大型三轴试验中测量土体剪切波速的外部激发试验装置、试验系统及方法

摘要

一种大型三轴试验中测量土体剪切波速的外部激发试验装置、试验系统及方法。外部激发装置包括四个压电堆栈、四个惯性块和一个振动单元；惯性块端部分别与压电堆栈端面连接、与固定单元通过螺纹固定；振动单元包括中部圆柱体固定单元和沿其外周均匀设置的四个扭转单元。试验系统中固定单元与三轴试验仪的加载轴连接，将两个加速度传感器安装在试样侧面；信号发生装置产生电压脉冲作用于压电堆栈，在压电堆栈的纵向振动作用下，振动单元产生扭转振动，并经过试样传播，传感器采集传播至试样不同位置的振动信号并转换为电信号，通过采集的电信号时间差计算土体的剪切波速。本发明结构简单合理、装配简单、操作方便，在岩土工程及结构健康监测领域具有良好的推广价值。

说明书

技术领域

本发明涉及土力学三轴试验装置及试验方法，尤其是一种大型三轴试验中测量粗粒土剪切波速的外部激发试验装置、试验系统及方法。

背景技术

土体剪切波速是描述土体弹性应变范围内的关键力学参数之一，在划分地层和场地土类别、判断砂土的液化、土基震陷沉降、地震反应分析以及计算岩土动力学参数等方面具有重要的意义。

实验室测量土体剪切波速通常采用共振柱法和弯曲元法。其中，共振柱试验价格昂贵，计算过程较为繁琐，试样尺寸有限。弯曲元法原理明确、方法简单，可以同时安装于多种土工试验仪器中。然而，共振柱法与弯曲元法多用于小尺寸试样，在砂土以及砂土-黏土混合物中应用较为广泛。砂砾料和爆破料作为典型的粗粒土，具有压实性好、抗剪强度高以及透水性强等优点，已在工程建设中得到了广泛的应用，而现有的波速测试技术则难以在大型三轴试验中实现对砂砾料和爆破料的剪切波速测试。由此可见，目前亟需一种简单方便的测试粗粒土剪切波速的室内试验装置及方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可用于大型三轴试验仪的结构合理、装配简单、操作方便的土体剪切波速外部激发试验装置及方法。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案：

一种大型三轴试验中测量土体剪切波速的外部激发试验装置，包括四个压电堆栈1、四个惯性块2以及一个振动单元3。

所述压电堆栈1为块体结构。

所述惯性块2为圆柱体结构，其一端固定在压电堆栈1的一个端面，另一端外表面设有螺纹。

所述的振动单元3包括中部圆柱体结构的固定单元4和沿圆柱体外周周向均匀设置的四个扭转单元5，其中，扭转单元5为板状结构。所述的固定单元4为中空的圆柱体结构，其内部设有螺纹，扭转单元5中部设有贯穿的螺纹孔，并与惯性块2设有螺纹的一端通过螺纹固定，进而将压电堆栈1、惯性块2和振动单元3连接为一个整体。所述的振动单元3的固定单元4与大型三轴试验仪的加载轴(外螺纹)通过螺纹连接。这样的结构设计使得激发装置位于试样外部，理论上可用于各种尺寸的三轴试验仪，避免了压电堆栈1直接与测试土样7接触以及压电堆栈的电缆线需要从三轴试验仪压力室引出的问题。

进一步的，所述惯性块2通过环氧树脂与压电堆栈1固定为一个整体。

一种大型三轴试验中测量土体剪切波速的试验系统，如图4所示，包括外部激发试验装置、两个加速度传感器6、信号发生器9、功率放大器10、电荷放大器11、示波器12。

所述的信号发生器9与功率放大器10相连，外部激发试验装置中的压电堆栈1与功率放大器10相连。其中，信号发生器9用于产生电压脉冲作为激发信号，经功率放大器10后使压电堆栈1产生纵向振动。所述的两个加速度传感器6间隔设于测试土样7表面，分别与电荷放大器11相连，电荷放大器11与示波器12相连，测试土样7设于三轴试验仪内。

在四个压电堆栈1的同时作用下，振动单元3产生扭转振动并经过测试土样7传播，加速度传感器6采集测试土样7的不同高程测点处的振动信号并将振动信号转变为电信号，经电荷放大器11后同时显示和储存在示波器12上为剪切波的传播时间计算提供数据。

进一步的，所述的两个加速度传感器6沿铅垂方向分别安装在试样侧面的不同高程处。

进一步的，所述的测试土样7为根据预设密度制备的圆柱形大型三轴试样。

一种大型三轴试验中测量粗粒土剪切波速的外部激发试验方法，包括以下步骤：

S1、系统安装：在大型三轴试验仪8中制备粗粒土试样，将两个加速度传感器6沿铅垂方向分别安装在试样侧面的不同高程处；将外部激发试验装置通过螺纹固定在三轴试验仪的加载轴上，并在等向围压下固结；

S2、确定剪切波传播时间：启动信号发生器9产生电压脉冲作为激发信号，经功率放大器10后同时输入四个压电堆栈1，由于逆压电效应，四个压电堆栈1同时产生纵向振动，振动单元3在压电堆栈1的惯性力作用下产生扭转振动，扭转振动经试样7传播；通过示波器12读取试样上的加速度传感器所采集到的振动数据，采用特征点法或互相关法计算得到剪切波的传播时间Δt；

S3、剪切波速计算：测试土样的剪切波速为L/Δt，其中，L为两个加速度传感器的垂直距离。

本发明的有益效果在于：本发明的试验装置结构形式简单，避免了弯曲元嵌入测试土样时所引起的扰动，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。此外，该装置直接固定在试样的外部，避免了压电堆栈的电缆需要从压力室内引出的麻烦，同时也避免了电缆长时间在高围压作用下可能产生的老化、易损等问题。与此同时，该外部激发装置可以安装在不同尺寸的三轴试验仪上，可移植性强，极大地方便了对土体小应变动力特性缩尺效应的试验研究。

附图说明

图1是本发明的外部激发装置的整体结构示意图。

图2是本发明的外部激发装置中压电堆栈和惯性块的结构示意图。

图3是本发明的外部激发装置中振动单元的结构示意图。

图4是本发明的试验系统的连接结构示意图。

图5为典型测试波形图。

图中：1压电堆栈、2惯性块、3振动单元、4固定单元、5扭转单元、6加速度传感器、7测试土样、8三轴试验仪、9信号发生器、10功率放大器、11电荷放大器、12示波器。

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是本发明的测量粗粒土剪切波速的外部激发试验装置的整体结构示意图。大型三轴试验中测量粗粒土剪切波速的外部激发试验装置，依次包括压电堆栈1、惯性块2以及振动单元3；如图2所示，压电堆栈1和惯性块2的一端通过环氧树脂固定为一个整体，惯性块2的另一端外表面设有螺纹；如图3所示，振动单元3分为固定单元4和扭转单元5，固定单元4的内部设有螺纹，扭转单元5的表面设有螺纹孔，并与惯性块2设有螺纹的一端相固定，进而将压电堆栈1、惯性块2和振动单元3连接为一个整体；如图4所示，将压电堆栈1、惯性块2和振动单元3组成的整体与三轴试验仪8的加载轴(外螺纹)相连接。这样的结构设计使得激发装置位于试样外部，理论上可用于各种尺寸的三轴试验仪，避免了压电堆栈1直接与测试土样7接触以及压电堆栈的电缆线需要从三轴试验仪压力室引出的麻烦。

大型三轴试验中测量粗粒土剪切波速的试验系统，如图4所示，包括图1-3所示的外部激发试验装置、加速度传感器6、信号发生器9、功率放大器10、电荷放大器11、示波器12；信号发生器9与功率放大器10相连，外部激发试验装置中的压电堆栈1与功率放大器10相连；两个加速度传感器6分别与电荷放大器11相连，电荷放大器11与示波器12相连。其中，信号发生器9用于产生电压脉冲作为激发信号，经功率放大器10后使压电堆栈1产生纵向振动。在四个压电堆栈的同时作用下，振动单元产生扭转振动并经过测试土样传播，加速度传感器6用于采集测试土样7的不同高程测点处的振动信号并将振动信号转变为电信号，经电荷放大器11后同时显示和储存在示波器12上为剪切波的传播时间计算提供数据。

大型三轴试验中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：按《土工试验规程》(SL237-1999)中常规试验方法制备测试土样7。将外部激发试验装置中的振动单元3的下部与三轴试验仪8的轴向加载轴相连，将外部激发试验系统中的两个加速度传感器6沿铅垂方向分别固定在测试土样7侧面橡皮膜的不同高程处；并在等向围压下固结。

S2、确定剪切波传播时间：启动信号发生器9产生电压脉冲作为激发信号，经功率放大器10后使压电堆栈1同时产生纵向振动，在惯性力的作用下，振动单元3将产生扭转振动，该振动以扭转波的形式经过测试土样7传播，测试土样7侧面不同高程处的加速度传感器6采集振动信号并将其转变为电信号，经电荷放大器11后同时显示和储存在示波器12上；通过示波器12读取加速度传感器6采集到的振动数据，采用特征点法或互相关法计算得到剪切波的传播时间Δt；

S3、剪切波速计算：测试土样8的剪切波速为L/Δt，其中，L为两个加速度传感器6的垂直距离。

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。