CN109736284B - 一种用于评价土体动力特性的振动装置的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用于评价土体动力特性的振动装置，包括振动模块与测试模块，振动模块包括电磁阀、气缸、弹簧、振动重块，测试模块包括侧壁摩擦筒、孔压过滤环和圆锥探头，探头通过压缩氮气瓶提供氮气，由直流/交流电机为系统供电，通过控制器控制探头振动，压力传感器、加速度传感器和地震检波器将信号反馈于控制器进行调节校正，并由计算机接收采集，实时绘制成图。另外，测试模块传感器记录动态锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力等数据，同时绘制于计算机。本发明可以连续、多频、可控地进行原位土体液化和循环软化试验，具有安全、方便、快速、准确、经济等特点，为岩土体动力特性评价提供快捷无损的检测工具，评估土体液化潜力和软化特性。

Description

一种用于评价土体动力特性的振动装置的测试方法

技术领域

本发明属于土体动力强度确定方法的技术领域，特别涉及一种用于评价土体动力特性的振动装置的测试方法。

背景技术

土体在地震等动力荷载下发生振动，土体的强度和变形特性受到影响，容易产生液化和循环软化现象，对地基及建构筑物的安全和稳定造成严重威胁。振动液化是造成场地地震破坏的首要原因之一，是饱和土在动力荷载下丧失原有强度，由于孔隙水压力上升，有效应力减小，土体从固态到液态的变化现象，表现为砂沸、流滑、循环流动性等形式，引发场地地面结构破坏、地下设施上浮或破坏、路基变形过大失稳以及地面不均匀沉降现象。循环荷载作用下，饱和软黏土孔压不断上升，引起土体刚度、强度软化，即循环软化现象，导致土体结构破坏，进而导致上覆建构筑物显著倾斜、突发性震陷及不均匀沉降。

土体动力特性的评估一直受到重视，是岩土工程场地调查必不可少的内容之一。现有的动力特性评估方法通常采用经验方法和室内试验方法。由于经验方法依赖于区域土体性质，而室内试验取样产生扰动，操作、仪器产生较大误差，成本过高、分析周期过长。

静力触探技术至今已有80多年的历史，静力触探技术是指利用压力装置将带有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测试土的锥尖阻力、侧壁摩阻力等，可确定土的某些基本物理力学特性。国际上广泛应用静力触探，部分或全部代替了工程勘察中的钻探和取样。近几年随着传感器技术的快速发展，出现了很多新的静力触探技术，这些技术能够快速、准确地获得土体动力工程特性。国外已将之应用于岩土工程领域。我国在新型静力触探传感器的研究起步比较晚，目前国内还不存在集成一体的原位检测土体动力特性的装置。故提出一种原位振动的振动装置及其测试方法，用于精确评价土体动力工程特性。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种用于评价土体动力特性的振动装置的测试方法，利用振动装置能够进行原位振动，模拟地震波传递，有效地判定土体液化潜力及软化特性，并且能够精确判断土体动力强度。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于评价土体动力特性的振动装置，包括振动模块与测试模块，所述振动模块包括电磁阀、气缸、弹簧、振动重块，所述电磁阀连接气缸，气缸的活塞杆连接振动重块，所述弹簧设置在活塞杆外侧，振动重块下方通过螺栓与测试模块连接，气缸无杆腔连接有压力传感器，在振动重块中设置有垂直地震检波器和水平地震检波器；所述测试模块包括侧壁摩擦筒、孔压过滤环和圆锥探头，所述孔压过滤环和圆锥探头设置在侧壁摩擦筒的下方，侧壁摩擦筒内部设有加速度传感器、地震检波器、孔隙水压力传感器。

其工作原理是：

圆锥探头通过压缩氮气瓶提供氮气，由直流/交流电机为系统供电，并通过控制器控制圆锥探头振动，压力传感器、加速度传感器和地震检波器将信号转换为电信号通过电缆线传输，经信号放大处理，反馈于控制器进行调节校正，并由计算机接收采集，实时绘制成图；另外，测试模块传感器记录动态锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力的数据，同时绘制于计算机。

一种用于评价土体动力特性的振动装置的测试方法，包括以下步骤：

当圆锥探头往地下贯入过程中，通过直流/交流电机为控制器提供电源，控制电磁阀工作，同时压缩氮气瓶向振动装置提供气源，由于电磁阀连续开闭，驱动气缸进行活塞运动，通过弹簧和振动重块驱动圆锥探头振动，圆锥探头直接作用于土体，使土体在贯入过程中连续垂直激振；振动过程中，压力传感器、地震检波器、加速度传感器实时将气压信号、振动信号传输至信号处理器进行放大处理，并反馈给控制器进行实时调控，传输至计算机进行实时数据采集和图形绘制，同步记录动态锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力以及振动频率、振幅、加速度数据，通过与静态参数进行对比分析，评价土体的动力特性。

在振动过程中，可以改变控制器的的定时信号，在0.001秒-9999时范围内调节，从而改变电磁阀开闭时间，使活塞运动频率改变，最终表现为探头振动频率的改变。或者适当增大气压缸或增加弹簧硬度，可以改变推力大小和振幅。

本发明所述电磁阀为圆柱体，用来控制气压活塞运动，从而控制振动频率和振幅。

本发明所述气压缸为圆柱体，直径为30mm。

本发明所述活塞杆为圆柱体，直径为14mm。

本发明所述弹簧为刚性弹簧，用于还原活塞位置，振动重块可更换，质量越大，推力越大。

本发明所述振动模块与测试模块采用螺纹连接，拆卸方便，连接可靠。

本发明所述气缸无杆腔连接有压力传感器，用于将气压缸无杆腔的压力信号传输给控制器，以实时调控气缸压力。

本发明所述地震检波器分别设置有水平和垂直两个方向，水平地震检波器用于确定剪切波速，垂直地震检波器分别接收振动模块本身和实际表现在土体中的振动信号。

本发明所述加速度传感器位于探头上部，通过电缆传输至信号处理器进行放大处理，并传输至控制器和计算机。

本发明所述控制器通过定时装置调节定时信号，可在0.001秒-9999时范围内调节，控制压缩氮气。

本发明的有益效果是：

本发明弥补国内土体原位测试无法进行土体动力工程特性评价的缺陷，可以连续、多频、可控地进行原位土体液化和循环软化试验，具有安全、原位、方便、快速、准确、经济等特点，为岩土体动力特性评价提供快捷有力的检测工具，评估土体液化潜力和软化特性。

附图说明

图1是本发明的振动探头的结构图；

图2是本发明的系统流程图。

附图标记列表：

1、电磁阀，2、气缸，3、活塞杆，4、弹簧，5、振动重块，6、螺栓，7、压力传感器，8、垂直地震检波器，9、水平地震检波器， 10、加速度传感器，11、地震检波器，12、孔隙水压力传感器，13、侧壁摩擦筒，14、孔压过滤环，15、圆锥探头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图所示，本发明所述的一种用于评价土体动力特性的振动装置，包括：电磁阀1，气缸2，活塞杆3，弹簧4，振动重块5，并通过螺栓6与测试模块连接；气缸无杆腔连接有压力传感器7，在振动重块中设置有垂直地震检波器8和水平地震检波器9；在探头的下半部测试模块设有侧壁摩擦筒13，内部设有加速度传感器10，地震检波器11，孔隙水压力传感器12，在侧壁摩擦筒13的下方连接有孔压过滤环14和圆锥探头15。圆锥探头通过压缩氮气瓶提供氮气，由直流/交流电机为系统供电，并通过控制器控制探头振动，压力传感器、加速度传感器和地震检波器将信号转换为电信号通过电缆线传输，经信号放大处理，反馈于控制器进行调节校正，并由计算机接收采集，实时绘制成图。另外，测试模块传感器记录动态锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力等数据，同时绘制于计算机。

通过本发明所述的振动装置来测试土体动力的方法：

首先，在室内进行标定试验，选择合适的气压、电源以及频率、振幅。在探头实际贯入过程中，通过直流/交流电机为控制器提供电源，控制电磁阀工作。同时压缩氮气瓶向装置提供气源，由于电磁阀连续开闭，驱动气压缸活塞运动，通过弹簧-重块激振模块驱动探头振动，探头直接作用于土体，使土体在贯入过程中连续垂直激振。改变控制器的的定时信号，可在0.001秒-9999时范围内调节，从而改变电磁阀开闭时间，使活塞运动频率改变，最终表现为探头振动频率的改变。适当增大气压缸或增加弹簧硬度，可以改变推力大小和振幅。振动过程中，压力传感器采集气压缸压力变化，地震检波器采集振动信号，连接的加速度传感器采集振动加速度数据。各传感器采集的数据经信号放大处理反馈给控制器进行实时调控，并传输至计算机进行实时数据采集和锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力以及振动频率和振幅等图形的绘制，将动态试验参数与静态试验参数进行对比分析，从而评价土体动力特性。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (6)

1.一种用于评价土体动力特性的振动装置的测试方法，其特征在于：该振动装置包括振动模块与测试模块，所述振动模块包括电磁阀、气缸、弹簧、振动重块，所述电磁阀连接气缸，气缸的活塞杆连接振动重块，所述弹簧设置在活塞杆外侧，振动重块下方通过螺栓与测试模块连接，气缸无杆腔连接有压力传感器，在振动重块中设置有垂直地震检波器和水平地震检波器；所述测试模块包括侧壁摩擦筒、孔压过滤环和圆锥探头，所述孔压过滤环和圆锥探头设置在侧壁摩擦筒的下方，侧壁摩擦筒内部设有加速度传感器、地震检波器、孔隙水压力传感器；

该测试方法包括以下步骤：

当圆锥探头往地下贯入过程中，通过直流/交流电机为控制器提供电源，控制电磁阀工作，同时压缩氮气瓶向振动装置提供气源，由于电磁阀连续开闭，驱动气缸进行活塞运动，通过弹簧和振动重块驱动圆锥探头振动，圆锥探头直接作用于土体，使土体在贯入过程中连续垂直激振；振动过程中，压力传感器、地震检波器、加速度传感器实时将气压信号、振动信号传输至信号处理器进行放大处理，并反馈给控制器进行实时调控，传输至计算机进行实时数据采集和图形绘制，同步记录动态锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力以及振动频率、振幅、加速度数据，通过与静态参数进行对比分析，评价土体的动力特性。

2.根据权利要求1所述的一种用于评价土体动力特性的振动装置的测试方法，其特征在于：所述电磁阀为圆柱体。

3.根据权利要求1所述的一种用于评价土体动力特性的振动装置的测试方法，其特征在于：所述气压缸为圆柱体，直径为30mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于评价土体动力特性的振动装置的测试方法，其特征在于：所述活塞杆为圆柱体，直径为14mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于评价土体动力特性的振动装置的测试方法，其特征在于：所述弹簧为刚性弹簧。

6.根据权利要求1所述的一种用于评价土体动力特性的振动装置的测试方法，其特征在于：在测试方法中，所述控制器通过定时装置调节定时信号，定时信号在0.001秒-9999小时范围内调节，控制压缩氮气。

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