[发明专利]压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试装置和方法

说明书

本发明公开了一种压电元件阵列测试离心机模型土体波速的测试装置和方法。包括弯曲元阵列结构、PXI控制器、驱动模块、多路模拟开关和数采系统，在数采系统发出激励信号，由PXI控制器执行并经多路模拟开关切换信号通道，压电元件依次激发和多接收，收集激励和接收信号并通过光纤滑环将数据传输到数采系统，数采系统完成信号处理和波速判别。本发明实现了离心机模型中多对弯曲元剪切波速测试快速完成，可以监测超重力离心机模型试验中高瞬态灾变过程土体剪切波速的变化；实现了一次激发就同时获得模型不同深度土体的剪切波速信息，测试避免了电信号经过离心机滑环时对信号的干扰，提高了波速判别的准确性，装置高度集成化，体积小，成本低。

技术领域

本发明涉及岩土工程领域材料参数测试装置和技术，具体涉及了一种在离心机模型试验中利用多对激发压电元件依次激发、多对接收压电元件同时接收来测试模型土体体波波速的装置和方法。

背景技术

目前岩土工程领域在工程现场进行现场试验的弊端就是投入设备和人员的花销巨大，人们往往更倾向于在室内实验。但是实验室根据原型场地1:1构建试验模型也存在花费巨大和投入人员和设备繁多的问题，因此，进行室内土体单元体或者缩尺模型试验来研究土体的力学行为和现场场地的灾变过程是必要的。单元体试验就是将从现场取回的土样按照一定的制样方法做成一定直径和高度(例如直径5cm、高度10cm)的圆柱体或正方体，用这样一个小的单元体去模拟现场条件下场地某一点土体的力学行为；缩尺模型试验就是将工程现场的场地条件按照一定的比例缩小成为模型试验，例如现场50m高的土石坝，按照1:50的比例缩小后模型高度变为1m(缩尺比例N＝50)，模型试验的优点在于可以模拟对应原型整个场地的灾变响应。

岩土材料等多孔松散介质的破坏绝大多数是在剪切作用导致的，例如地震作用下土体遭受地震波的剪切作用发生破坏，边坡失稳时也是由于土体遭受的外部剪切力超出土体的抵抗剪切破坏的能力。故分析土体中应力状况及其变形分布，进而研究土体灾变过程时，最重要的土体参数之一就是土体的剪切模量，因为它定义和描述了在剪切力作用下材料的变形行为。

弯曲元剪切波速测试技术具有装置简单、操作方便、测试参数直接明了、物理概念明确等优点，已经成功运用于共振柱、三轴仪、固结仪等室内试验设备当中。利用弯曲元在土体中产生剪切波并接收对应的波速信息，得到剪切波在土体中的传播时间，结合传播距离进而得到土体中剪切波的传播速度Vs，结合土体密度ρ，就可以快速得到土体的剪切模量G_max。

如果将缩尺后的模型在常重力(1g)条件下进行实验，由于模型尺寸和原型场地尺寸的巨大差异导致的模型土体所处的应力水平与现场情况相差N倍(N为缩尺比例)，例如：现场50m高的土石坝，那么大坝底部任意一点实际的应力约为1000kPa，按照1:50(N＝50)的比例缩小后模型高度变为1m，在模型中大坝底部的应力水平只有20kPa(与大坝底部实际应力的相差50倍)。这样显著的应力水平差异将导致原型土体与缩尺后模型土体的力学特性和灾变响应完全不同，偏差很大。

为了真实反映实际原型场地的土体特性，利用超重力离心机的高速旋转为模型提供N倍的自重应力(Ng)，从而弥补由于模型缩尺N倍导致的应力水平与原型实际应力水平不一致，创造一个与原型应力水平相同的应力场，从而使现场原型的灾变过程在室内缩尺模型中可以真实再现。由于弯曲元波速测试技术在获得土体剪切模量的诸多优点，其在超重力离心机模型试验中也得到运用。

常规的超重力离心模型试验体波波速测试系统中存在两路电信号，两路电信号均经过滑环，滑环是指用于实现从连续旋转结构到固定结构传输电源和数据信号的结构。滑环会对经过它的电信号产生严重干扰：一方面激励信号或者第一路电信号在经过滑环时，滑环结构产生的高幅低频信号会显著干扰经过滑环处的电信号，称之为工频干扰，这部分干扰对波形的影响很难消除；另一方面滑环连接处由于导线暴露，电流较大时存在显著的电磁干扰，虽然采取电磁屏蔽导线等措施，但仍然不能完全消除其对电信号的干扰。