CN107345883B - 硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置及方法，包括激振系统、加速度测试系统、土体静动力测试系统。本发明还公开一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析方法，在建立土体强度和动模量的关系后，以有限元模型中每个单元的模量为优化变量、以加速度测试点上实测和模拟的累计误差为目标函数，建立优化模型，然后寻优搜索每个土体单元的模量和强度。本发明可以评估大范围固化砂土中每个局部单元的加固强度，克服传统方法无法检测相邻钻孔间固化土样强度突变的问题，有效降低现场钻孔取固化土样的数量，节省大范围砂土固化强度的分析费用。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程研究领域,尤其涉及一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置及方法。
背景技术
纳米硅溶胶是纳米二氧化硅颗粒这些纳米颗粒先逐渐凝聚成链状结构进而形成三维网状结构的凝胶，此纳米凝胶体系可以加固松散砂土地基，加固方法为将硅溶胶渗流入饱和砂土地基中。为了检测砂土固化后的强度，需要在不同位置钻孔，取不同深度取固化砂土试样进行室内三轴试验测试强度，当加固范围较大时，钻孔取样的费用较为高昂，同时相邻钻孔间的土样强度可以用两个钻孔的强度进行插值得到，但是无法检测钻孔之间固化土样的强度突变，例如两个相邻钻孔土样的固化强度相同，但相邻钻孔间的土样有一部分没有固化，按钻孔取样的检测方法这部分没有固化的土样是检测不出来的。因此发展硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置及方法，降低钻孔取样的费用，同时获得大范围固化砂土中每个局部单元土样的加固强度尤为重要。
发明内容
本发明为了克服现有技术无法检测相邻钻孔间固化土样强度突变的问题，获得每个局部单元土体的加固强度，同时有效降低现场钻孔取固化土样的数量，节省大范围砂土固化强度的分析费用，本发明提供了一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置及方法。
本发明的技术方案：一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置，包括加速度测试系统、土体静动力测试系统、设置在土体单元网格上的激振系统；所述激振系统包括依次连接的底座、压力计、弹簧、质量块、偏振器；所述加速度测试系统包括若干个加速度传感器；所述土体静动力测试系统包含试样成型装置、强度测试装置和动模量测试装置，所述试样成型装置包括水泵、试样成型圆柱套筒、第一橡胶塞、第二橡胶塞和硅溶胶存储容器，所述试样成型圆柱套筒和硅溶胶存储器之间通过水泵和水管连接，所述模量测试装置包括压电陶瓷超声波发射片和压电陶瓷超声波接受片。
优选地，所述底座设置在土体单元网格上，所述压力计设置在底座上，所述弹簧设置在压力计上，所述质量块设置在弹簧上，所述偏振器设置在质量块上。
优选地，所述第一橡胶塞放置在试样成型圆柱套筒底部，试样成型圆柱套筒内放置松散砂土，所述第二橡胶塞放置在试样成型圆柱套筒顶部，用水泵将硅溶胶从硅溶胶存储容器注入试样成型圆柱套筒，砂土试样在试样成型圆柱套筒完成固化。
优选地，所述压电陶瓷超声波发射片设置在试验土样的顶部，所述压电陶瓷超声波接受片设置在试验土样的底部。
优选地，所述加速度传感器为压电陶瓷三向加速度传感器。
优选地，所述强度测试装置为静三轴剪切仪。
一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析方法，包括下述步骤：
步骤1：现场取未加固土样，指定不同浓度的硅溶胶溶液，不同浓度硅溶胶溶液由浓度从小到大编号为1,2,3,…,i,…,n；
步骤2：配置编号为i浓度的硅溶胶溶液；
步骤3：取编号为i的硅溶胶放入硅溶胶存储容器内，第一橡胶塞放置在试样成型圆柱套筒底部，试样成型圆柱套筒内放置松散砂土，第二橡胶塞放置在试样成型圆柱套筒顶部，用水泵将硅溶胶从硅溶胶存储容器注入试样成型圆柱套筒，砂土试样在试样成型圆柱套筒完成固化；
步骤3：试验土样的顶部和底部分别放置压电陶瓷超声波发射片和压电陶瓷超声波接受片，测试试验土样固化后的波速V，由波速V 和试验土样固化后的密度可以得到编号为i的硅溶胶固化砂土试样的模量，然后将试样成型圆柱套筒内的试验土样放置在静三轴剪切仪内进行三轴压缩试验可获得对应的内摩擦角和黏聚力；
步骤4：重复步骤2～步骤3，对于编号为i浓度的硅溶胶溶液制作三个固化砂土试样，得到的一组强度指标为内摩擦角和黏聚力 ci，三个试样的模量取平均值作为强度指标对应的模量Ei；
步骤5：重复步骤2～步骤4，得到n组硅溶胶溶液固化砂土得到的内摩擦角和黏聚力ci以及对应的模量Ei，然后用多项式建立强度指标内摩擦角和黏聚力c与模量E的关系，设内摩擦角与模量E关系为：
设黏聚力c与模量E关系为：
c＝B1+b2E+B3E2+B4E3+B5E4+B6E5
由n组硅溶胶溶液固化砂土得到的内摩擦角和黏聚力ci以及对应的模量Ei，拟合得到系数A1,A2,A3,A4,A5,A6和B1,B2,B3,B4,B5,B6，从而建立强度指标内摩擦角和黏聚力c与模量E的关系；
步骤6：对于硅溶胶加固的砂土地基建立有限元网格，在实际现场确定地表有限元网格节点位置，然后在部分地表有限元网格节点放置加速度传感器，在地表放置激振系统；
步骤7：开动偏振器，偏振频率等于质量块和弹簧组成系统的固有频率，实时记录压力计上的压力值和加速度传感器上的加速度值，并提取各个加速度传感器上测得的加速度峰值a1,a2,…,am；
步骤8：有限元模型中，设每个单元的模量为λi并将其赋值至有限元模型中，在激振系统的位置上施加实际压力计测试得到的压力曲线，模拟得到有限元网格节点上的加速度峰值，可以提取与实际加速度传感器测得的加速度峰值a1,a2,…,am对应的模拟加速度峰值在这个基础上建立优化模型，设每个单元的模量为λi为优化变量并将其赋值至有限元模型中，以实际加速度传感器测得的加速度峰值a1,a2,…,am对应的模拟加速度峰值之间的累计误差为目标函数建立优化模型如下：
在每一次优化迭代中，将有限元模型得到的模拟加速度峰值带入优化模型中，得到每个单元新的优化变量λi，然后将优化变量λi代入有限元模型中，通过这样的优化迭代，得到优化模型中优化变量λi的解，即每个土体单元的模量，将此模量代入步骤5得到的强度指标内摩擦角和黏聚力c与模量E的多项式关系式，即得到每个土体单元强度指标内摩擦角和黏聚力c。
优选地，所述步骤8中优化迭代的算法为序列二次规划算法。
本发明的有益效果：本发明克服现有技术无法检测相邻钻孔间固化土样强度突变的问题，可以获得每个局部单元土体的加固强度，同时有效降低现场钻孔取固化土样的数量，节省大范围砂土固化强度的分析费用。
附图说明
图1为本发明的侧视示意图；
图2为本发明的俯视示意图；
图3为本发明的侧视示意图的局部详图；
图4为本发明的俯视示意图的局部详图；
图5为本发明的试样成型装置和动模量测试装置示意图；
图6为本发明的强度测试装置示意图；
图中1.激振系统、2.土体单元网格、3.底座、4.弹簧、5.质量块、 6.压力计、7.加速度传感器、8.静三轴剪切仪、9.试验土样、10.压电陶瓷超声波发射片、11.压电陶瓷超声波接受片、12、偏振器、13.水泵、14.试样成型圆柱套筒、15.第一橡胶塞16.第二橡胶塞、17.硅溶胶存储容器。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1-6所示的硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置，包括激振系统1、加速度测试系统、土体静动力测试系统；所述激振系统包括依次连接的底座3、压力计6、弹簧4、质量块5、偏振器12；所述加速度测试系统包括若干个加速度传感器7；所述土体静动力测试系统包含试样成型装置、强度测试装置和动模量测试装置，所述试样成型装置包括水泵13、试样成型圆柱套筒14、第一橡胶塞15、第二橡胶塞16和硅溶胶存储容器17，所述模量测试装置包括压电陶瓷超声波发射片10和压电陶瓷超声波接受片11。
本发明硅溶胶加固大范围砂土的强度分析方法的工作过程如下：
步骤1：现场取未加固土样，指定不同浓度的硅溶胶溶液，不同浓度硅溶胶溶液由浓度从小到大编号为1,2,3,…,i,…,n；
步骤2：配置编号为i浓度的硅溶胶溶液；
步骤3：取编号为i的硅溶胶放入硅溶胶存储容器17内，第一橡胶塞15放置在试样成型圆柱套筒14底部，试样成型圆柱套筒14内放置试验土样9，第二橡胶塞16放置在试样成型圆柱套筒14顶部，用水泵13将硅溶胶从硅溶胶存储容器17注入试样成型圆柱套筒14，试验土样9在试样成型圆柱套筒完成固化；
步骤3：试验土样9的顶部和底部分别放置压电陶瓷超声波发射片10和压电陶瓷超声波接受片11，测试试验土样9固化后的波速V，由波速V和试验土样9固化后的密度可以得到编号为i的硅溶胶固化砂土试样的模量，然后将试样成型圆柱套筒14内的试验土样9放置在静三轴剪切仪8内进行三轴压缩试验可获得对应的内摩擦角和黏聚力；
步骤4：重复步骤2～步骤3，对于编号为i浓度的硅溶胶溶液制作三个固化砂土试样，得到的一组强度指标为内摩擦角和黏聚力 ci，三个试样的模量取平均值作为强度指标对应的模量Ei；
步骤5：重复步骤2～步骤4，得到n组硅溶胶溶液固化砂土得到的内摩擦角和黏聚力ci以及对应的模量Ei，然后用多项式建立强度指标内摩擦角和黏聚力c与模量E的关系，设内摩擦角与模量E关系为：
设黏聚力c与模量E关系为：
c＝B1+b2E+B3E2+B4E3+B5E4+B6E5
由n组硅溶胶溶液固化砂土得到的内摩擦角和黏聚力ci以及对应的模量Ei，拟合得到系数A1,A2,A3,A4,A5,A6和B1,B2,B3,B4,B5,B6，从而建立强度指标内摩擦角和黏聚力c与模量E的关系；
步骤6：对于硅溶胶加固的砂土地基建立有限元土体单元网格2，在实际现场确定限元土体单元网格2在地表的节点位置，然后在部分地表有限元网格节点放置加速度传感器7，在地表放置激振系统1；
步骤7：开动偏振器12，偏振频率等于质量块5和弹簧4组成系统的固有频率，实时记录压力计6上的压力值和加速度传感器7上的加速度值，并提取各个加速度传感器7上测得的加速度峰值 a1,a2,…,am；
步骤8：有限元模型中，设每个单元的模量为λi并将其赋值至有限元模型中，在激振系统的位置上施加实际压力计测试得到的压力曲线，通过模拟得到有限元网格节点上的加速度峰值，这时可以提取与实际加速度传感器测得的加速度峰值a1,a2,…,am对应的模拟加速度峰值在这个基础上建立优化模型，设每个单元的模量为λi为优化变量并将其赋值至有限元模型中，以实际加速度传感器测得的加速度峰值a1,a2,…,am对应的模拟加速度峰值之间的累计误差为目标函数建立优化模型如下：
在每一次优化迭代中，将有限元模型得到的模拟加速度峰值带入优化模型中，得到每个单元新的优化变量λi，然后将优化变量λi代入有限元模型中，通过这样的优化迭代，得到优化模型中优化变量λi的解，即每个土体单元的模量，将此模量代入步骤5得到的强度指标内摩擦角和黏聚力c与模量E的多项式关系式，即得到每个土体单元强度指标内摩擦角和黏聚力c。
Claims (6)
1.一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置，其特征在于：其包括加速度测试系统、土体静动力测试系统、设置在土体单元网格上的激振系统；所述激振系统包括依次连接的底座、压力计、弹簧、质量块、偏振器；所述加速度测试系统包括若干个加速度传感器；所述土体静动力测试系统包含试样成型装置、强度测试装置和动模量测试装置，所述试样成型装置包括水泵、试样成型圆柱套筒、第一橡胶塞、第二橡胶塞和硅溶胶存储容器，所述试样成型圆柱套筒和硅溶胶存储器之间通过水泵和水管连接，所述模量测试装置包括压电陶瓷超声波发射片和压电陶瓷超声波接受片；
所述第一橡胶塞放置在试样成型圆柱套筒底部，试样成型圆柱套筒内放置松散砂土，所述第二橡胶塞放置在试样成型圆柱套筒顶部，用水泵将硅溶胶从硅溶胶存储容器注入试样成型圆柱套筒，砂土试样在试样成型圆柱套筒完成固化；
所述压电陶瓷超声波发射片设置在试验土样的顶部，所述压电陶瓷超声波接受片设置在试验土样的底部。
2.根据权利要求1所述的一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置，其特征在于：所述底座设置在土体单元网格上，所述压力计设置在底座上，所述弹簧设置在压力计上，所述质量块设置在弹簧上，所述偏振器设置在质量块上。
3.根据权利要求1所述的一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置，其特征在于：所述加速度传感器为压电陶瓷三向加速度传感器。
4.根据权利要求1所述的一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置，其特征在于：所述强度测试装置为静三轴剪切仪。
5.根据权利要求1所述的一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置的强度分析方法，其特征在于：其包括下述步骤：
步骤1：现场取未加固土样，指定不同浓度的硅溶胶溶液，不同浓度硅溶胶溶液由浓度从小到大编号为1,2,3,…,i,…,n；
步骤2：配置编号为i浓度的硅溶胶溶液；
步骤3：取编号为i的硅溶胶放入硅溶胶存储容器内，第一橡胶塞放置在试样成型圆柱套筒底部，试样成型圆柱套筒内放置松散砂土，第二橡胶塞放置在试样成型圆柱套筒顶部，用水泵将硅溶胶从硅溶胶存储容器注入试样成型圆柱套筒，砂土试样在试样成型圆柱套筒完成固化；
试验土样的顶部和底部分别放置压电陶瓷超声波发射片和压电陶瓷超声波接受片，测试试验土样固化后的波速V，由波速V和试验土样固化后的密度可以得到编号为i的硅溶胶固化砂土试样的模量，然后将试样成型圆柱套筒内的试验土样放置在静三轴剪切仪内进行三轴压缩试验可获得对应的内摩擦角和黏聚力；
步骤4：重复步骤2～步骤3，对于编号为i浓度的硅溶胶溶液制作三个固化砂土试样，得到的一组强度指标为内摩擦角和黏聚力ci，三个试样的模量取平均值作为强度指标对应的模量Ei；
步骤5：重复步骤2～步骤4，得到n组硅溶胶溶液固化砂土得到的内摩擦角和黏聚力ci以及对应的模量Ei，然后用多项式建立强度指标内摩擦角和黏聚力c与模量E的关系，设内摩擦角与模量E关系为：
设黏聚力c与模量E关系为：
c＝B1+b2E+B3E2+B4E3+B5E4+B6E5
由n组硅溶胶溶液固化砂土得到的内摩擦角和黏聚力ci以及对应的模量Ei，拟合得到系数A1,A2,A3,A4,A5,A6和B1,B2,B3,B4,B5,B6，从而建立强度指标内摩擦角和黏聚力c与模量E的关系；
步骤6：对于硅溶胶加固的砂土地基建立有限元网格，在实际现场确定地表有限元网格节点位置，然后在部分地表有限元网格节点放置加速度传感器，在地表放置激振系统；
步骤7：开动偏振器，偏振频率等于质量块和弹簧组成系统的固有频率，实时记录压力计上的压力值和加速度传感器上的加速度值，并提取各个加速度传感器上测得的加速度峰值a1,a2,…,am；
步骤8：有限元模型中，设每个单元的模量为λi并将其赋值至有限元模型中，在激振系统的位置上施加实际压力计测试得到的压力曲线，模拟得到有限元网格节点上的加速度峰值，可以提取与实际加速度传感器测得的加速度峰值a1,a2,…,am对应的模拟加速度峰值在这个基础上建立优化模型，设每个单元的模量为λi为优化变量并将其赋值至有限元模型中，以实际加速度传感器测得的加速度峰值a1,a2,…,am对应的模拟加速度峰值之间的累计误差为目标函数建立优化模型如下：
在每一次优化迭代中，将有限元模型得到的模拟加速度峰值带入优化模型中，得到每个单元新的优化变量λi，然后将优化变量λi代入有限元模型中，通过这样的优化迭代，得到优化模型中优化变量λi的解，即每个土体单元的模量，将此模量代入步骤5得到的强度指标内摩擦角和黏聚力c与模量E的多项式关系式，即得到每个土体单元强度指标内摩擦角和黏聚力c。
6.根据权利要求5所述的一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置的强度分析方法，其特征在于：所述步骤8中优化迭代的算法为序列二次规划算法。
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- 2017-02-22 CN CN201710094429.5A patent/CN107345883B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107345883A (zh) | 2017-11-14 |
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