CN108398180A - 一种测量粗粒土剪切波速的试验装置、系统及试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种测量粗粒土剪切波速的试验装置、系统及试验方法，包括外壳、摩擦单元、压电堆栈及加速度传感器；摩擦单元的纵剖面为“T”形，“T”形的水平端固定于外壳的顶端，“T”形的垂直端由外壳的顶端插入外壳中并在摩擦单元的“T”形垂直端上固定有加速度传感器和压电堆栈，同时压电堆栈与外壳的内侧壁固定连接；摩擦单元在“T”形水平端的上表面设有凹凸格子状摩擦面。本发明的试验装置解决了压电材料在大型三轴试验制样击实和高应力条件加载过程中易破坏的难题以及传统的弯曲元与粗粒土耦合程度较差、无法实现大型三轴粗粒土试样剪切波速测量的难题；本发明的试验系统结构布置合理、装配简单、试验操作方便。

Description

一种测量粗粒土剪切波速的试验装置、系统及试验方法
技术领域
本发明涉及土力学三轴试验装置及试验方法，尤其是一种测量粗粒土剪切波速的试验装置、系统及试验方法。
背景技术
土体剪切波速是土力学研究与岩土工程设计的关键参数之一，在划分地层和场地土类别、判断砂土的液化、土基震陷沉降、地震反应分析、计算岩土动力学参数以及研究土体的振动特性等方面具有重要的意义。
自1978年Shirley等首次采用压电陶瓷弯曲元测试高岭土试样的剪切波速以来，由于其测试原理明确、方法简单直观，已被广泛应用在三轴仪、固结仪、直剪仪、共振柱等室内仪器上。弯曲元通常由两片可纵向伸缩的压电陶瓷晶体片与金属加劲层粘合而成，以悬臂梁形式安装在试样两端，一个作为激发元件，另一个作为接收元件。试验时，激发元在脉冲电压下产生剪切波，剪切波经土体传播后到达接收元，通过数据采集装置将接收元产生的振动转化为电信号，通过电信号对比可以得到剪切波的传播时间，根据土样长度即可计算出土体的剪切波速。然而，弯曲元法难以实现粗粒土剪切波速的测试，主要原因有：一是粗粒土颗粒粒径较大，弯曲元插入其中与其耦合程度较差；二是在大型三轴试验制样击实以及高应力条件加载过程中，弯曲元等压电材料极易破坏；三是激发元在产生剪切波的同时会在两侧产生压缩波，从压力室侧壁上反射的压缩波会对剪切波初至时刻的判断产生干扰。
近些年来，国内外相继出现了扭剪振子、压电圆环等装置进行土样剪切波速的测试，但均是在小三轴试验或固结试验中完成。此外，现有的室内剪切波速测量技术通常采用单一的激发-接收方式，试验过程中难以准确获得激发元件和接收元件在土样中的实际运动行为，对激发元件-土样-接收元件整个系统的动力响应研究造成了困难。由此可见，目前亟需一种可以测试粗粒土剪切波速的室内试验装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构合理、装配简单、试验操作方便并解决压电材料在大型三轴试验制样击实和高应力条件加载过程中易破坏及传统的弯曲元与粗粒土耦合程度较差、无法实现大型三轴粗粒土试样剪切波速测量等缺陷的测量粗粒土剪切波速的试验装置、系统及试验方法。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案：一种测量粗粒土剪切波速的试验装置，包括外壳、摩擦单元、压电堆栈及加速度传感器；所述外壳为下端开放的壳体，所述摩擦单元的纵剖面为“T”形，“T”形的水平端固定于外壳的顶端，“T”形的垂直端由外壳的顶端插入外壳中并在摩擦单元的“T”形垂直端上固定有加速度传感器和压电堆栈，同时压电堆栈与外壳的内侧壁固定连接；摩擦单元在“T”形水平端的上表面设有凹凸格子状摩擦面。
所述外壳的顶部开有凹槽，所述摩擦单元的“T”形水平端置于该凹槽中，在凹槽与摩擦单元的“T”形水平端下端面之间设有相互平行的圆柱形导轨；摩擦单元与凹槽的缝隙处设有O型圈及硅胶层密封连接。
一种测量粗粒土剪切波速的试验系统，包括两个测量粗粒土剪切波速的试验装置：分别作为激发端和接收端；所述试验系统还包括依次连接的信号发生器、功率放大器及示波器；同时，功率放大器与激发端的压电堆栈连接；激发端的加速度传感器、接收端的压电堆栈和接收端的加速度传感器分别通过电荷放大器与示波器相连。
一种测量粗粒土剪切波速的试验系统的试验方法，包括以下步骤：
S1、系统安装及校核：先将所述试验系统中的激发端和接收端分别嵌入三轴试验仪的底座和顶帽之中并使激发端与接收端的“T”形的水平端的上端面相对设置，在底座和顶帽处安装环状透水板，所述环状透水板与激发端和接收端的外壳之间均设有密封圈；然后进行校核：在三轴压力室内通满水，并启动信号发生器产生激发信号，确保示波器上无接收端的剪切波信号；
S2、确定系统延时：在三轴试验仪中制备饱和的粗粒土试样，并使粗粒土试样的上、下两端面分别与接收端和激发端的摩擦单元的端面紧密贴合；对粗粒土试样进行常规固结试验，通过对粗粒土试样施加不同的围压，确定对应的系统延时Δt s ；
S3、进行剪切波速测试：当粗粒土试样在当前围压下固结稳定后，启动信号发生器产生激发信号，该激发信号经过功率放大器后，经第一传播线路和第二传播线路分别到达示波器并在示波器上显示传播时间;所述第一传播线路为激发信号经功率放大器后直接到达示波器，第二传播线路为激发信号经功率放大器后经激发端、粗粒土试样、接收端以及电荷放大器后到达示波器，经第一传播线路和第二传播线路到达示波器的时间差为信号的实际测量时差Δt r ；示波器中显示激发端和接收端中加速度传感器的实时监测数据；
S4、剪切波速计算：根据步骤S2和S3得到的系统延时Δt s 和实际测量时差Δt r ，得到剪切波经过粗粒土试样的传播时间为Δt=Δt r -Δt s ，进而确定粗粒土试样的剪切波速为L/Δt，其中，L为粗粒土试样的高度。
常规固结试验中所施加的等压固结围压范围为100～1000kPa；从小到大依次施加围压。
本发明的有益效果在于：本发明的试验装置通过将摩擦单元的形状设计为纵剖面为“T”形，并在“T”形垂直端固定压电堆栈，将压电堆栈的纵向振动转换为平面水平振动，实现了粗粒土三轴试样端部平面的剪切振动激励，解决了压电材料在大型三轴试验制样击实和高应力条件加载过程中易破坏的难题及传统的弯曲元与粗粒土耦合程度较差、无法实现大型三轴粗粒土试样剪切波速测量的难题；通过在“T”形垂直端固定的加速度传感器对摩擦单元的振动行为进行实时监测，有助于对激发端-粗粒土试样-接收端整个系统动力响应的研究。本发明的试验系统结构布置合理、装配简单、试验操作方便。本发明的试验方法可操作性强，具有良好的推广价值。
附图说明
图1是本发明的试验装置的结构示意图。
图2是本发明的试验系统在试验时的结构连接示意图。
图3是本发明的试验装置与三轴试验仪的连接结构示意图。
图中：1-外壳、2-摩擦单元、3-压电堆栈、4-加速度传感器、5-圆柱形导轨、6-O型圈、7-硅胶层、8-激发端、9-接收端、10-信号发生器、11-功率放大器、12-电荷放大器、13-示波器、14-粗粒土试样、15-三轴试验仪、16-三轴试验仪底座、17-三轴试验仪顶帽、18-透水板、19-密封圈、20-三轴压力室。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明进行说明：
图1是本发明一种测量粗粒土剪切波速的试验装置的结构示意图。一种测量粗粒土剪切波速的试验装置，包括外壳1、摩擦单元2、压电堆栈3及加速度传感器4；外壳1为下端开放的壳体，摩擦单元2的纵剖面为“T”形，“T”形的水平端固定于外壳1的顶端，“T”形的垂直端由外壳1的顶端插入外壳1中。具体地，在外壳1的顶部开有凹槽，摩擦单元2的“T”形水平端置于该凹槽中，在凹槽与摩擦单元2的 “T”形水平端下端面之间设有相互平行的圆柱形导轨5（优选设置六个），该圆柱形导轨5的设置一是为摩擦单元2提供支撑作用；二是减小摩擦单元2在试验过程中产生微小水平运动的阻力。为保证摩擦单元2与凹槽的整体性及密封性，摩擦单元2与凹槽的缝隙处设有O型圈6密封，其余空隙采用具有一定变形量的硅胶层7进行防水密封填充。在插入外壳1中的摩擦单元2的“T”形垂直端上采用环氧树脂固定有加速度传感器4和压电堆栈3，同时压电堆栈3与外壳1的内侧壁固定连接；摩擦单元2在“T”形水平端的上表面设有凹凸格子状摩擦面，以增大摩擦单元2与土体的咬合能力。
图2示出了应用测量粗粒土剪切波速的试验装置的试验系统，采用两个测量粗粒土剪切波速的试验装置，分别作为激发端8和接收端9；试验系统中还包括依次连接的信号发生器10、功率放大器11及示波器13；同时，功率放大器11与激发端8的压电堆栈3连接，激发端8的加速度传感器4、接收端9的压电堆栈3和接收端9的加速度传感器4分别通过电荷放大器12与示波器13相连。
本发明所述试验系统的工作原理如下：当信号发生器10启动后，发出一定频率的电压脉冲作为激发信号，该激发信号经过功率放大器11放大后输入至激发端8中的压电堆栈3；压电堆栈3产生纵向振动，然后摩擦单元2将纵向振动转换为平面水平振动，实现了粗粒土试样14端部平面的剪切振动激励，产生剪切波，同时激发端8中的加速度传感器4对激发端8中摩擦单元2的振动情况进行实时监测。接收端9中的压电堆栈3将经过粗粒土试样14传来的剪切波转变为电信号，经过电荷放大器12后显示和储存在示波器13上，这样即可得到激发信号在经过粗粒土试样14前、后的对比数据。同时，接收端9中摩擦单元2的振动行为也通过接收端9中的加速度传感器4进行采集，通过电荷放大器12后在示波器13上实时显示，以提供对接收端9振动情况的实时监测。
一种测量粗粒土剪切波速的试验系统的试验方法，包括以下步骤：
S1、系统安装及校核：如图2、图3所示，将试验系统中的激发端8和接收端9分别嵌入三轴试验仪15的底座16和顶帽17之中并使激发端8与接收端9的“T”形的水平端的上端面相对设置，底座16和顶帽17处安装环状透水板18，环状透水板18与激发端8和接收端9的外壳1之间均设有密封圈19。然后进行校核：将三轴压力室20内通满水，并启动信号发生器分别发出频率为1kHz、5kHz以及10kHz的激发信号。由于水无法承受剪应力，因此，示波器13上应不存在接收端9的剪切波信号，若存在，则检查剪切波是否通过三轴试验仪15周围的金属结构进行传播，最后应确保示波器13上无接收端9的剪切波信号。
S2、确定系统延时：按《土工试验规程》（SL237-1999）中常规试验方法制备饱和的粗粒土试样14，粗粒土试样14的上、下两端与激发端8和接收端9中摩擦单元2的顶端面紧密贴合，对三轴试验仪15中的粗粒土试样14进行常规固结试验，通过对粗粒土试样14施加不同的围压，确定对应的系统延时Δt s 。其中优选施加的等压固结围压范围为100～1000kPa，从小到大依次施加围压，在一定围压下固结稳定后即进行剪切波速测试，然后进行下一级围压的固结，以此类推。
S3、进行剪切波速测试：当粗粒土试样14在当前围压下固结稳定后，启动信号发生器10产生激发信号，该激发信号经过功率放大器11后，经第一传播线路和第二传播线路分别到达示波器13并在示波器13上显示传播时间，其中，第一传播线路为激发信号经功率放大器11后直接到达示波器13，第二传播线路为激发信号经功率放大器11后经激发端8、粗粒土试样14、接收端9以及电荷放大器12后到达示波器13，经第一传播线路和第二传播线路到达示波器13的时间差为信号的实际测量时差Δt r ；此外，示波器13中同时显示加速度传感器4的实时监测数据，以提供对摩擦单元2在与粗粒土试样14相互作用过程中的振动行为的监测。
S4、剪切波速计算：根据步骤S2和S3得到的系统延时Δt s 和实际测量时差Δt r ，得到剪切波经过粗粒土试样的传播时间为Δt=Δt r -Δt s ，进而确定粗粒土试样的剪切波速为L/Δt，其中，L为粗粒土试样的高度。
以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种测量粗粒土剪切波速的试验装置，其特征在于，包括外壳、摩擦单元、压电堆栈及加速度传感器；所述外壳为下端开放的壳体，所述摩擦单元的纵剖面为“T”形，“T”形的水平端固定于外壳的顶端，“T”形的垂直端由外壳的顶端插入外壳中并在摩擦单元的“T”形垂直端上固定有加速度传感器和压电堆栈，同时压电堆栈与外壳的内侧壁固定连接；摩擦单元在“T”形水平端的上表面设有凹凸格子状摩擦面。
2.根据权利要求1所述的一种测量粗粒土剪切波速的试验装置，其特征在于，所述外壳的顶部开有凹槽，所述摩擦单元的“T”形水平端置于该凹槽中，在凹槽与摩擦单元的“T”形水平端下端面之间设有相互平行的圆柱形导轨；摩擦单元与凹槽的缝隙处设有O型圈及硅胶层密封连接。
3.一种测量粗粒土剪切波速的试验系统，其特征在于，包括两个测量粗粒土剪切波速的试验装置：分别作为激发端和接收端；所述试验系统还包括依次连接的信号发生器、功率放大器及示波器；同时，功率放大器与激发端的压电堆栈连接；激发端的加速度传感器、接收端的压电堆栈和接收端的加速度传感器分别通过电荷放大器与示波器相连。
4.根据权利要求3所述的一种测量粗粒土剪切波速的试验系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、系统安装及校核：先将所述试验系统中的激发端和接收端分别嵌入三轴试验仪的底座和顶帽之中并使激发端与接收端的“T”形的水平端的上端面相对设置，在底座和顶帽处安装环状透水板，所述环状透水板与激发端和接收端的外壳之间均设有密封圈；然后进行校核：在三轴压力室内通满水，并启动信号发生器产生激发信号，确保示波器上无接收端的剪切波信号；
S2、确定系统延时：在三轴试验仪中制备饱和的粗粒土试样，并使粗粒土试样的上、下两端面分别与接收端和激发端的摩擦单元的端面紧密贴合；对粗粒土试样进行常规固结试验，通过对粗粒土试样施加不同的围压，确定对应的系统延时Δt s ；
S3、进行剪切波速测试：当粗粒土试样在当前围压下固结稳定后，启动信号发生器产生激发信号，该激发信号经过功率放大器后，经第一传播线路和第二传播线路分别到达示波器并在示波器上显示传播时间;所述第一传播线路为激发信号经功率放大器后直接到达示波器，第二传播线路为激发信号经功率放大器后经激发端、粗粒土试样、接收端以及电荷放大器后到达示波器，经第一传播线路和第二传播线路到达示波器的时间差为信号的实际测量时差Δt r ；示波器中显示激发端和接收端中加速度传感器的实时监测数据；
S4、剪切波速计算：根据步骤S2和S3得到的系统延时Δt s 和实际测量时差Δt r ，得到剪切波经过粗粒土试样的传播时间为Δt=Δt r -Δt s ，进而确定粗粒土试样的剪切波速为L/Δt，其中，L为粗粒土试样的高度。
5.根据权利要求4所述的一种测量粗粒土剪切波速的试验系统的试验方法，其特征在于，常规固结试验中所施加的等压固结围压范围为100～1000kPa；从小到大依次施加围压。
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