CN108344852A - 一种k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验装置及方法，该装置包括各向异性弯曲元剪切波速测试子系统、模型箱、竖向振动台、电液伺服加载系统、反力架和加载板；本发明利用竖向振动台的驱动以改变模型箱内土样的相对密度，通过各向异性弯曲元剪切波速测试子系统测试k0状态土样在上覆荷载相同时不同相对密度对应的水平向和竖向剪切波速，克服了以往一个试样一般只能得到一个相对密度与剪切波速的数据点和现有试验设备无法测试大粒径无黏性土(如砂砾土)各向异性剪切波速等缺点；试验装置适用范围更广，测试更简便，节省了人力物力，大幅度提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明属于土工试验领域，尤其涉及一种k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验装置及方法。
背景技术
土层中的剪切波速是衡量土力学性能的综合指标，土的剪切波速受土的结构性、孔隙比、有效应力、应力历史和埋藏条件等因素影响，与抗液化能力也具有很强的相关性，因此剪切波速逐渐发展为液化判别的一种基本指标。室内试验中，可以采用弯曲元、共振柱和动三轴等试验手段测量，而现场通过下孔法、跨孔法和面波分析等方法获得。相对密度是控制与评价无黏性土工程性质的重要指标，是在实际工程设计施工与试验研究中广泛使用的土力学概念。一般用作衡量无黏性土的疏密程度，并综合考虑了孔隙比，颗粒形状和颗粒级配等性质的作用。其直接影响无黏性土的抗液化能力，是影响无黏性土力学性质的本质属性。
自然界中，天然土体在形成的过程中或多或少存在变异性，土既不是各向同性的，也不是均质的，而是表现出明显的各向异性，越来越多的学者发现无粘性土的各向异性对其力学性质影响显著。截止目前，对于k0状态下无黏性土各向异性对剪切模量的影响相关研究很少，因此很有必要开展系统的试验研究。
控制相对密度条件下，研究无黏性土的剪切波速是解决其剪切波速液化判别问题的重要技术手段。对于沙土等细颗粒无黏性土，类似研究一般借助共振柱试验机或者安装有弯曲元的三轴试验系统，按一定相对密度配置试样，然后安装固结，测试土样的剪切波速。无黏性土的剪切波速测试验广泛开展，但试验装置在技术和操作上仍存在些不足：
(1)模型试验装置在不改变应力条件的情况下，一个试样一般只能得到一个相对密度与剪切波速的数据点，费时费力。
(2)砾性土试样大于沙土试样数倍，现有试验设备不支持大直径无黏性土剪切波速的测量，限制了试验土类。
(3)三轴试样制样与试验周期长，试验时间成本高，设备昂贵，不利于开展大规模试验研究。
(4)模型试验装置不能测试无黏性土各向异性剪切波速。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验装置，解决现有装置在不改变应力条件的情况下，一个试样土样只能得到一个相对密度与剪切波速的数据点、无法根据研究需要测试土样各向异性剪切波速以及不适于测试粒径较大的砾性土的剪切波速的问题，本发明的另一目的在于提供一种k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验装置，包括各向异性弯曲元剪切波速测试子系统、模型箱、竖向振动台、电液伺服加载系统、反力架和加载板；
所述各向异性弯曲元剪切波速测试子系统包括水平向激发弯曲元、水平向接收弯曲元、竖向激发弯曲元、竖向接收弯曲元、函数发生器、压电线性放大器、电荷放大器和示波器；
所述模型箱固定在竖向振动台上，模型箱内填充土样，所述土样顶部放置加载板；所述电液伺服加载系统上抵反力架，下抵加载板；所述加载板将电液伺服加载系统的压力传至土样，使土样所受竖向压力均匀分布；
所述竖向激发弯曲元固定在加载板底面中心的凹槽内；所述竖向接收弯曲元固定在模型箱底板中心的凹槽内；所述水平向激发弯曲元和水平向接收弯曲元分别通过有机玻璃护筒固定在模型箱两个相对的侧壁上，且位置正对；
所述压电线性放大器的输入端连接函数发生器，输出端分为三路，第一路与水平向激发弯曲元相连，第二路与竖向激发弯曲元相连，第三路与示波器相连；
所述电荷放大器的输入端分别连接水平向接收弯曲元、竖向接收弯曲元，输出端连接示波器。
进一步地，所述模型箱采用实心铝板，通过螺栓拼接成无盖箱体结构；模型箱侧面环箍加强铝肋条，可以有效限制试样的侧向变形，保证试样在高应力条件下仍处于k0状态。
进一步地，所述加载板采用双层铝板，中间夹有肋条网格。
进一步地，所述水平向激发弯曲元、水平向接收弯曲元、竖向激发弯曲元、竖向接收弯曲元外表面包裹环氧树脂，以实现电磁屏蔽；接线端均通过密封胶进行固定，无接线的一端作为自由端，呈悬臂状插入土样中。
进一步地，所述压电线性放大器采用高速双极性功率放大器，其输出端为三通形式；所述函数发生器采用任意函数发生器，可以产生不同形状、频率、激发周期等参数的波形，且激发信号能够保持很高的精度；所述示波器采用双通道数字示波器，可以同时对输入、输出信号进行高分辨率显示、采集和存储。
进一步地，所述竖向振动台采用偏心转子激励的竖向振动台。
进一步地，通过控制竖向振动台的振动幅度、频率与振动时长，使模型箱内的土样振动加密，进而控制试验过程中土样在上覆压力不变的条件下改变相对密度。
进一步地，所述各向异性弯曲元剪切波速测试子系统在竖向振动台停机稳定后，准确地测试模型箱内土样中的水平向和竖向剪切波速。
一种k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验方法，该方法包括以下步骤：
第一步：系统延时的标定，采用标定空载传播时间的方法标定信号在各仪器中的传播时间，消除系统误差，包括：
(1.1)令水平向激发弯曲元、水平向接收弯曲元的自由端接触而不挤压，然后调整不同激发频率，通过各向异性弯曲元剪切波速测试子系统采集信号，读取信号在各仪器部件中的运行总时间Δt2；令竖向激发弯曲元、竖向接收弯曲元的自由端接触而不挤压，然后调整不同激发频率，通过各向异性弯曲元剪切波速测试子系统采集信号，读取信号在各仪器部件中的运行总时间Δt2；
(1.2)建立信号在各仪器部件中的运行总时间Δt2与不同激发频率的关系式；
第二步：土样制备及不同相对密度下土样各向异性剪切波速测量
(2.1)组装模型箱，将模型箱安装在竖向振动台的台面上，利用竖向振动台制备成型最小干密度土样；
(2.2)安装水平向激发弯曲元、水平向接收弯曲元、竖向激发弯曲元、竖向接收弯曲元；测量水平向和竖向剪切波有效传播距离L0；
(2.3)利用各向异性弯曲元剪切波速测试子系统测试最小干密度下土样的剪切波名义到时差Δt，具体为：
先利用函数发生器为水平向或竖向布置的激发弯曲元提供激励脉冲电压信号，经过压电线性放大器将信号放大，信号从压电线性放大器分三路并联输出，第一路作为水平向激发弯曲元的激励信号，第二路作为竖向激发弯曲元的激励信号，第三路流向示波器，通过示波器采集激励信号；
水平向和竖向布置的激发弯曲元接收到激励信号产生振动，该振动以剪切波的形式传递至水平向和竖向接收弯曲元，引发水平向和竖向接收弯曲元中的电信号响应，从而实现了电信号与机械信号间的二次转化；水平向或竖向接收弯曲元中的电信号响应通过电荷放大器放大，通过示波器采集放大后的接收信号；
通过激励信号与接收信号相应信号点的时间差确定剪切波名义到时差Δt，通过下式修正得到剪切波在土样中的实际传播到时差Δt1，即实验中需要获取的结果：
Δt1＝Δt-Δt2 (1)
按下式求得剪切波速vs：
vs＝L0/Δt1 (2)
(2.4)启动竖向振动台，使土样振动加密，通过控制振动幅度与振动时长，改变处于k0状态下的土样的相对密度，但不改变土样的上覆压力，待停机稳定后，测量土样的竖向位移，根据土样的竖向位移重新算得竖向剪切波有效传播距离L0和土样的相对密度，再利用步骤(2.3)的操作方法测试该相对密度下土样的各向异性剪切波名义到时差Δt，按式(2)计算水平向和竖向的剪切波速vs。
(2.5)重复步骤(2.4)，测试k0条件下土样在不同相对密度下的水平向和竖向剪切波速，直至土样达到规范要求的最大干密度；
(2.6)计算整理各组相对密度与剪切波速。
所述步骤(2.2)安装激发弯曲元和接收弯曲元时要严格对准仪器上的方向标志，确保激发元与接收元平行。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明利用竖向振动台的驱动以改变模型箱内土样的相对密度，通过各向异性弯曲元剪切波速测试子系统测试k0状态土样在上覆荷载相同时不同相对密度对应的水平向和竖向剪切波速，克服了以往一个试样一般只能得到一个相对密度与剪切波速的数据点和现有试验设备无法测试大粒径无黏性土(如砂砾土)各向异性剪切波速等缺点；试验装置适用范围更广，测试方法更简便，节省了人力物力，大幅度提高了工作效率。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置的模型箱详图；
图中，电液伺服加载系统1；竖向振动台2；各向异性弯曲元测试子系统3；加载板4；土样5；有机玻璃护筒6；水平向布置的接收弯曲元7；水平向布置的激发弯曲元8；模型箱9；竖向布置的接收弯曲元10；竖向布置的激发弯曲元11；示波器12；反力架13；压电线性放大器14；函数发生器15；加强铝肋条16；电荷放大器17。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1、2所示，本发明提供的一种k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验装置，包括各向异性弯曲元剪切波速测试子系统3、模型箱9、竖向振动台2、电液伺服加载系统1、反力架13和加载板4；
所述各向异性弯曲元剪切波速测试子系统3包括水平向激发弯曲元8、水平向接收弯曲元7、竖向激发弯曲元11、竖向接收弯曲元10、函数发生器15、压电线性放大器14、电荷放大器17和示波器12；
所述模型箱9固定在竖向振动台2上，模型箱9内填充土样5，所述土样5顶部放置加载板4；所述电液伺服加载系统1上抵反力架13，下抵加载板4；所述加载板4将电液伺服加载系统1的压力传至土样5，使土样5所受竖向压力均匀分布；
所述竖向激发弯曲元11固定在加载板4底面中心的凹槽内；所述竖向接收弯曲元10固定在模型箱9底板中心的凹槽内；所述水平向激发弯曲元8和水平向接收弯曲元7分别通过有机玻璃护筒6固定在模型箱9两个相对的侧壁上，且位置正对；
所述压电线性放大器14的输入端连接函数发生器15，输出端分为三路，第一路与水平向激发弯曲元8相连，第二路与竖向激发弯曲元11相连，第三路与示波器12相连；
所述电荷放大器17的输入端分别连接水平向接收弯曲元7、竖向接收弯曲元10，输出端连接示波器12。
所述模型箱9采用实心铝板，通过螺栓拼接成无盖箱体结构；模型箱9侧面环箍加强铝肋条16，可以有效限制试样的侧向变形，保证试样在高应力条件下仍处于k0状态。3.根据权利要求1所述的k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验装置，其特征在于：所述加载板4采用双层铝板，中间夹有肋条网格。
所述水平向激发弯曲元8、水平向接收弯曲元7、竖向激发弯曲元11、竖向接收弯曲元10外表面包裹环氧树脂，以实现电磁屏蔽；接线端均通过密封胶进行固定，无接线的一端作为自由端，呈悬臂状插入土样5中。
所述压电线性放大器14采用高速双极性功率放大器，其输出端为三通形式；所述函数发生器15采用任意函数发生器，可以产生不同形状、频率、激发周期等参数的波形，且激发信号能够保持很高的精度；所述示波器12采用双通道数字示波器，可以同时对输入、输出信号进行高分辨率显示、采集和存储。
所述竖向振动台2采用偏心转子激励的竖向振动台。
通过控制竖向振动台2的振动幅度、频率与振动时长，使模型箱9内的土样5振动加密，进而控制试验过程中土样5在上覆压力不变的条件下改变相对密度。
所述各向异性弯曲元剪切波速测试子系统3在竖向振动台2停机稳定后，准确地测试模型箱9内土样5中的水平向和竖向剪切波速。
本发明提供的一种k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验方法，包括以下步骤：
第一步：系统延时的标定，采用标定空载传播时间的方法标定信号在各仪器中的传播时间，消除系统误差，包括：
(1.1)令水平向激发弯曲元8、水平向接收弯曲元7的自由端接触而不挤压，然后调整不同激发频率，通过各向异性弯曲元剪切波速测试子系统3采集信号，读取信号在各仪器部件中的运行总时间Δt2；令竖向激发弯曲元11、竖向接收弯曲元10的自由端接触而不挤压，然后调整不同激发频率，通过各向异性弯曲元剪切波速测试子系统3采集信号，读取信号在各仪器部件中的运行总时间Δt2；
(1.2)建立信号在各仪器部件中的运行总时间Δt2与不同激发频率的关系式；
第二步：土样制备及不同相对密度下土样各向异性剪切波速测量
(2.1)组装模型箱，将模型箱9安装在竖向振动台2的台面上，按《土工试验规程》(SL-237-1999)中“粗粒土相对密度试验”要求，利用竖向振动台2制备成型最小干密度土样；
(2.2)安装水平向激发弯曲元8、水平向接收弯曲元7、竖向激发弯曲元11、竖向接收弯曲元10；测量水平向和竖向剪切波有效传播距离L0；
(2.3)利用各向异性弯曲元剪切波速测试子系统3测试最小干密度下土样的剪切波名义到时差Δt，具体为：
先利用函数发生器15为水平向或竖向布置的激发弯曲元提供激励脉冲电压信号，经过压电线性放大器14将信号放大，信号从压电线性放大器14分三路并联输出，第一路作为水平向激发弯曲元8的激励信号，第二路作为竖向激发弯曲元11的激励信号，第三路流向示波器12，通过示波器12采集激励信号；
水平向和竖向布置的激发弯曲元接收到激励信号产生振动，该振动以剪切波的形式传递至水平向和竖向接收弯曲元，引发水平向和竖向接收弯曲元中的电信号响应，从而实现了电信号与机械信号间的二次转化；水平向或竖向接收弯曲元中的电信号响应通过电荷放大器17放大，通过示波器12采集放大后的接收信号；
通过激励信号与接收信号相应信号点的时间差确定剪切波名义到时差Δt，通过下式修正得到剪切波在土样5中的实际传播到时差Δt1，即实验中需要获取的结果：
Δt1＝Δt-Δt2 (1)
按下式求得剪切波速vs：
vs＝L0/Δt1 (2)
(2.4)启动竖向振动台2，使土样5振动加密，通过控制振动幅度与振动时长，改变处于k0状态下的土样5的相对密度，但不改变土样5的上覆压力，待停机稳定后，测量土样5的竖向位移，根据土样5的竖向位移重新算得竖向剪切波有效传播距离L0和土样5的相对密度，再利用步骤(2.3)的操作方法测试该相对密度下土样的各向异性剪切波名义到时差Δt，按式(2)计算水平向和竖向的剪切波速vs。
(2.5)重复步骤(2.4)，测试k0条件下土样5在不同相对密度下的水平向和竖向剪切波速，直至土样5达到规范要求的最大干密度；
(2.6)计算整理各组相对密度与剪切波速。
所述步骤(2.2)安装激发弯曲元和接收弯曲元时要严格对准仪器上的方向标志，确保激发元与接收元平行。
Claims (10)
1.一种k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验装置，其特征在于：该装置包括各向异性弯曲元剪切波速测试子系统(3)、模型箱(9)、竖向振动台(2)、电液伺服加载系统(1)、反力架(13)和加载板(4)；
所述各向异性弯曲元剪切波速测试子系统(3)包括水平向激发弯曲元(8)、水平向接收弯曲元(7)、竖向激发弯曲元(11)、竖向接收弯曲元(10)、函数发生器(15)、压电线性放大器(14)、电荷放大器(17)和示波器(12)；
所述模型箱(9)固定在竖向振动台(2)上，模型箱(9)内填充土样(5)，所述土样(5)顶部放置加载板(4)；所述电液伺服加载系统(1)上抵反力架(13)，下抵加载板(4)；所述加载板(4)将电液伺服加载系统(1)的压力传至土样(5)，使土样(5)所受竖向压力均匀分布；
所述竖向激发弯曲元(11)固定在加载板(4)底面中心的凹槽内；所述竖向接收弯曲元(10)固定在模型箱(9)底板中心的凹槽内；所述水平向激发弯曲元(8)和水平向接收弯曲元(7)分别通过有机玻璃护筒(6)固定在模型箱(9)两个相对的侧壁上，且位置正对；
所述压电线性放大器(14)的输入端连接函数发生器(15)，输出端分为三路，第一路与水平向激发弯曲元(8)相连，第二路与竖向激发弯曲元(11)相连，第三路与示波器(12)相连；
所述电荷放大器(17)的输入端分别连接水平向接收弯曲元(7)、竖向接收弯曲元(10)，输出端连接示波器(12)。
2.根据权利要求1所述的k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验装置，其特征在于：所述模型箱(9)采用实心铝板，通过螺栓拼接成无盖箱体结构；模型箱(9)侧面环箍加强铝肋条(16)，可以有效限制试样的侧向变形，保证试样在高应力条件下仍处于k0状态。
3.根据权利要求1所述的k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验装置，其特征在于：所述加载板(4)采用双层铝板，中间夹有肋条网格。
4.根据权利要求1所述的k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验装置，其特征在于：所述水平向激发弯曲元(8)、水平向接收弯曲元(7)、竖向激发弯曲元(11)、竖向接收弯曲元(10)外表面包裹环氧树脂，以实现电磁屏蔽；接线端均通过密封胶进行固定，无接线的一端作为自由端，呈悬臂状插入土样(5)中。
5.根据权利要求1所述的k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验装置，其特征在于：所述压电线性放大器(14)采用高速双极性功率放大器，其输出端为三通形式；所述函数发生器(15)采用任意函数发生器，可以产生不同形状、频率、激发周期等参数的波形，且激发信号能够保持很高的精度；所述示波器(12)采用双通道数字示波器，可以同时对输入、输出信号进行高分辨率显示、采集和存储。
6.根据权利要求1所述的k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验装置，其特征在于：所述竖向振动台(2)采用偏心转子激励的竖向振动台。
7.根据权利要求1所述的k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验装置，其特征在于：通过控制竖向振动台(2)的振动幅度、频率与振动时长，使模型箱(9)内的土样(5)振动加密，进而控制试验过程中土样(5)在上覆压力不变的条件下改变相对密度。
8.根据权利要求1所述的k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验装置，其特征在于：所述各向异性弯曲元剪切波速测试子系统(3)在竖向振动台(2)停机稳定后，准确地测试模型箱(9)内土样(5)中的水平向和竖向剪切波速。
9.一种k0条件下无黏性土各向异性剪切波速与相对密度联合测试的试验方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
第一步：系统延时的标定，采用标定空载传播时间的方法标定信号在各仪器中的传播时间，消除系统误差，包括：
(1.1)令水平向激发弯曲元(8)、水平向接收弯曲元(7)的自由端接触而不挤压，然后调整不同激发频率，通过各向异性弯曲元剪切波速测试子系统(3)采集信号，读取信号在各仪器部件中的运行总时间Δt2；令竖向激发弯曲元(11)、竖向接收弯曲元(10)的自由端接触而不挤压，然后调整不同激发频率，通过各向异性弯曲元剪切波速测试子系统(3)采集信号，读取信号在各仪器部件中的运行总时间Δt2；
(1.2)建立信号在各仪器部件中的运行总时间Δt2与不同激发频率的关系式；
第二步：土样制备及不同相对密度下土样各向异性剪切波速测量
(2.1)组装模型箱，将模型箱(9)安装在竖向振动台(2)的台面上，利用竖向振动台(2)制备成型最小干密度土样；
(2.2)安装水平向激发弯曲元(8)、水平向接收弯曲元(7)、竖向激发弯曲元(11)、竖向接收弯曲元(10)；测量水平向和竖向剪切波有效传播距离L0；
(2.3)利用各向异性弯曲元剪切波速测试子系统(3)测试最小干密度下土样的剪切波名义到时差Δt，具体为：
先利用函数发生器(15)为水平向或竖向布置的激发弯曲元提供激励脉冲电压信号，经过压电线性放大器(14)将信号放大，信号从压电线性放大器(14)分三路并联输出，第一路作为水平向激发弯曲元(8)的激励信号，第二路作为竖向激发弯曲元(11)的激励信号，第三路流向示波器(12)，通过示波器(12)采集激励信号；
水平向和竖向布置的激发弯曲元接收到激励信号产生振动，该振动以剪切波的形式传递至水平向和竖向接收弯曲元，引发水平向和竖向接收弯曲元中的电信号响应，从而实现了电信号与机械信号间的二次转化；水平向或竖向接收弯曲元中的电信号响应通过电荷放大器(17)放大，通过示波器(12)采集放大后的接收信号；
通过激励信号与接收信号相应信号点的时间差确定剪切波名义到时差Δt，通过下式修正得到剪切波在土样(5)中的实际传播到时差Δt1，即实验中需要获取的结果：
Δt1＝Δt-Δt2 (1)
按下式求得剪切波速vs：
vs＝L0/Δt1 (2)
(2.4)启动竖向振动台(2)，使土样(5)振动加密，通过控制振动幅度与振动时长，改变处于k0状态下的土样(5)的相对密度，但不改变土样(5)的上覆压力，待停机稳定后，测量土样(5)的竖向位移，根据土样(5)的竖向位移重新算得竖向剪切波有效传播距离L0和土样(5)的相对密度，再利用步骤(2.3)的操作方法测试该相对密度下土样的各向异性剪切波名义到时差Δt，按式(2)计算水平向和竖向的剪切波速vs。
(2.5)重复步骤(2.4)，测试k0条件下土样(5)在不同相对密度下的水平向和竖向剪切波速，直至土样(5)达到规范要求的最大干密度；
(2.6)计算整理各组相对密度与剪切波速。
10.根据权利要求9所述的试验方法，其特征在于：所述步骤(2.2)安装激发弯曲元和接收弯曲元时要严格对准仪器上的方向标志，确保激发元与接收元平行。
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