CN111122087A - 一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定系统及方法，包括：频率可变的振动台；固定在振动台上用于在横向约束保护土体试件的试件固定装置；用于在测试时置于土体试件之上、起到配重作用的质量块；测定振动试验过程中试件与筒壁试件之间的摩擦力峰值的土压力盒；用于采集振动过程中土体试件及质量块的位移、速度与加速度信号的信号采集装置。本发明考虑试件与试模壁间摩擦力的因素，基于此建立振动微分方程，其影响因素考虑更为全面，求解结果更加精准。

Description

一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定系统及方法

技术领域

本发明涉及道路施工技术领域，尤其涉及一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

压实度是衡量土方路基压实质量的常规检测指标。通常，路基碾压结束后通过灌砂法或核子仪法检测压实度。碾压结束后再检测压实度的缺点是，碾压过程中每一小的局部区域压实质量不能实时获知，如果检测后才发现压实段落的质量不合格的话，由于种种原因很可能无法进行返工碾压弥补工程缺陷，从而造成工程质量隐患。

因此，及时掌握压实过程中的压实质量变化情况对于避免工程缺陷而言意义重大。

近些年，智能压实成为行业的研究热点与新施工技术。智能压实的显著特点之一就是实时获知压实过程中而不是压实结束后的压实质量状况。压路机通过施加振动荷载使路基得以压实，从动力学角度讲，压路机、被压实路基构成一振动系统。描述振动系统的基本参数是刚度系数与粘性阻尼系数。土方从松散到密实就是土体的刚度系数与粘性阻尼系数不断变化的过程。当从动力学角度分析土方路基压实质量变化时，就需要分析不同压实度状态的土样上述两个系数的测定问题。

现有技术研制开发土体刚度仪用以确定土体干密度，检测路基压实质量。通过测量土体表层阻抗得出应力应变之比，从而得出刚度变化情况。但是检测过程受制于测量表层土体应力应变情况，具有一定局限性。目前的阻尼系数测定方法亦难以精准建立阻尼与固有频率之间的相互关系。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定系统及方法，能够更加精准方便地实现刚度与粘性阻尼系数的联合测定。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定系统，包括：

频率可变的振动台；

固定在振动台上用于在横向约束保护土体试件的试件固定装置；

用于在测试时置于土体试件之上、起到配重作用的质量块；

测定振动试验过程中试件与筒壁试件之间的摩擦力峰值的土压力盒；

用于采集振动过程中土体试件及质量块的位移、速度与加速度信号的信号采集装置。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定方法，包括：

基于压实土体试件振动试验的运动状态，考虑土体试件与试件固定装置内壁之间的库伦摩擦力，建立单自由度振动微分方程；

利用方程代换及复指数法构造微分方程，求取土体试件相对运动产生的位移幅值放大系数的表达式，进而分别得出对应的速度及加速度放大系数表达式；

通过调整振动台输入激励频率，分别采集土体试件与振动台发生位移共振、速度共振以及加速度共振时的振动台频率；

基于得到的共振频率求解土体试件本身的刚度系数与粘性阻尼系数。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明考虑试件与试模壁间摩擦力的因素，基于此建立振动微分方程，其影响因素考虑更为全面，求解结果更加精准。

本发明提供一种室内测定装置，质量块及试模等具体设置保障了土体的竖向微小振动，试验可操作性更强，所得数据可靠性更优。

现有技术测定因素较为单一，通常只考虑土体刚度或阻尼比，本发明同时进行压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定，避免了繁重冗余的试验量，有着更加广泛的工程应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例一中压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定系统结构示意图；

图2为本发明实施例一中实际土体式样振动时所简化的力学模型图；

图3为本发明实施例一中土体式样与质量块的受力分析图；

其中，1.振动台，2.试件固定装置，3.固定螺丝，4.土体试件，5.质量块。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定系统，参照图1，包括：

频率可变的振动台1；

固定在振动台上用于在横向约束保护土体试件的试件固定装置2；

用于在测试时置于土体试件之上、起到配重作用的质量块5；

测定振动试验过程中试件与筒壁之间的摩擦力峰值的土压力盒；

用于采集振动过程中整个试件振动系统(试件及配重质量块)的位移、速度与加速度信号的信号采集装置。

具体地，频率ω可变的振动台1振幅为b，沿垂直方向运动，运动的位移方程为z(t)＝bsinωt；式中，t为时间。

将压实的土体试件4脱模后置于试件固定装置2内，试件固定装置2通过固定螺丝3与振动台1固定在一起，随振动台1同频振动，其作用为横向约束保护试件，使土体试件4在试件固定装置2内的运动过程中不会受到损坏；为保障土体试件4能自由产生相对运动；

本实施例中，试件固定装置2为圆筒状试模，为保障试件能自由产生相对于试模的相对运动，试模底端与振动台1台面有3mm间隔，即土体试件4底部凸出试模3mm。为减小试模筒内壁对土体试件的摩擦阻力，在筒壁上涂抹润滑油。

首先将击实成型的的土体试件4连同试模放置在脱模器上，并在其上对齐放置另一个内壁已经涂抹润滑油的相同试模，然后用千斤顶对顶托土体试件，将土体试件顶托到涂抹过润滑剂的试模内，并使土体试件下部外漏3mm。将该试模及其内部的土体试件通过试模外壁用螺丝装置固定在振动台1上，调节螺丝装置高度，使试模壁与振动台1间距3mm，使试件紧贴振动台1台面。

在振动过程中，为保证试件本身能够振动产生变形，需在试件表面附加一质量块5(与土体试件直径相同，作为配重物块使用)给土体试件施加一定的荷载，质量块质量为m₂与m₁的的质量相当。本实施例在试件顶面放置重力与试件相当的铸铁圆盘物块，土体试件和质量块共同构成振动系统，其质量为m＝m₁+m₂。为保证土体试件4在振动过程中不跳离振动台1台面，准确测得土体试件4变形信号，也为了避免振动过程中圆盘质量块发生偏移，采用石材胶粘附圆盘于试件表面，使圆盘质量块跟试件良好的耦合在一起。

土压力盒，用于测定振动试验过程中土体试件与筒壁之间的摩擦力峰值。振动试验前与试验结束后，分别将土压力盒非受力面与千斤顶接触，接触表面用金属粘接胶固定，在土压力盒与试件间放置阻隔塞，并在土压力盒接触面上涂抹润滑材料。给千斤顶施加油压，利用千斤顶试件迅速地上推土体试件与配重物块，读取土压力最大数值，该值减去试件与配重物块重力即为筒壁与试件间最大摩擦力；取试验前后两次测试结果的算数平均值作为试件振动过程中的摩擦力幅值。上述结构中，由下至上依次设置为：千斤顶、土压力盒、阻隔塞和土体试件。

利用信号采集装置(测振仪)采集振动过程中整个试件振动系统(包括土体试件和质量块)的位移、速度与加速度信号为后续刚度系数及粘性阻尼系数的求解奠定基础。

实施例二

基于实施例一中的系统采集到的振动过程中整个试件振动系统的位移、速度与加速度信号，在一个或多个实施方式中，公开一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定方法，包括如下过程：

基于压实土体试件振动试验的运动状态，考虑土体试件与试件固定装置内壁之间的库伦摩擦力，建立单自由度振动微分方程；

利用方程代换及复指数法构造微分方程，求取土体试件相对运动产生的位移幅值放大系数的表达式，进而分别得出对应的速度及加速度放大系数表达式；

通过调整振动台输入激励频率，分别采集土体试件与振动台发生位移共振、速度共振以及加速度共振时的振动台频率；

基于得到的共振频率求解土体试件本身的刚度系数与粘性阻尼系数。

具体地，本实施例考虑振动试验时土体试件与试模壁之间的摩擦力，并利用千斤顶及土压力盒等装置按上述方法进行测定，测得的摩擦力作为振动试验过程中土体试件与试模筒壁因相对运动而产生的摩擦力幅值。

基于压实土体振动试验运动状态，考虑土体试件与试模壁之间的库伦摩擦力，建立单自由度振动微分方程，进而求解该振动微分方程。

利用方程代换及复指数法构造微分方程，求取试件相对运动产生的位移幅值放大系数β的表达式，进而可分别得出其对应的速度及加速度放大系数ωβ、ω²β的表达式关系。

利用共振法，即当激振频率与结构固有频率重合时，会产生共振现象，通过调整振动台输入激励频率，分别采集该压实土体系统发生位移共振(位移振幅极大值)、速度共振(速度振幅极大值)、加速度共振(加速度振幅极大值)时的频率，进而利用上述共振频率求解土体试件本身的刚度系数与粘性阻尼系数。

下面对具体的实现方法进行详细说明。

首先测定筒壁与土体试件之间的摩擦力，测得的摩擦力作为振动试验过程中土体试件与试模筒壁因相对运动而产生的摩擦力幅值。土体试件在振动过程中受到筒壁产生的摩擦力呈谐波变化，频率与振动台振动频率相同，如式(1)所示。

F＝asinωt (1)

式中，a-土体试件与试模筒壁上下相对运动产生的阻尼力幅值，单位KN；ω-振动台的振动圆频率，单位rad/s。

进行振动试验前的准备工作，准备就绪后，开启振动台，试件开始振动，变化振动台的频率，测得压实土体振动响应信号，对振动信号进行滤波处理与频域分析，得出频域信号，在频域信号中识别压实土体振动过程中的位移共振频率ω₁、速度共振频率ω₂、加速度共振频率ω₃。

因具有一定压实度的土体试件不可能是完全的纯弹性体，在振动过程中因自身重力与质量块重力的作用必然会发生一定程度的轻微变形，这种轻微变形可以进一步看作是由轻微的弹性变形与粘性变形两部分构成。因此，实际试件振动时可简化为图2所示模型。

对土体试件与质量块进行受力分析，建立图3所示坐标系，选取静平衡位置为坐标原点O，建立固定坐标轴Ox，以铅锤向下为正方向。

建立动力学微分方程，如式(2)所示。

式中，l＝a/b，为试模筒壁和试件之间阻尼力幅值与振动台振幅的比；d²＝l/m，其中m为试件块的质量，即土体试件湿质量与圆盘物块质量之和；

其中k为土体试件的刚度系数；2n＝c/m，c为土体试件的粘性阻尼力系数；

为相位差。

令：

则式(2)变为：

求解方程(4)，得到其特解x^*(稳态解)：

式中，

将

带入式(5)整理得到：

式中，

其中，

令放大系数

则

式(3)进一步变化为：

由式(6)、(8)得到：

为简化，令

则式(7)变为：

β是试件相对运动产生的位移幅值放大系数，对应的速度与加速度放大系数分别为ωβ、ω²β。

利用位移共振、速度共振与加速度共振求解土体试件的刚度系数与粘性阻尼力系数。

1)位移共振

调整振动台频率ω，使位移产生共振，为求得产生共振的ω₁，由式(9)对ω求导，注意到ω＝p_nλ，并令

得

2ξ²λ⁴+Δλ²+2(Δ-1)ξ²-Δ＝0

利用已获得的位移共振频率ω₁，将上式整理得到：

2)速度共振

调整振动台频率ω，使速度产生共振，为求得产生共振的ω₂，参考式(9)对ω求导，并令

整理得到：

3)加速度共振

同样，调整振动台频率ω，使加速度产生共振，为求得产生共振的ω₃，参考式(9)，对ω求导，并令

整理得到：

在式(10)～(12)中，试件块质量m、Δ及ω₁、ω₂和ω₃均为已知，选择其中两式即可求得刚度系数k及阻尼比ξ，进而得到粘性阻尼系数c。

本领域技术人员应当理解，本实施例所涉及到的参数测量的过程采用实施例一中公开的结构实现，不再赘述。

实施例三

在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例二中的压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。

实施例二中的压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定系统，其特征在于，包括：

频率可变的振动台；

固定在振动台上用于在横向约束保护土体试件的试件固定装置；

用于在测试时置于土体试件之上、起到配重作用的质量块；

测定振动试验过程中试件与筒壁试件之间的摩擦力峰值的土压力盒；

用于采集振动过程中土体试件及质量块的位移、速度与加速度信号的信号采集装置。

2.如权利要求1所述的一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定系统，其特征在于，所述试件固定装置为圆筒状，试件固定装置底部与振动台之间保留设定距离的间隔。

3.如权利要求1所述的一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定系统，其特征在于，所述试件固定装置的内壁上涂抹润滑剂。

4.如权利要求1所述的一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定系统，其特征在于，所述质量块与土体试件粘接在一起。

5.一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定方法，其特征在于，包括：

基于压实土体试件振动试验的运动状态，考虑土体试件与试件固定装置内壁之间的库伦摩擦力，建立单自由度振动微分方程；

利用方程代换及复指数法构造微分方程，求取土体试件相对运动产生的位移幅值放大系数的表达式，进而分别得出对应的速度及加速度放大系数表达式；

通过调整振动台输入激励频率，分别采集土体试件与振动台发生位移共振、速度共振以及加速度共振时的振动台频率；

基于得到的共振频率求解土体试件本身的刚度系数与粘性阻尼系数。

6.如权利要求5所述的一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定方法，其特征在于，建立单自由度振动微分方程，具体为：

其中，l＝a/b，为试件固定装置内壁与土体试件之间的阻尼力幅值与振动台振幅的比；d²＝l/m，其中m为土体试件与质量块的质量之和；

k为土体试件的刚度系数；2n＝c/m，c为土体试件的粘性阻尼力系数；

为相位差；ω为振动台频率。

7.如权利要求5所述的一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定方法，其特征在于，对单自由度振动微分方程进行求解，得到：

其中，

8.如权利要求5所述的一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定方法，其特征在于，求取土体试件相对运动产生的位移幅值放大系数的表达式，具体为：

其中，

9.如权利要求5所述的一种压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定方法，其特征在于，基于得到的共振频率求解土体试件本身的刚度系数与粘性阻尼系数，具体为：

其中，ω₁为土体试件与振动台发生位移共振时的振动频率；ω₂为土体试件与振动台发生速度共振时的振动频率；ω₃为土体试件与振动台发生加速度共振时的振动频率；k为土体试件的刚度系数，ξ为土体试件的粘性阻尼比，根据粘性阻尼比得到粘性阻尼系数。

10.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求5-9任一项所述的压实土体刚度系数与粘性阻尼系数的测定方法。

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