[发明专利]一种测量粗粒土剪切波速的试验装置、系统及试验方法

说明书

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。

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：