CN108007798B - 贯入式土体强度及波速联合测试装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种贯入式土体强度及波速联合测试装置及其使用方法，主要由探杆、横梁、压力传感器和位移传感器组成。探杆可使弯曲元片进入土体一定深度，且在这一过程中不与土体接触，从而保证测试土样的原状性及弯曲元片的安全。通过不同安装方向的弯曲元片及将该装置沿不同方向插入土体，可同时测得土体各方向剪切模量，获得土体固有各向异性比；通过剪切波速和压缩波速的测试可获得土体泊松比；通过装置压入土体过程中压力随深度变化曲线可获得土体不排水剪切强度大小。本发明所设计测试装置原理简明，便于携带，可有效保证测试土样的原状性及压电陶瓷弯曲元片的安全，并能获得土体固有各向异性特性、泊松比及不排水剪切强度大小。
Description
技术领域
本发明涉及一种贯入式土体强度及波速联合测试装置及其使用方法，尤其是涉及一种贯入式压电陶瓷弯曲元片土体各向异性剪切模量、泊松比及不排水剪切强度联合测试装置。
背景技术
小应变剪切模量是土体基本力学参数，可通过室内土工试验及现场测试获得。室内试验多采用共振柱及压电陶瓷弯曲元片，而室内测试土样须从现场获得，在取土及运输过程城中不可避免地会对土体造成一定的扰动与伤害，从而导致室内试验结果往往不能反映土体真实剪切模量大小，因此现场土体剪切模量的测试显得尤为重要。目前为止，仅有浙江大学曾于2008年研发了一种可用于现场测试的压电陶瓷弯曲元片土体剪切波速测试装置，但该装置只能直接将发射和接收压电陶瓷弯曲元片插入表层土中，而表层土体亦是受扰动影响较大的土体，无法真正有效保证被测土样的原状性，故测试装置能深入土体一定深度显得尤为重要；且该装置仅能测得土体颗粒沿水平方向振动，波沿水平方向传播的剪切波速Vhh，无法测得土体颗粒沿竖直方向振动，波沿水平方向传播的剪切波速Vvh和土体颗粒沿水平方向振动，波沿竖直方向传播的剪切波速Vhv，从而无法获得现场土体各剪切波速平方比，即无法获得现场土体固有各向异性特性。同时，目前为止，国内没有出现便携式现场测试装置能同时获得土体剪切模量、泊松比及不排水剪切强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种贯入式土体强度及波速联合测试装置，该装置便于携带，能深入土体一定深度，从而有效保证测试土样的原状性，利用该装置可测得不同方向土体剪切模量大小，从而获得土体固有各向异性特性，同时可获得土体泊松比及不排水剪切强度大小。
本发明采用的技术方案如下：
一种贯入式土体强度及波速联合测试装置，包括横梁，横梁两端安装有探杆；横梁中部安装有压力传感器和位移传感器。
进一步的改进，所述横梁两端设置有长孔，横梁通过长孔与探杆相连，以便于调整两探杆间水平距离，横梁上安装有用于将整个装置压入土体的手柄；配合手柄安装有压力传感器，便于获得探杆压入土体过程中压力随深度变化曲线，进而获得土体不排水剪切强度；横梁上刻有刻度尺，便于调整两探杆间水平距离。
进一步的改进，所述探杆包括内空外杆，内空外杆底部安装有锥头，内空外杆内安装有内空内杆，内空外杆底部安装有主滑块，主滑块连接有用于固定发射压电陶瓷弯曲元片或接收压电陶瓷弯曲元片的副滑块；内空外杆上成形有露出副滑块的穿孔。
进一步的改进，所述内空外杆与锥头之间安装有底封板，内空外杆底部安装有前封板、后封板，穿孔处于前封板上，内空外杆上刻有刻度尺，便于辅助获得探杆压入土体深度。
进一步的改进，所述内空外杆的顶部成形有竖凹槽，内空内杆顶部固定有与竖凹槽配合的梢钉；内空外杆为自下向上横截面逐渐增大的圆锥台状变截面设计，自前封板往上的变截面可有效减小探杆与土体侧摩擦力，便于探杆压入土体，与横梁连接位置的变截面可便于垫片固定，从而有效保证探杆与横梁的稳定连接；内空内杆为与内空外杆配合的变截面结构，这减小了内空内杆与内空外杆间的摩擦，增大了相互的滑动性。
进一步的改进，所述内空内杆底部设有与楔形状的主滑块配合的楔形面，便于挤压主滑块和副滑块，从而将弯曲元片插入土体；内空内杆上部安装的梢钉与内空外杆上部设置的竖凹槽配合，便于固定主滑块的方向；内空内杆为便于与弯曲元片连接的线路穿行的内空设计；主滑块前端成形有与副滑块配合的凹槽，中部有便于与弯曲元片连接的线路穿行的竖向中空设计及横向线路穿行孔，左右两端分别设有与前封板对应的用于安装弹簧的弹簧安装孔；为便于主滑块和副滑块稳定连接，在主滑块和副滑块上均成形有主副滑块连接螺孔；所述副滑块前端为与内空外杆尺寸吻合的弧形设计，并设有竖向及横向弯曲元片安装槽，后端与主滑块尺寸吻合，中部有与弯曲元片安装槽贯通的线路穿行孔。
进一步的改进，所述前封板前端为与内空外杆尺寸吻合的弧形设计，底部为与主滑块和副滑块尺寸吻合的门形设计，底部用两螺栓与底封板相连；所述后封板后端为与内空外杆尺寸吻合的弧形设计，并在底部中间位置与底封板用一螺栓相连；所述锥头锥角为60°，与底封板用一螺栓相连。
一种便携式压电陶瓷弯曲元片土体剪切模量测试装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤一、将主滑块和副滑块连接并安装弯曲元片后放入探杆中的内空外杆，内空外杆安装固定在横梁两端，内空内杆插入内空外杆，但保证内空内杆不与主滑块接触，然后下压入土体中，压力传感器和位移传感器分别记录下压的压力和下压的位移；检测计算或查询得到上覆土重力和土体灵敏度大小，计算得到得土体不排水剪切强度su：
su＝(4N-2πD2σv0)/(8απDHst -0.25+21πD2)，其中式中su为土体不排水剪切强度，N为装置进入土体过程中相对位移的平均压力，D为内空外杆横截面直径，σv0为上覆土重力，α为考虑前封板开口的侧面积折减系数，H为内空外杆进入土体高度，st为土体灵敏度大小，取0.9～1.0，π为圆周率。
进一步的改进，还包括步骤二、当整个探杆插入土体所需位置时，将内空内杆继续缓慢插入内空外杆，内空内杆向下行进时，内空内杆底部的楔形面挤压主滑块，将弯曲元片压入土中，检测得到压缩波波速Vp和剪切波波速Vs，计算得到土体的泊松比υ：
Vp/Vs＝[(2-2υ)/(1-2υ)]0.5。
进一步的改进，还包括：
步骤三、将探杆垂直地表插入土体时，水平向安装的弯曲元片沿竖向振动，剪切波水平向传播，测得土体颗粒沿竖向振动时，剪切波沿水平方向传播的剪切波速Vvh；竖向安装的弯曲元片沿水平向振动，剪切波水平向传播，测得土体颗粒沿水平向振动时，剪切波沿水平方向传播的剪切波速Vhh。
步骤四、将探杆平行地表插入土体时，两弯曲元片均沿水平向振动，剪切波竖向传播，可测得土体颗粒沿水平向振动，剪切波沿竖直方向传播的剪切波速Vhv；计算获得各方向的剪切波量G：Gij＝ρVij 2，Gij表示ij方向的剪切波量，ρ为土体密度，Vij为ij方向剪切波速，i表示土体颗粒振动方向，j表示剪切波传播方向；计算得到各剪切模量比值，进而计算得到土体固有的各向异性。
附图说明
图1是本发明的测试原理示意图。
图2是测试装置结构示意图。
图3是探杆拆解图。
图4是主、副滑块结构示意图。
图5是弯曲元片及主滑块弹簧安装示意图。
图6是弯曲元片插入土体时，主、副滑块与前封板位置示意图。
图7是压电陶瓷弯曲元片组成示意图。
图8是弯曲元片并联连接方式示意图。
图9是该装置Vvh测试示意图。
图10是该装置Vhh测试示意图。
图11是该装置Vhv测试示意图。
图12是压缩波测试示意图。
图中：1-测试装置；2-波形激发器；3-波形放大器；4-波形过滤器；5-示波器；6-数据采集系统；7-压力表；8-位移计；9-探杆；10-土体；11-发射压电陶瓷弯曲元片；12-接收压电陶瓷弯曲元片；13-横梁；14-内空外杆；15-内空内杆；16-主滑块；17-副滑块；18-前封板；19-后封板；20-底封板；21-锥头；22-垫片；23-螺栓；24-弹簧安装孔；25-主副滑块连接螺孔；26-弯曲元片线路穿行孔；27-弹簧；28-外导电电极；29-压电陶瓷片；30-导电金属垫片；31-长孔；32-穿孔；33-竖凹槽；34-梢钉；35-手柄。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括测试装置1、波形激发器2、波形放大器3、波形过滤器4、示波器5、数据采集系统6。测试装置的两个结构对称的探杆9分别压入土体中，波形放大器3一端与波形激发器2连接，一端与发射压电陶瓷弯曲元片11(第一发射压电陶瓷弯曲元片)连接，同时还与示波器5连接，波形过滤器4一端与接收压电陶瓷弯曲元片12(第二发射压电陶瓷弯曲元片)连接，一端与示波器5连接，示波器5与数据采集系统6连接。波形激发器2激发的信号经波形放大器3放大后激发发射压电陶瓷弯曲元片11，同时波形激发器所激发的信号将显示于示波器5上；发射压电陶瓷弯曲元片11与土体10共振将信号传至接收压电陶瓷弯曲元片12，经波形过滤器4将接收的信号显示于示波器5上；最后示波器5上发射与接收信号将存储于数据采集系统6，便于后续剪切波速及压缩波速的计算。同时测试装置压入土体过程中，横梁上压力传感器7与位移传感器8将记录下贯入压力及贯入深度，两数据将同时存储于数据采集系统6，便于后续不排水剪切强度的计算。
如图2、图3所示，本发明测试装置1包括两个结构对称的探杆9和连接两探杆的横梁13，其中，探杆9整体为带有锥头21的圆柱形设计，整体长约730mm，主要由内空外杆14、内空内杆15、主滑块16、副滑块17、前封板18、后封板19、底封板20、锥头21和垫片22等组成，其中，内空内杆15上部梢钉与内空外杆14上部凹槽位置对应，发射压电陶瓷弯曲元片11或接收压电陶瓷弯曲元片12置于副滑块内；横梁尺寸约500×60×40mm，与探杆9连接部位为一段中空设计，便于调整两探杆9间水平距离；探杆及横梁上均刻有精度为0.5cm的刻度尺，便于调整两探杆水平距离及辅助获得探头入土深度。
当确定好两探杆9间水平距离后，固定垫片22，使探杆9与横梁13稳定连接，而后将探杆9插入土体10至所需位置，滑动内空内杆15，挤压主、副滑块16、17，通过内空内杆15底部楔形设计将压电陶瓷弯曲元片自前封板18门型结构插入土体10，并用垫片22将内空内杆15固定，而后用波形激发器2激发信号，经波形放大器3放大后激发发射压电陶瓷弯曲元片11，同时波形激发器所激发的信号将显示于示波器5上；发射压电陶瓷弯曲元片11与土体共振将信号传至接收压电陶瓷弯曲元片12，经波形过滤器4将接收的信号显示于示波器5上；最后示波器5上发射与接收信号将存储于数据采集系统6，便于后续土体剪切波速及压缩波速的分析研究。同时探头压入土体过程中，横梁上压力传感器7及位移传感器8将记录下贯入压力及贯入深度，两数据将同时存储于数据采集系统，通过公式su＝(4N-2πD2σv0)/(8απDHst -0.25+21πD2)，(式中su为土体不排水剪切强度，N为装置进入土体过程中相对位移的平均压力，D为内空外杆横截面直径，σv0为上覆土重力，α为考虑前封板开口的侧面积折减系数，H为内空外杆进入土体高度，st为土体灵敏度大小，取0.9～1.0，π为圆周率)可求得土体不排水剪切强度。土体灵敏度大小通过工程地质手册查得或通过无侧限抗压强度仪测得，也可取经验值0.9～1.0的任意数。上覆土重力通过环刀法测得土的密度，然后密度乘以重力加速度再乘以插入土壤的深度得到。上述平均压力为相对位移的平均压力，即以位移为横坐标，压力为纵坐标，计算得到的在位移范围内的平均压力。
如图4、图5所示，主、副滑块16、17连接部位尺寸吻合，当内空内杆15未向下滑动时，安装于主滑块16上的10个弹簧27处于松弛状态，当内空内杆15向下滑动时，其底部楔形设计将推动主、副滑块16、17向侧向移动，从而将弯曲元片穿过前封板18门型结构插入土体，此时，10个弹簧27将与前封板18接触，并处于压缩状态，当测试完毕，将内空内杆15向上滑动，此时在弹簧27作用下，主、副滑块16、17将携带弯曲元片回到初始位置，即回到探杆内，而后将整个测试装置拔出土体。
如图6所示，剪切波测试弯曲元片有水平和竖向两种安装方式，每个弯曲元片尺寸为10mm×6mm×0.6mm(长×宽×厚)，固定端长8mm，悬臂端长2mm；压缩波测试弯曲元直接用环氧树脂贴附于副滑块17上，其尺寸为5mm×5mm×0.6mm(长×宽×厚)。需要说明的是，发射与接收压电陶瓷弯曲元片11与12可互换位置，即当11为发射压电陶瓷弯曲元片时，12为接收压电陶瓷弯曲元片，当11为接收压电陶瓷弯曲元片时，12为发射压电陶瓷弯曲元片。
如图7所示，压电陶瓷弯曲元片主要由三部分组成，分别为外导电电极28、压电陶瓷片29、导电金属垫片30。在使用过程中，常将弯曲元片一端固定，产生悬臂结构，当压电陶瓷片通电后，悬臂端会产生弯曲变形，带动周围土体颗粒振动变形，从而将剪切波传递至接收弯曲元处，当接收弯曲元产生弯曲变形时，将产生一定电流，从而形成接收信号。与土体颗粒振动方向垂直的波为剪切波，可用于剪切波速的测试，与土体颗粒振动方向相同的波为压缩波，可用于压缩波速的测试，当获得两波速后，通过公式Vp/Vs＝[(2-2υ)/(1-2υ)]0.5(式中Vp、Vs分别为压缩波波速和剪切波波速，υ为泊松比)可算得土体泊松比。
如图8所示，压电陶瓷弯曲元片采用并联连接，两个压电陶瓷片产生相同的极化方向，即产生相同的弯曲方向，从而振动幅度较大，剪切波信号较强。
如图9、图10所示，当将该装置探头垂直地表插入土体时，水平向安装的弯曲元片沿竖向振动，剪切波水平向传播，可测得Vvh，竖向安装的弯曲元片沿水平向振动，剪切波水平向传播，可测得Vhh。
如图11所示，当将该装置探头平行地表插入土体时，两弯曲元片均沿水平向振动，剪切波竖向传播，可测得Vhv。
当测得三个方向的剪切波速时，利用公式Gij＝ρVij 2(Gij表示ij方向的剪切波量，ρ为土体密度，Vij为ij方向剪切波速，i表示土体颗粒振动方向，j表示剪切波传播方向)获得各剪切模量比值，即获得土体固有各向异性特性。
如图12所示，将装置插入土体后，激发压缩波发射弯曲元，由于其两端固定，弯曲元片将产生凸起变形，从而挤压周围土体颗粒，使土体产生沿压缩波传播方向的伸缩变形，从而传播压缩波信号至接收弯曲元处，带动接收弯曲元产生凸起变形，从而将波信号转换为电信号存储于数据采集系统。
Claims (8)
1.一种贯入式土体强度及波速联合测试装置，其特征在于：包括横梁(13)，横梁(13)两端安装有探杆(9)；横梁(13)中部安装有压力传感器(7)和位移传感器(8)；所述探杆(9)包括内空外杆(14)，内空外杆(14)底部安装有锥头(21)，内空外杆(14)内安装有内空内杆(15)，内空外杆(14)底部安装有主滑块(16)，主滑块(16)连接有用于固定发射压电陶瓷弯曲元片(11)或接收压电陶瓷弯曲元片(12)的副滑块(17)；内空外杆(14)上成形有露出副滑块(17)的穿孔(32)；所述内空内杆(15)底部设有与楔形状的主滑块(16)配合的楔形面，便于挤压主滑块(16)和副滑块(17)，从而将弯曲元片插入土体；内空内杆(15)上部安装的梢钉(34)与内空外杆(14)上部设置的竖凹槽(33)配合，便于固定主滑块(16)的方向；内空内杆(15)为便于与弯曲元片连接的线路穿行的内空设计；主滑块(16)前端成形有与副滑块(17)配合的凹槽，中部有便于与弯曲元片连接的线路穿行的竖向中空设计及横向线路穿行孔，左右两端分别设有与前封板(18)对应的用于安装弹簧(27)的弹簧安装孔(24)；为便于主滑块(16)和副滑块(17)稳定连接，在主滑块(16)和副滑块(17)上均成形有主副滑块连接螺孔(25)；所述副滑块(17)前端为与内空外杆(14)尺寸吻合的弧形设计，并设有竖向及横向弯曲元片安装槽，后端与主滑块(16)尺寸吻合，中部有与弯曲元片安装槽贯通的线路穿行孔。
2.根据权利要求书1所述的一种贯入式土体强度及波速联合测试装置，其特征在于：所述横梁(13)两端设置有长孔(31)，横梁(13)通过长孔(31)与探杆(9)相连，以便于调整两探杆间水平距离，横梁(13)上安装有用于将整个装置压入土体的手柄(35)；配合手柄(35)安装有压力传感器(7)，便于获得探杆压入土体过程中压力随深度变化曲线，进而获得土体不排水剪切强度；横梁上刻有刻度尺，便于调整两探杆间水平距离。
3.根据权利要求书1所述的一种贯入式土体强度及波速联合测试装置，其特征在于：所述内空外杆(14)与锥头(21)之间安装有底封板(20)，内空外杆(14)底部安装有前封板(18)、后封板(19)，穿孔(32)处于前封板(18)上，内空外杆(14)上刻有刻度尺，便于辅助获得探杆压入土体深度。
4.根据权利要求1所述的一种贯入式土体强度及波速联合测试装置，其特征在于：所述内空外杆(14)的顶部成形有竖凹槽(33)，内空内杆(15)顶部固定有与竖凹槽(33)配合的梢钉(34)；内空外杆(14)为自下向上横截面逐渐增大的圆锥台状变截面设计，自前封板(18)往上的变截面可有效减小探杆与土体侧摩擦力，便于探杆压入土体，与横梁(13)连接位置的变截面可便于垫片(22)固定，从而有效保证探杆与横梁的稳定连接；内空内杆(15)为与内空外杆(14)配合的变截面结构，这减小了内空内杆(15)与内空外杆(14)间的摩擦，增大了相互的滑动性。
5.根据权利要求3所述的一种贯入式土体强度及波速联合测试装置，其特征在于：所述前封板(18)前端为与内空外杆(14)尺寸吻合的弧形设计，底部为与主滑块(16)和副滑块(17)尺寸吻合的门形设计，底部用两螺栓与底封板(20)相连；所述后封板(19)后端为与内空外杆(14)尺寸吻合的弧形设计，并在底部中间位置与底封板(20)用一螺栓相连；所述锥头(21)锥角为60°与底封板(20)用一螺栓相连。
6.一种贯入式土体强度及波速联合测试装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将主滑块(16)和副滑块(17)连接并安装弯曲元片后放入探杆(9)中的内空外杆(14)，内空外杆(14)安装固定在横梁(13)两端，并将内空内杆(15)插入内空外杆(14)，但保证内空内杆(15)不与主滑块(14)接触，安装好整个装置，然后下压入土体中，压力传感器(7)和位移传感器(8)分别记录下压的压力和下压的位移；检测计算或查询得到上覆土重力和土体灵敏度大小，计算得到得土体不排水剪切强度su：
su＝(4N-2πD2σv0)/(8απDHst -0.25+21πD2)，其中式中su为土体不排水剪切强度，N为装置进入土体过程中相对位移的平均压力，D为内空外杆(14)横截面直径，σv0为上覆土重力，α为考虑前封板开口的侧面积折减系数，H为内空外杆(14)进入土体高度，st为土体灵敏度大小，取0.9～1.0，π为圆周率。
7.如权利要求6所述的贯入式土体强度及波速联合测试装置的使用方法，其特征在于，还包括步骤二、当探杆(9)插入土体所需位置后，继续将内空内杆(15)缓慢向下插入内空外杆(14)，内空内杆(14)向下行进时，其底部的楔形面挤压主滑块(16)，将弯曲元片自探杆侧向压入土中，检测得到压缩波波速Vp和剪切波波速Vs，计算得到土体的泊松比υ：
Vp/Vs＝[(2-2υ)/(1-2υ)]0.5；
贯入式土体强度及波速联合测试装置包括包括横梁(13)，横梁(13)两端安装有探杆(9)；横梁(13)中部安装有压力传感器(7)和位移传感器(8)；所述探杆(9)包括内空外杆(14)，内空外杆(14)底部安装有锥头(21)，内空外杆(14)内安装有内空内杆(15)，内空外杆(14)底部安装有主滑块(16)，主滑块(16)连接有用于固定发射压电陶瓷弯曲元片(11)或接收压电陶瓷弯曲元片(12)的副滑块(17)；内空外杆(14)上成形有露出副滑块(17)的穿孔(32)；所述内空内杆(15)底部设有与楔形状的主滑块(16)配合的楔形面，便于挤压主滑块(16)和副滑块(17)，从而将弯曲元片插入土体；内空内杆(15)上部安装的梢钉(34)与内空外杆(14)上部设置的竖凹槽(33)配合，便于固定主滑块(16)的方向；内空内杆(15)为便于与弯曲元片连接的线路穿行的内空设计；主滑块(16)前端成形有与副滑块(17)配合的凹槽，中部有便于与弯曲元片连接的线路穿行的竖向中空设计及横向线路穿行孔，左右两端分别设有与前封板(18)对应的用于安装弹簧(27)的弹簧安装孔(24)；为便于主滑块(16)和副滑块(17)稳定连接，在主滑块(16)和副滑块(17)上均成形有主副滑块连接螺孔(25)；所述副滑块(17)前端为与内空外杆(14)尺寸吻合的弧形设计，并设有竖向及横向弯曲元片安装槽，后端与主滑块(16)尺寸吻合，中部有与弯曲元片安装槽贯通的线路穿行孔。
8.如权利要求6所述的贯入式土体强度及波速联合测试装置的使用方法，其特征在于，还包括：
步骤三、将探杆(9)垂直地表插入土体时，水平向安装的弯曲元片沿竖向振动，剪切波水平向传播，测得土体颗粒沿竖向振动时，剪切波沿水平方向传播的剪切波速Vvh；竖向安装的弯曲元片沿水平向振动，剪切波水平向传播，测得土体颗粒沿水平向振动时，剪切波沿水平方向传播的剪切波速Vhh；
步骤四、将探杆(9)平行地表插入土体时，两弯曲元片均沿水平向振动，剪切波竖向传播，可测得土体颗粒沿水平向振动，剪切波沿竖直方向传播的剪切波速Vhv；计算获得各方向的剪切波量G：Gij＝ρVij 2，Gij表示ij方向的剪切波量，ρ为土体密度，Vij为ij方向剪切波速，i表示土体颗粒振动方向，j表示剪切波传播方向；计算得到各剪切模量比值，进而计算得到土体固有的各向异性。
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