一种基于外部振源激发的粗粒土剪切波速测试装置、试验系统及方法

摘要

一种基于外部振源激发的粗粒土剪切波速测试装置、试验系统及方法。外部激发装置包括滑动单元、固定单元、扭转单元、限位块、液压杆、推拉式电磁铁及两个激光测距传感器；滑动单元与推拉式电磁铁、固定单元与液压杆分别通过螺纹固定；两个激光测距传感器监测外部激发装置的工作状态并实时调整液压杆高度。试验系统中扭转单元与三轴试验仪加载轴连接，将两个加速度传感器安装在试样侧面；推拉式电磁铁通电后冲击作用于扭转单元，扭转单元产生扭转振动经过试样传播，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，通过电信号时间差计算土体的剪切波速。本发明能够避免激发装置处于三轴仪内部的高压环境中，结构简单合理、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基于外部振源激发的试验装置、试验系统及方法。

背景技术

土体剪切波速是用于描述土体在线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、判断砂土的液化以及计算岩土动力学参数等方面具有重要的意义。

现阶段实验室通常采用共振柱法和弯曲元法两种方法进行剪切波速测试。其中，共振柱试验造价高昂，计算过程较为繁琐，最大的问题是试样尺寸有限，不能满足大尺寸试样的试验要求。弯曲元法原理明确、方法简单，可以安装于多种土工试验仪器中，但弯曲元在制备试样时易在击实功的作用下破坏。且共振柱法与弯曲元法多用于小尺寸试样，在砂土、黄土以及黏土试验中应用较为广泛。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：

一种基于外部振源激发的粗粒土剪切波速测试装置，包括推拉式电磁铁1、滑动单元2、固定单元3、限位块5及液压杆8。

所述推拉式电磁铁1为带凸起的块体结构；通电之后，其前端部的凸起部分被释放，产生瞬间的冲击力。

所述滑动单元2为块体结构，其下方设有工字型凹槽结构。滑动单元2上端与推拉式电磁铁1通过底面上设有的螺纹孔固定，下方工字型凹槽结构与固定单元3的“工”字形导轨匹配相连，在没有外部限制的情况下其可在导轨上自由滑动。

所述限位块5是块体结构，布置在固定单元3的轨道一侧，其与“工”字形导轨的缝隙处设有垫圈连接，以限制在推拉式电磁铁1工作过程中滑动单元2在固定单元3上的移动。

所述固定单元3包括“工”字形导轨和导轨下端的柱状结构，其中，柱状结构设有两个贯穿的螺纹孔，并与固定单元3的“工”字形导轨底部设有螺纹的一端通过螺栓固定，进而将固定单元3连接为一个整体。

所述液压杆8为伸缩杆，具体为能够收缩的柱状结构；其顶部焊接在固定单元3底部，组合成为一个整体。液压杆8与液压伺服控制器7连接，其在液压伺服控制器7的控制下能够通过改变自身的长度实现固定单元3的升降，进而达到调节推拉式电磁铁1高程位置的目的。

一种基于外部振源激发的粗粒土剪切波速测试试验系统，所述的试验系统包括外部激发试验装置、扭转单元4、两个激光测距传感器6、液压伺服控制器7、两个加速度传感器9、电荷放大器12、示波器13。

所述扭转单元4由两块板状结构组合而成，两个板状结构相对侧设有对称的半圆形凹槽，用于套接在加载轴上；其中一个板状结构带有悬臂，该板状结构上设有水平的螺纹盲孔，另一个板状结构设有水平的螺纹通孔，两块板状结构通过螺栓固定在大型三轴试验仪的加载轴上。在推拉式电磁铁1通电后，推拉式电磁铁1前端凸起处与扭转单元4中的悬臂端发生碰撞，因扭转单元4和加载轴之间存在咬合作用，悬臂端被击打后会对加载轴产生扭转激励的效果。传统的激发装置常常位于三轴试验仪内部，激发装置必须处在高压、水下的环境中，本发明的结构设计使激发装置位于三轴试验仪外部，避免了激发装置处在高压、水下的环境中，同时避免了激发装置位于三轴试验仪内部时电缆线需要从三轴试验仪压力室内引出情况的发生。

所述激光测距传感器6包括一个纵向激光测距传感器和一个横向激光测距传感器，二者通过螺栓分别连接在大型三轴试验仪11的上表面和推拉式电磁铁1靠近加载轴一侧的侧壁上，其中纵向激光测距传感器布置于扭转单元4的正下方铅锤位置，因试验过程中测试土样10会发生变形进而导致加载轴的高程变化，故可通过纵向激光测距传感器实时采集其本身到扭转单元4底面的距离，并使用液压伺服控制器7控制液压杆8移动，进而调整推拉式电磁铁1的高程，使推拉式电磁铁1与扭转单元4始终处于同一水平高度。因击打距离不同会对结果产生影响，横向激光测距传感器与限位块5协同工作，进而高精度调节推拉式电磁铁1的击打距离，还可令横向激光测距传感器监测试验过程中滑动单元2的位置，保证击打效果。

所述的两个加速度传感器9间隔设于测试土样10表面，分别与电荷放大器12相连，电荷放大器12与示波器13相连，测试土样10设于大型三轴试验仪11内。

所述的外部激发试验装置通过液压杆8与大型三轴试验仪11的上表面焊接连接在一起，外部激发试验装置中液压杆8的圆心至加载轴圆心的水平距离应保证略小于悬臂端的长度，以保证其在承受同样大小的冲击力时能产生更大的扭矩，且不会出现距离过大推拉式电磁铁1敲击不到扭转单元4的情况发生。推拉式电磁铁1通电后凸起端部击打扭转单元4，进而对三轴试验仪的加载轴产生扭矩，扭转单元4产生扭转振动并经过测试土样10传播，加速度传感器9采集测试土样10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12后同时显示和储存在示波器13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10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12中制备粗粒土测试土样10，将两个加速度传感器9沿铅垂方向分别安装在测试土样10侧面的不同高程处；使用横向激光测距传感器调节外部激发试验装置的击打距离，并在等向围压下固结，根据纵向激光测距传感器的实时数据，使用液压伺服控制器7调整固结后推拉式电磁铁1的高程；

S2、确定剪切波传播时间：调整好外部激发试验装置后，对推拉式电磁铁1进行通电，推拉式电磁铁1击打扭转单元4后，扭转单元4在惯性力作用下产生扭转振动，扭转振动经测试土样10传播；通过示波器13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土体扰动，利用推拉式电磁铁敲击代替传统的压电材料激发，能使示波器上获得的电压值更大，激发效果更好。此外，该装置直接固定在试样的外部，避免了激发装置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整体结构示意图。

图2是本发明的外部激发装置与三轴仪的连接结构示意图。

图3是本发明的试验系统的连接结构示意图。

图4为典型测试波形图。

图中：1推拉式电磁铁、2滑动单元、3固定单元、4扭转单元、5限位块、6激光测距传感器、7液压伺服控制器、8液压杆、9加速度传感器、10测试土样、11大型三轴试验仪、12电荷放大器、13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是本发明的外部激发装置整体结构示意图。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，依次包括推拉式电磁铁1、滑动单元2、固定单元3、限位块5及液压杆8；如图2所示，扭转单元4由带有悬臂、有两个螺纹盲孔的柱状结构和不带悬臂、有两个螺纹通孔的柱状结构组成，并通过螺栓将二者固定在大型三轴试验仪的加载轴上，进而通过两个螺栓将扭转单元4的两个部分连接为一个整体并与三轴仪的传动轴紧密连接。这样的结构设计使得激发装置位于试样外部，理论上改变扭转单元4的尺寸后可用于各种尺寸的三轴试验仪，避免了激发装置直接与测试土样10接触以及激发装置的电缆线需要从三轴试验仪压力室引出的麻烦。

基于外部振源激发的粗粒土剪切波速测试试验系统，如图3所示，包括图1-3所示的外部激发试验装置、加速度传感器9、电荷放大器12、示波器13；两个加速度传感器9分别与电荷放大器12相连，电荷放大器12与示波器13相连。外部激发试验装置中的推拉式电磁铁1在通电后产生脉冲作为激发信号，击打扭转单元4并使大型三轴仪11的加载轴产生扭转振动。在推拉式电磁铁1脉冲的作用下，产生的扭转振动经过测试土样传播，加速度传感器9用于采集测试土样10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12后同时显示和储存在示波器13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10。将外部激发试验系统中的两个加速度传感器9沿铅垂方向分别固定在测试土样10侧面橡皮膜的不同高程处；使用横向激光测距传感器调节外部激发试验装置的击打距离，并在等向围压下固结，根据纵向激光测距传感器的实时数据，使用液压伺服控制器7调整固结后推拉式电磁铁1的高程。

S2、确定剪切波传播时间：调整好外部激发试验装置后，对推拉式电磁铁1进行通电，推拉式电磁铁1击打扭转单元4后，扭转单元4在惯性力作用下产生扭转振动，扭转振动经测试土样10传播；测试土样10侧面不同高程处的加速度传感器9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9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10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。