CN106770656A - 一种用于模型试验中土体动剪切模量的测试装置 - Google Patents

一种用于模型试验中土体动剪切模量的测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于模型试验中土体动剪切模量的测试装置。既适用于1g模型试验又适用于离心机模型试验。具有与拟模拟的地层空间尺寸相比拟的模型箱100和为实验提供剪切动力的剪切波发生装置200；模型箱100的底部设置有水平放置的剪切波发生器3；模型箱100内充填相应试验用土110，在试验用土110的不同高度上分层设置有一个以上的加速度计4。本发明装置可便利地测试不同深度处土层剪切模量，为地层振动研究的进行提供基础参数。

Description

一种用于模型试验中土体动剪切模量的测试装置
技术领域
本发明涉及一种土木工程模型试验中土体动剪切模量的测试装置，特别涉及重塑土或者试验土的剪切模量的测试装置。
背景技术
土木工程动力学领域中常见的振源可以分为以下两类：
1、自然灾害：地震，火山喷发等诱发振动。
2、人类活动：施工活动，机动车辆行驶，铁路列车行驶等诱发振动。
近几年，地震活动的频发对我国局部地区以及世界范围内各地都造成了极大的人员伤亡和经济损失，其次，基础设施建设在我国进行的如火如荼，为缓解交通压力，地铁工程在我国一二线城市大量兴建，随后也带来一系列问题，尤其是由于列车运行造成的振动问题，其振动影响涉及周围环境、地层稳定性、周围建筑物的安全性等。同时，随着人类安全和环境意识的不断提高，科研工作者将大量精力投入到地层振动研究领域。
地层的动剪切模量G0是土动力学领域中一个重要的参数，无论是进行模型试验，计算机数值模拟，还是通过数值分析对地层的响应进行研究，都需要地层的剪切模量。因此，地层动剪切模量的测定成为研究进行的基础。研究表明，地层剪切模量与应力水平相关，剪切模量随深度而变化。
模型试验因其具有可控性，可重复性，经济性等特点，成为土木工程研究者常用的研究手段。根据模型试验理论，选取合理的几何比例N(通常取N＝20-70)对原型地层或者结构进行缩尺模拟，使得研究问题得以在试验室进行。根据加速度水平，目前常用的模型试验可以分为1g模型试验和离心机模型试验两种。1g模型试验是指在地球重力场作用下进行的常规模型试验，由于模型尺寸的缩小，相应土层深度处的应力水平是原型应力的1/N。离心机试验是指利用高速旋转产生的N倍于重力加速度的离心加速度来抵消由于模型尺寸缩小造成的地应力降低，从而使得原型地应力水平被复制。
因此，在模型试验进行过程中，急需一种适合测试试验中不同深度处土层剪切模量的装置，为地层振动研究的进行提供基础参数。
在小剪切应变范围内(<10-6)，土的动剪切模量G0和剪切波速VS之间满足以下关系：
G0＝ρ·VS 2 (1)
其中：ρ是土的密度。
因此，土的动剪切模量的测定可以通过测试土的剪切波速和密度来获得。其中，土的密度很容易测定。剪切波速的测定的基本思路为通过测试剪切波经过已知两点的时间差来计算剪切波速VS，通过公式(1)反算出剪切模量。
发明内容
鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的就是提供一种用于测试模型试验中不同深度处土层剪切模量的装置。
本发明为实现其目的，所采用的方案是：一种用于模型试验中土体动剪切模量的测试装置。具有与拟模拟的地层空间尺寸相比拟的模型箱100和为实验提供剪切动力的剪切波发生装置200；模型箱100的底部设置有水平放置的剪切波发生器3；模型箱100内充填相应试验用土，在试验用土的不同高度上分层设置有一个以上的加速度计，所述加速度计放置与剪切波发生器3平行，各加速度计的采集数据线与数据采集系统连接；
剪切波发生装置200由空气压缩机1，三通道电磁阀和剪切波发生器3构成；空气压缩机通过三通转接头形成分别与剪切波发生器3左右两端接头相通的左右两个气道，左右两个气道上各连有一个三通道电磁阀；
所述剪切波发生器3主要由两部分组成：一个空心铜管3-C和一个置于空心铜管内的活动钢柱3-D。
通过本发明装置测试试验中不同深度处土层VS，通过公式(1)反算出剪切模量，便利地测试不同深度处土层剪切模量，为地层振动研究的进行提供基础参数。本发明装置既适用于1g模型试验又适用于离心机模型试验。
附图说明
图1是本发明装置进行试验时的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1示出，本发明的一种具体实施方式。
整个装置由空气压缩机1，三通道电磁阀2-A、2-B，剪切波发生器3，加速度计4，数据采集系统5和显示系统6六部分组成：
空气压缩机1是剪切波发生器3的动力源，利用硬塑料管7和三通转接头8将空气压缩机1与两个三通道电磁阀2-A和2-B相连接，两个三通道电磁阀2-A和2-B分别和剪切波发生器3的两个接头3-A和3-B相连。剪切波发生器3主要由两部分组成：一个长14cm、内径8mm的空心铜管3-C和一个长3cm、直径7mm的活动钢柱3-D。
试验进行时，需开启空气压缩机1，调整空气压缩机1压力(约30kPa)，打开三通道电磁阀2-B，同时，关闭三通道电磁阀2-A，空气就会由接头3-B流向接头3-A，此时，钢柱3-D会在空气压力作用下由3-B端滑向3-A端；如果关闭三通道电磁阀2-B，同时，打开三通道电磁阀2-A，空气就会由接头3-A流向接头3-B，此时，钢柱3-D会在空气压力作用下由3-A端滑向3-B端。在钢柱3-D与铜管3-C碰撞时产生的冲击力作用下，剪切波发生器3周围土体会被轻微地剪切从而产生剪切波9，剪切波9的传递方向与钢柱3-D的运动方向垂直。
随后，剪切波9会被位于剪切波发生器3上方的一系列加速度计4探测到，剪切波信号10会被数据采集系统5记录并存储起来，同时数据显示系统6会显示测得的剪切波信号10。通过对信号10进行分析，可以得到剪切波9到达相邻两个加速度计4的时间差。进而，通过已知相邻加速度计4之间的距离和时间差计算出剪切波9在土层中的传递速度。最后，通过公式(1)计算出土体的剪切模量。
图1示出，利用上述土体动剪切模量的测试装置进行剪切波测试的方法，具体实施步骤是：
A、试验准备：按照所要模拟的地层空间尺寸和选定的几何相似比制备模型箱，先在模型箱的四周和底部黏贴吸振材料Duxseal，厚度约为2-3cm。吸振材料的主要作用为减少反射波对试验结果的影响。然后，在吸振材料上铺设模型土，厚度以2cm为宜。
B、安装剪切波发生器和加速度计：先在剪切波发生器3的两端处黏贴厚度约为2mm的吸振材料Duxseal，以减弱其内部钢柱运动产生的冲击力所激发的压缩波与剪切波的干扰，再在剪切波发生器3的表面用胶水粘结一层试验用土，从而保证土体和剪切波发生器3有良好的耦合性，利于剪切波9的产生。将连接好硬塑料管7的剪切波发生器3置于土层上，安装时，要注意尽量不要扰动土体。随后，继续铺设模型土直至加速度计4的设计埋设深度。加速度计4在埋设时，一定要确保剪切波9的振动方向与加速度计4的测量方向保持一致，即加速度计与剪切波发生器平行，而且在埋设其余加速度计4的时候，一定要确保所有加速度计4测量的方向性保持一致。
C、仪器连接：完成所有加速度计4的埋设后，将空气压缩机1利用硬塑料管7和三通转接头8与两个三通道电磁阀2-A、2-B相连接，两个三通道电磁阀2-A、2-B分别和剪切波发生器的两个接头3-A、3-B相连；将所有加速度计4连接到数据采集系统5和示波器6。
D、测试：开启空气压缩机1，调整空气压缩机1压力(约30kPa)，打开三通道电磁阀2-B，同时，关闭三通道电磁阀2-A，空气就会由接头3-B流向接头3-A，此时，钢柱3-D会在空气压力作用下由3-B端滑向3-A端；关闭三通道电磁阀2-B，打开三通道电磁阀2-A，空气就会由接头3-A流向接头3-B，此时，钢柱3-D会在空气压力作用下由3-A端滑向3-B端。在钢柱3-D与铜管3-C碰撞时产生的冲击力作用下，剪切波发生器3周围土体会被轻微地剪切从而产生剪切波9，剪切波9会被上方的一系列加速度计4探测到，剪切波信号10会被数据采集系统5记录并存储起来，同时示波器6上会显示各个加速度计4测到的响应信号10。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于模型试验中土体动剪切模量的测试装置，其特征在于，具有与拟模拟的地层空间尺寸相比拟的模型箱(100)和为实验提供剪切动力的剪切波发生装置(200)；模型箱(100)的底部设置有水平放置的剪切波发生器(3)；模型箱(100)内充填相应试验用土，在试验用土的不同高度上分层设置有一个以上的加速度计，所述加速度计水平放置，测试加速度方向与剪切波发生器(3)平行，各加速度计的采集数据线与数据采集系统连接；
剪切波发生装置(200)由空气压缩机(1)，三通道电磁阀和剪切波发生器(3)构成；空气压缩机通过三通转接头形成分别与剪切波发生器(3)左右两端接头相通的左右两个气道，左右两个气道上各连有一个三通道电磁阀；
所述剪切波发生器(3)主要由两部分组成：一个空心铜管(3-C)和一个置于空心铜管内的活动钢柱(3-D)。
2.根据权利要求1所述的用于模型试验中土体动剪切模量的测试装置，其特征在于，所述模型箱(100)内的四周和底面敷设有吸振材料层。
3.根据权利要求2所述的用于模型试验中土体动剪切模量的测试装置，其特征在于，所述吸振材料层为2-3cm厚的Duxseal。
4.根据权利要求1所述的用于模型试验中土体动剪切模量的测试装置，其特征在于，所述剪切波发生器(3)主要由两部分组成：一个长14cm、内径8mm的空心铜管和一个置于空心铜管内长3cm、直径7mm的活动钢柱。
5.根据权利要求1所述的用于模型试验中土体动剪切模量的测试装置，其特征在于，所述试验用土分层厚度以5～10cm为宜。
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