[發(fā)明專利]一種基于外部振源激發(fā)的粗粒土剪切波速測試裝置、試驗系統(tǒng)及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110331126.7
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113029755A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發(fā)明（設計）人: 鄒德高;白峻松;周晨光;劉興陽;寧凡偉;劉京茂
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N3/02
• 分類號: G01N3/02;G01N3/06;G01N3/12
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

1.一種基于外部振源激發(fā)的粗粒土剪切波速測試裝置，其特征在于，包括推拉式電磁鐵(1)、滑動單元(2)、固定單元(3)、限位塊(5)及液壓桿(8)；

所述推拉式電磁鐵(1)為帶凸起的塊體結構，通電后，其前端部的凸起部分被釋放，產(chǎn)生瞬間的沖擊力；

所述滑動單元(2)為塊體結構，其下方設有工字型凹槽結構；滑動單元頂面與推拉式電磁鐵(1)底面固接，滑動單元(2)的工字型凹槽結構與固定單元(3)的“工”字形導軌匹配相連，可在導軌上自由滑動；

所述限位塊(5)為塊體結構，布置在固定單元(3)的軌道一側，用于限制在推拉式電磁鐵(1)工作過程中滑動單元(2)在固定單元(3)上的移動；

所述固定單元(3)包括“工”字形導軌和導軌下端的板狀結構，其中，板狀結構設有兩個貫穿的螺紋孔，用于與“工”字形導軌底部通過螺栓固定，將固定單元(3)連接為一個整體；

所述液壓桿(8)為伸縮桿，其頂部焊接在固定單元(3)底部；液壓桿(8)與液壓伺服控制器(7)連接，其在液壓伺服控制器(7)的控制下能夠通過改變自身的長度實現(xiàn)固定單元(3)的升降，進而達到調(diào)節(jié)推拉式電磁鐵(1)高程位置的目的。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于外部振源激發(fā)的粗粒土剪切波速測試裝置，其特征在于，所述的限位塊(5)與固定單元(3)“工”字形導軌的縫隙處設有墊圈連接。

3.一種基于權利要求1或2所述的外部振源激發(fā)的粗粒土剪切波速測試裝置組裝的試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的試驗系統(tǒng)包括外部振源激發(fā)的粗粒土剪切波速測試裝置、扭轉單元(4)、兩個激光測距傳感器(6)、液壓伺服控制器(7)、兩個加速度傳感器(9)、電荷放大器(12)、示波器(13)；

所述扭轉單元(4)由兩塊板狀結構組合而成，兩個板狀結構相對側設有對稱的半圓形凹槽，用于套接在加載軸上；其中一個板狀結構帶有懸臂，兩塊板狀結構通過螺栓固定在大型三軸試驗儀的加載軸上，安裝后，懸臂位于固定單元(3)上方，且與推拉式電磁鐵(1)前端部的凸起部分位于同一水平面；

所述激光測距傳感器(6)包括一個縱向激光測距傳感器和一個橫向激光測距傳感器，二者固定在大型三軸試驗儀(11)的上表面和推拉式電磁鐵(1)靠近加載軸一側的側壁上，其中縱向激光測距傳感器布置于扭轉單元(4)懸臂的正下方鉛錘位置；試驗過程中測試土樣(10)發(fā)生變形會導致加載軸的高程變化，通過縱向激光測距傳感器實時采集其本身到扭轉單元(4)底面的距離，并使用液壓伺服控制器(7)控制液壓桿(8)移動，進而調(diào)整推拉式電磁鐵(1)的高程，使推拉式電磁鐵(1)與扭轉單元(4)始終處于同一水平高度；橫向激光測距傳感器與限位塊(5)協(xié)同工作，進而高精度調(diào)節(jié)推拉式電磁鐵(1)的擊打距離，且橫向激光測距傳感器能夠監(jiān)測試驗過程中滑動單元(2)的位置，保證擊打效果；

所述的兩個加速度傳感器(9)間隔設于測試土樣(10)表面，分別與電荷放大器(12)相連，電荷放大器(12)與示波器(13)相連，測試土樣(10)設于大型三軸試驗儀(11)內(nèi)；

所述的外部振源激發(fā)的粗粒土剪切波速測試裝置通過液壓桿(8)設于大型三軸試驗儀(11)的上表面；液壓桿(8)的圓心至加載軸圓心的水平距離小于懸臂端的長度；

在推拉式電磁鐵(1)通電后，其前端凸起釋放彈出與扭轉單元(4)中的懸臂端發(fā)生碰撞，懸臂端被擊打后對加載軸產(chǎn)生扭轉激勵；扭轉單元(4)產(chǎn)生扭轉振動并經(jīng)過測試土樣(10)傳播，加速度傳感器(9)采集測試土樣(10)的不同高程測點處的振動信號并將振動信號轉變?yōu)殡娦盘?，?jīng)電荷放大器(12)后同時顯示和儲存在示波器(13)上為剪切波的傳播時間計算提供數(shù)據(jù)。

4.根據(jù)權利要求3所述的試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的兩個加速度傳感器(6)沿鉛垂方向分別安裝在試樣側面的不同高程處。

5.根據(jù)權利要求3所述的試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的測試土樣(10)為根據(jù)預設密度制備的圓柱形大型三軸試樣。

6.一種大型三軸試驗中測量粗粒土剪切波速的外部激發(fā)試驗方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、系統(tǒng)安裝：在大型三軸試驗儀中制備粗粒土測試土樣(10)，將兩個加速度傳感器(9)沿鉛垂方向分別安裝在測試土樣(10)側面的不同高程處；使用橫向激光測距傳感器調(diào)節(jié)外部激發(fā)試驗裝置的擊打距離，并在等向圍壓下固結，根據(jù)縱向激光測距傳感器的實時數(shù)據(jù)，使用液壓伺服控制器(7)調(diào)整固結后推拉式電磁鐵(1)的高程；

S2、確定剪切波傳播時間：調(diào)整好外部激發(fā)試驗裝置后，對推拉式電磁鐵(1)進行通電，推拉式電磁鐵(1)擊打扭轉單元(4)后，扭轉單元(4)在慣性力作用下產(chǎn)生扭轉振動，扭轉振動經(jīng)測試土樣(10)傳播；通過示波器(13)讀取試樣上的加速度傳感器所采集到的振動數(shù)據(jù)，采用特征點法或互相關法計算得到剪切波的傳播時間Δt；

S3、剪切波速計算：測試土樣的剪切波速為L/Δt，其中，L為兩個加速度傳感器的垂直距離。