示波器(普通)与LVDT传感器2相连。计算机操作系统(普通)通过光缆逐个与组成量测系
统的各部件(包括电荷放大器、频率计、示波器，均为市场购置普通部件)分别进行有线连
接。拉伸力控制系统30由顶板19、(没有轴向LVDT传感器2和固定螺丝7)承托板20、量表21、
弹簧24、第一固定帽盖22a、第二固定帽盖22b、第一可伸缩支杆23a、第二可伸缩支杆23b、第
三可伸缩支杆23c、O形密封圈25、加载帽盖26、传力杆27、传力螺帽28、传力杆嵌帽29组成，
其特征在于：传力杆27通过传力杆嵌帽29和传力螺帽28分别将平衡架3、试样帽10进行固
定，传力杆27上部通过加载帽盖26与第三可伸缩支杆23c连接，第三可伸缩支杆23c穿过顶
板19和承托板20，并通过第一固定帽盖22a、第二固定帽盖22b分别与承托板20、顶板19固
定。拧紧第一固定帽盖22a、第二固定帽盖22b后，使用O形密封圈25将连接处套紧进行密封。
然后在顶板19和承托板20之间平行、对称安装第一可伸缩支杆23a、第二可伸缩支杆23b。将
弹簧24套入第三可伸缩支杆23c，量表21最后安装在第三可伸缩支杆23c顶端。

[0051] 透水石9放置于下底座11和试样1之间，透水石9保证了试样1不会变形，且试样1排出的水分可通过透水石9进入排水管17排出。

[0052] 排水管17从承台15中心穿过，与下底座11连接，由排水管17上的阀门进行排水控制。阀门打开时，从试样1中排出的水分可以通过排水管17排向外界。

[0053] 用于粘结的胶31在试验中位于试样帽10和试样1之间，可以保证试样1在受拉过程中与试样帽10始终保持相对位置固定，不会产生脱离现象。

[0054] 所述的量测系统中的线圈6与功率放大器(普通)用引线相连，加速度传感器4与电荷放大器(普通)相连，示波器(普通)与LVDT传感器2相连。

[0055] 所述的计算机操作系统通过光缆逐个与电荷放大器、频率计、示波器分别进行有线连接。

[0056] 所述的传力杆27和传力杆嵌帽29与试样帽10固定，并由传力螺帽28固定在平衡架3上，以保证能稳定为试样1提供拉伸力作用。拉伸力控制系统30负责试验过程中拉伸力的
提供。

[0057] 所述的平衡架3一侧安装轴向LVDT传感器2；

[0058] 所述的在平衡架3两侧分别用固定螺丝7固定线圈6；

[0059] 所述的传力杆27的材质使用为304不锈钢，直径不应超过2mm；

[0060] 所述的弹簧24的材质应为304不锈钢，劲度系数不小于0.25KN/cm；

[0061] 所述的量表21的精度至少应为0.005mm；

[0062] 所述的传力杆嵌帽29直径应略大于传力杆直径(2mm)，且不超过3mm。

[0063] 本发明所提供的拉伸力控制系统30通过各部件协同工作，可以提供各向异性共振柱试验的拉伸条件，使试样可以模拟天然土体的拉伸应力状态进行共振柱试验相关研究。
同时，还向下兼容了传统各向同性和各向异性压缩条件的共振柱试验，大大提高了试验效
率。

[0064] 实施例2：

[0065] 本实施例2使用的试样1为来自海南省的花岗岩残积土，其颗粒组成为11.0％的砾粒，44.0％的砂粒和45.0％的黏粒。土体的原位应力状态如图5所示。试验步骤参照《土工试
验方法标准(GB/T 50123‑2019)》中要求进行，一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验方
法，其步骤如下：

[0066] (1)试验准备：削取圆柱试样1，其尺寸为直径50mm左右、高度100mm左右。将底座安装在承台15上，并使试样1底座充水(根据实验情况进行补充水)，放上湿滤纸(市场上购置
普通滤纸)；

[0067] (2)装样：向底座充入用于粘结的胶31(市场上购置普通胶)，将透水石9和试样1依次安装在底座上，按照规范《土工试验方法标准(GB/T 50123‑2019)》在试样1四周贴上九条
6mm宽的滤纸条(普通)，并用撑膜筒(普通)为试样1套上乳胶膜(市场上购置普通胶膜)，往
试样1上填补一层用于粘结的胶31，扣紧试样帽10并安装玻璃罩12；

[0068] (3)组装仪器：组装好仪器，并将仪器与计算机操作系统(普通)连接。

[0069] (4)试样固结：将压力室外罩18(Bishop&Wesley‑2Mpa)放至与承台接触，调节调压阀门施加压力，打开排水阀，直至试样1完成固结；

[0070] (5)设置试验条件：开启信号发生器(普通)、示波器(普通)、电荷放大器(普通)和频率计电源(普通)，调零，打开计算机操作系统。同步调节顶板19上方的第一可伸缩支杆
23a、第二可伸缩支杆23b，通过量表21读数控制试样1受到的拉伸力大小，使得试样1轴向受
到的拉伸力大小为围压大小的0.5‑1倍；

[0071] (6)进行振动试验：通过调整信号发生器输出使系统共振，并读数；

[0072] (7)试验结束：关闭仪器电源，卸除压力，拆下压力室外罩18并拆除试样1，试验完成。在不同的试验条件下，测量试样的动剪切模量随周围压力改变的曲线，并取微小动剪应
‑5
变(γ＜1*10 )下的动剪切模量为最大动剪切模量Gmax。试验一共在四种不同的K0情况下进
行，分别是K0＝1、K0＝1.3、K0＝1.6、K0＝2的情况下进行，得出的结果以刚度参数最大剪切
模量Gmax来评价。四种情况下的最大剪切模量Gmax分别为138MPa、101MPa、86MPa、78MPa，如图
6所示，不同拉伸状态下土体的剪切模量有明显区别，因此不能简单笼统地以各向同性状态
下得到的刚度参数代表土的实际行为。试验结果说明本发明的一种各向异性拉伸条件下的
共振柱试验方法对于残积土的拉伸各向异性研究具有适用性。

[0073] 实施例3：

[0074] 本实施例3使用的试样1为来自福建省的全风化花岗岩，其颗粒组成为29.0％的砾粒，35.0％的砂粒和36.0％的黏粒，除试样1材料不同以外，其取样过程、试验步骤等均与实
施例2一致，一种各向异性拉伸条件下土的共振柱试验方法，其步骤如下：

[0075] (1)试验准备：削取圆柱试样1，其尺寸为直径50mm左右、高度100mm左右。将底座安装在承台15上，并使试样1底座充水(根据实验情况进行补充水)，放上湿滤纸(市场上购置
普通滤纸)；

[0076] (2)装样：向底座充入用于粘结的胶31(市场上购置普通胶)，将透水石9和试样1依次安装在底座上，按照规范《土工试验方法标准(GB/T 50123‑2019)》在试样1四周贴上九条
6mm宽的滤纸条(普通)，并用撑膜筒(普通)为试样1套上乳胶膜(市场上购置普通胶膜)，往
试样1上填补一层用于粘结的胶31，扣紧试样帽10并安装玻璃罩12；

[0077] (3)组装仪器：组装好仪器，并将仪器与计算机操作系统(普通)连接。

[0078] (4)试样固结：将压力室外罩18(Bishop&Wesley‑2Mpa)放至与承台接触，调节调压阀门施加压力，打开排水阀，直至试样1完成固结；

[0079] (5)设置试验条件：开启信号发生器(普通)、示波器(普通)、电荷放大器(普通)和频率计电源(普通)，调零，打开计算机操作系统。同步调节顶板19上方的第一可伸缩支杆
23a、第二可伸缩支杆23b，通过量表21读数控制试样1受到的拉伸力大小，使得试样1轴向受
到的拉伸力大小为围压大小的0.5‑1倍；

[0080] (6)进行振动试验：通过调整信号发生器输出使系统共振，并读数；

[0081] (7)试验结束：关闭仪器电源，卸除压力，拆下压力室外罩18并拆除试样1，试验完成。在不同的试验条件下，测量试样的动剪切模量随周围压力改变的曲线，并取微小动剪应
‑5
变(γ＜1*10 )下的动剪切模量为最大动剪切模量Gmax。试验一共在四种不同的K0情况下进
行，分别是K0＝1、K0＝1.3、K0＝1.6、K0＝2的情况下进行，得出的结果以刚度参数最大剪切
模量Gmax来评价。四种情况下的最大剪切模量Gmax分别为192MPa、165MPa、134MPa、123MPa，如
图7所示，因此本发明的一种各向异性拉伸条件下的共振柱试验方法对于全风化岩这类特
殊土也同样具有适用性。

[0082] 对比试验

[0083] 由于本发明具有向下兼容常规各向同性共振柱试验的特性，为了进一步验证本发明的一种各向异性拉伸条件下的共振柱试验方法的技术效果，采用与实施例2和实施例3同
样的试样1进行常规各向同性共振柱试验。试验步骤严格按照规范《土工试验方法标准(GB/
T50123‑2019)》中要求进行。

[0084] 使用本发明的方法进行各向同性的共振柱试验的结果从实施例2和实施例3的试验结果中提取(即K0＝1时，为各向同性状态)，如图8所示，与常规共振柱得出的结果相比，
数值相差小于0.03％，可见本发明采取的方法在各向同性共振柱试验的研究中同样适用。

[0085] 从图6、图7、图8中可以看出，尤其是针对残积土和风化岩这类特殊土的小变形刚度研究，本发明的一种各向异性拉伸条件下的共振柱试验方法具有优良的可操作性，能够
给出稳定的数据结果。其次本发明也向下兼容了各向同性的共振柱试验，方便简单、适用性
强。本发明的方法同时也适用于砂土、黏土等具有一般工程性质的土的研究，其结果准确程
度不论是用于科学研究还是为工程项目提供指导都具有高可行性。

[0086] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制发明，凡是根据本发明实质对以上实施例做任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属本发明技术方案的保护
范围内。