CN1204401C - 在土工静、动三轴仪内测试剪切波速的装置 - Google Patents

Abstract

在土工静、动三轴仪内测试剪切波速的装置。将前后盖板、一对压电复合陶瓷棒紧固为一体置于外壳内组成传感器，通过前盖板槽内的O型密封圈与外壳密封连接。其中前盖板为阶梯圆柱形，顶部对角位置有两个扇形柱体。后盖板为圆形，在一面的对角位置也有两个扇形柱体。压电复合陶瓷棒采用数片PZT圆环采用并联的方式叠合组成，夹在前后盖板的扇形柱体之间。当压电复合陶瓷棒对的两个振子同时伸缩时，就对前盖板(1)形成扭矩，从而产生扭转振动。本发明的优点是传感器的工作频率低，体积小，辐射能量大适用于测试软土与饱和松散砂土试样的剪切波速并且有效抑制了纵波干扰，可准确识别出剪切波的初至时间。

Description

在土工静、动三轴仪内测试剪切波速的装置

                              技术领域

本发明涉及一种岩土工程测试技术。

                              背景技术

在岩土工程中，土层的剪切波速是一个重要的土性参数，已得到高度的重视和广泛的应用。目前在土工静、动三轴仪内常用弯曲单元法进行剪切波速的测试。该方法存在以下缺点：①弯曲单元需要插入被测试件一定的深度(一般为3mm)，从而造成对插入深度范围内一定的扰动，同时也造成剪切波传播长度的不确定性，仅此一项造成的误差可以达到16％；②近场效应和杂散波的干扰使得剪切波的初至时刻带有较大的主观性，由此带来的测量误差可以达到30％；③弯曲单元产生的是一种偏振波，测试时必需将发射和接收单元的敏感方向排列一致，才能有效接收到测试信号；④由于弯曲元需经常插入土中，绝缘和防水问题较难处理，这也限制了该装置的使用寿命。另外，在超声工程中采用的普通型剪切波传感器一般是利用单片厚度切变型PZT晶片制成。该类传感器在室内进行土样剪切波速的测量时存在以下问题：①厚度切变是一种高频振动模式(用于制作传感器的厚度切变振动模式的晶片振动频率通常大于400kHz)，机电耦合系数较低，传感器辐射能量小，剪切波传播距离很短；②PZT晶片的特征阻抗远大于土样的特征阻抗，这使得二者之间很难匹配，从而进一步减小了进入土体的剪切波能量；③无法抑制纵波干扰，尤其对于像粘土、饱和松散砂土这类高损耗的介质，纵波干扰十分严重，这使得该方法只适合测试干砂的剪切波速，并且需要配合滤波技术和一定的振相识别技巧。因此，几乎无法在动、静三轴试验中利用这类传感器。

                              发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、工作频率低(5kHz-30kHz)、剪切振动辐射能量大而且能够与各种静、动三轴剪切仪相配套测试剪切波速的装置，从而克服弯曲单元方法和普通型剪切波速传感器所存在的缺点。

在土工静、动三轴仪内测试剪切波速装置的具体说明如附图1～附图3所示。采用前盖板1、后盖2、压电复合陶瓷棒对3以及外壳4组成传感器。其中，前盖板1为阶梯圆柱形，盖板顶部对角位置有两个扇形柱体13，前盖板1和后盖板2的尺寸依据与采用的陶瓷棒对3匹配。后盖板2为圆形，在一面的对角位置也有两个扇形柱体，用组装螺栓5将前盖板1、压电复合陶瓷棒对3和后盖板2紧固为一体置于外壳4内成为剪切波速传感器。在前盖板1顶部的外沿设置半圆形凹槽，通过槽内的O型密封圈11与外壳4密封组合。在前盖板1的内部设置电缆引出孔12和排水路径8，压电复合陶瓷棒对3由两个压电复合陶瓷棒组成，每个压电复合陶瓷棒由厚度振动模式的数片PZT压电陶瓷圆环(每个压电陶瓷圆环的两面镀银)采用并联的方式叠合组成，压电复合陶瓷棒对3夹在前后盖板1、2的扇形柱体之间。当压电复合陶瓷棒对的两个振子同时伸缩时，就对前盖板1形成扭矩，从而产生扭转振动。压电复合陶瓷棒对3的两个电极电缆7通过电缆引出孔12以及引出线接头6固定于前盖板1外侧。在上部外壳4的顶部设置半圆形凹槽，以便于与三轴加力设备配合，下部外壳4下部设一底座固定孔9用固定螺栓10与三轴仪的底座固定。引出线接头6采用内外套管的方式，外套管与外壳4固定，挤压内套管使密封胶圈变形而将其电缆7密封。

                             附图说明

图1为本发明的各部件组装图。其中1-前盖板；2-后盖板；3-压电复合陶瓷棒对；4-外壳；5-组装螺栓；6-引出线接头；7-电极电缆；8-排水路径；9-底座固定孔；10-固定螺栓；11-O型密封圈；12-电缆引出孔。

图2为压电复合陶瓷棒结构及电极的连接示意图。

图3为前、后盖板结构的立体效果图。其中13-扇形柱体；14-螺栓孔。

图4为本发明在静、动三轴仪内进行剪切波速测试的实施例实验装置图。其中15-三轴压力室，16-上下两个剪切波速传感器，17-土样试件，18-乳胶膜，19-声波发射接收仪，20-排水阀，21-三轴仪加力板，7-电极电缆。

                            具体实施例

参照附图1～4。其中前盖板1采用轻质硬金属，后盖板2采用不锈钢或铜等重质金属，前、后盖板的直径为φ39.1mm，外壳4的直径φ70mm，上部传感器高度为50mm，下部传感器为70mm。首先将压电复合陶瓷棒对3的电极连接好，电缆7由电缆引出孔12伸出前盖板1的外侧。然后用组装螺栓5穿过压电复合陶瓷棒对3以及扇形柱体的螺栓孔14将前后盖板固定在一起。在前盖板1的凹槽中套上O型圈，将前盖板、后盖板、压电复合陶瓷棒对置于外壳4内。最后将引出电缆7穿过电缆引出接头6固定密封在前盖板上完成组装。

将传感器16放置于三轴压力室15内，组成动三轴仪内测试剪切波速的装置如图4所示。测试时，将φ39.1mm×80mm的土样试件17套上乳胶膜18放置于上下传感器之间。压力室内加压，打开上下传感器排水管路上的排水阀20进行排水固结，经过规定的时间后，用声波发射接收仪19对上部或下部的传感器发射一交变电信号，使传感器发射简切波，简切波通过土样试件后，由另一端的传感器接收并将剪切波信号转换成交变的电荷，此电信号经声波发射接收仪19放大接收。由声波发射接收仪测得从发射到接收的时间间隔，即是剪切波通过土样的时间，试件的长度已知，则土样的剪切波速即可确定。

本发明的有益效果在于：用厚度振动模式的压电陶瓷圆环组成压电复合陶瓷棒，并进一步组成压电复合陶瓷棒对置于同一传感器中制成剪切波速传感器。该传感器具有振动频率低、体积小、辐射能量大、穿透厚度大和剪切波波形纯净、抗干扰能力强等优点。特别适用于测试软土与饱和松散砂土试样的剪切波速。对于测试直径3.91cm试样传感器的振动频率可以做到10kHz，可大大提高剪切波速的测量距离，测量时无须考虑发射传感器和接收传感器之间的相对角度。由于采用扭转剪切振动模式，有效抑制了纵波干扰，可以很方便的识别出剪切波的初至时间。其密封装置可以在1Mpa压力的水中正常工作，且不发生渗漏，而且拆装维修方便，制作成本低廉。本发明易与现有的各种静、动三轴剪切仪相配合，组成剪切波速与静、动三轴剪切联合测试设备，从而形成一种新型的土工联合测试装置。

Claims (2)

1.在土工静、动三轴仪内测试剪切波速的装置，其特征是采用前盖板(1)、后盖板(2)、压电复合陶瓷棒对(3)和外壳(4)组成传感器，其中，前盖板(1)为阶梯圆柱形，盖板顶部对角位置有两个扇形柱体(13)，前盖板(1)和后盖板(2)的尺寸依据与采用的陶瓷棒对(3)匹配，后盖板(2)为圆形，在一面的对角位置也有两个扇形柱体，用组装螺栓(5)将前盖板(1)、压电复合陶瓷棒对(3)和后盖板(2)紧固为一体置于外壳(4)内，通过前盖板(1)顶部外沿半圆形凹槽内的O型密封圈(11)与外壳(4)密封组合，在前盖板(1)的内部设置电缆引出孔(12)和排水路径(8)，压电复合陶瓷棒对(3)由两个压电复合陶瓷棒组成，每个压电复合陶瓷棒由厚度振动模式的数片PZT压电陶瓷圆环采用并联的方式叠合组成，压电复合陶瓷棒对(3)夹在前后盖板(1、2)的扇形柱体之间，压电复合陶瓷棒对(3)的两个电极电缆(7)通过电缆引出孔(12)以及引出线接头(6)固定于前盖板(1)。

2.按照权利要求1所述的在土工静、动三轴仪内测试剪切波速的装置，其特征是所述每片压电陶瓷圆环的两面镀银，然后按照并联的方式进行叠合组成压电复合陶瓷棒，同样连接方式的两个压电复合陶瓷棒组成压电复合陶瓷棒对(3)。

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