[發(fā)明專(zhuān)利]一種用于土工模型試驗(yàn)的多斷層剪切波速測(cè)試系統(tǒng)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010732689.2
• 申請(qǐng)日: 2020-07-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111983031A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張紫濤;王幼行;張雪東;韓婧怡;伍玉鑫;胡晶;李兆鋒;梁建輝;陳斌祥;梁美玲;趙俊康;魏立峰;吳楠
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院
• 主分類(lèi)號(hào): G01N29/07
• 分類(lèi)號(hào): G01N29/07
• 代理公司: 北京知呱呱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11577
• 代理人: 孫志一

本發(fā)明公開(kāi)了一種用于土工模型試驗(yàn)的多斷層剪切波速測(cè)試系統(tǒng)，包括主控組件、信號(hào)發(fā)生及激勵(lì)信道調(diào)度組件、彎曲元及支撐框架組件以及接收信道調(diào)度及數(shù)據(jù)采集組件，主控組件與信號(hào)發(fā)生及激勵(lì)信道調(diào)度組件以及接收信道調(diào)度及數(shù)據(jù)采集組件電連接，信號(hào)發(fā)生及激勵(lì)信道調(diào)度組件與彎曲元及支撐框架組件電連接，彎曲元及支撐框架組件與接收信道調(diào)度及數(shù)據(jù)采集組件電連接。效果：解決了模型樁貫入等室內(nèi)土工模型試驗(yàn)中剪切波速難以精準(zhǔn)量測(cè)的問(wèn)題；實(shí)現(xiàn)對(duì)多斷層剪切波速分布的精準(zhǔn)量測(cè)，適用于地面土工模型試驗(yàn)及離心模型試驗(yàn)；可滿(mǎn)足模型樁貫入試驗(yàn)等不同土工模型試驗(yàn)要求，可重復(fù)應(yīng)用于不同試驗(yàn)場(chǎng)合，降低試驗(yàn)成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及土工模型試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于土工模型試驗(yàn)的多斷層剪切波速測(cè)試系統(tǒng)。

背景技術(shù)

土工模型試驗(yàn)技術(shù)是國(guó)內(nèi)外巖土工程界公認(rèn)的最有效的土力學(xué)及巖土工程研究手段之一；基于相似理論，依據(jù)原型幾何及材料物理力學(xué)特征制備小尺度模型，針對(duì)模型施加精準(zhǔn)可控的初始和邊界條件，進(jìn)而模擬固結(jié)、滲流、失穩(wěn)破壞等各類(lèi)物理過(guò)程以探究相應(yīng)的巖土工程問(wèn)題；與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相比，土工模型試驗(yàn)具有成本低、可重復(fù)性強(qiáng)、邊界條件清晰、測(cè)量數(shù)據(jù)豐富可靠等優(yōu)點(diǎn)，在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

按照所處試驗(yàn)環(huán)境的自重應(yīng)力水平，土工模型試驗(yàn)可分為1g常重力場(chǎng)下的模型試驗(yàn)和Ng超重力場(chǎng)下的離心模型試驗(yàn)；1g常重力場(chǎng)下的模型試驗(yàn)在地面完成，而離心模型試驗(yàn)利用離心機(jī)所產(chǎn)生的離心力場(chǎng)來(lái)提高模型的體積力，模擬原型在自然重力場(chǎng)下的行為，通過(guò)控制離心加速度保證在原型與模型幾何相似的前提下，保持原型與模型的力學(xué)特性相似、應(yīng)力應(yīng)變相同以及破壞機(jī)理相同等，達(dá)到在小尺度模型中再現(xiàn)原型的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)而模擬各類(lèi)土工構(gòu)筑物工程特性的目的。

剪切波速(V_s)是巖土材料的重要力學(xué)參數(shù)，在土動(dòng)力學(xué)及巖土工程抗震領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；壓電彎曲元(下文中簡(jiǎn)稱(chēng)彎曲元)剪切波速測(cè)試技術(shù)是測(cè)量巖土材料剪切波速的有效手段之一，彎曲元由兩片長(zhǎng)度可伸縮的壓電陶瓷片和中間的金屬墊片粘合而成，經(jīng)絕緣、防水等處理后，將彎曲元固定于支撐體內(nèi)形成類(lèi)似懸臂梁的結(jié)構(gòu)，形成可以發(fā)射或接收剪切波的設(shè)備，用于發(fā)射、接收剪切波的彎曲元分別稱(chēng)為發(fā)射器、接收器；在單脈沖正弦波等電信號(hào)作用下，發(fā)射器靠近支撐體的固支端保持靜止，而其自由端沿其厚度方向振動(dòng)，帶動(dòng)周?chē)馏w顆粒運(yùn)動(dòng)，誘發(fā)剪切波；該剪切波經(jīng)土體傳播后到達(dá)接收器，帶動(dòng)接收器彎曲元自由端振動(dòng)，進(jìn)而誘發(fā)電信號(hào)；通過(guò)對(duì)比發(fā)射、接收信號(hào)能夠確定剪切波在土體的傳播時(shí)間(t)，因傳播距離(L)一般為已知量，據(jù)此即可計(jì)算剪切波速V_s＝L/t；因彎曲元剪切波速測(cè)試過(guò)程中，引起的土體應(yīng)變較小，一般不超過(guò)10^-5～10^-6，土體微觀結(jié)構(gòu)改變極小，可實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)；另外，該系統(tǒng)具備操作簡(jiǎn)便、成本低等優(yōu)勢(shì)；目前，此類(lèi)測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用于固結(jié)試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)、循環(huán)扭剪試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)中。

如圖7所示，現(xiàn)有彎曲元剪切波速測(cè)試系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、發(fā)射器、接收器、濾波器、示波器等部分；信號(hào)發(fā)生器用以生成初始激勵(lì)電信號(hào)，例如，單脈沖正弦波信號(hào)；該電信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后形成最終激勵(lì)電信號(hào)，用以激勵(lì)發(fā)射器，誘發(fā)剪切波，剪切波在模型土體內(nèi)傳播一定距離后到達(dá)接收器，接收器隨之發(fā)生振動(dòng)并產(chǎn)生電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)濾波器進(jìn)行適當(dāng)濾波及放大后，接入示波器采集通道，如圖7所示，初始激勵(lì)電信號(hào)與示波器另一采集通道相連；通過(guò)比較兩通道采集的電信號(hào)時(shí)程曲線(xiàn)，即可確定剪切波傳播時(shí)間，進(jìn)而確定剪切速度。

該技術(shù)方案所得剪切波速為傳播路徑上土體剪切波速的平均值，僅適用于剪切波速分布較為均勻的情況，例如前文中提到的固結(jié)試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)、循環(huán)扭剪試驗(yàn)等試驗(yàn)工況。對(duì)于其他土工模型試驗(yàn)，例如模擬樁體貫入過(guò)程的模型樁貫入試驗(yàn)，土體內(nèi)剪切波速的空間分布較不均勻，若簡(jiǎn)單地在剪切波速急劇變化區(qū)增加發(fā)射器和接收器，將顯著影響土體內(nèi)剪切波速分布，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差較大，同時(shí)，該方法可造成測(cè)試系統(tǒng)成本的急劇增加；若將發(fā)射器和接收器布置在剪切波速急劇變化區(qū)外側(cè)，則測(cè)得的剪切波速為其平均值而非空間分布，難以實(shí)現(xiàn)剪切波速的精準(zhǔn)量測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容