[发明专利]一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统

说明书

本发明公开了一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统，包括主控组件、信号发生及激励信道调度组件、弯曲元及支撑框架组件以及接收信道调度及数据采集组件，主控组件与信号发生及激励信道调度组件以及接收信道调度及数据采集组件电连接，信号发生及激励信道调度组件与弯曲元及支撑框架组件电连接，弯曲元及支撑框架组件与接收信道调度及数据采集组件电连接。效果：解决了模型桩贯入等室内土工模型试验中剪切波速难以精准量测的问题；实现对多断层剪切波速分布的精准量测，适用于地面土工模型试验及离心模型试验；可满足模型桩贯入试验等不同土工模型试验要求，可重复应用于不同试验场合，降低试验成本。

技术领域

本发明涉及土工模型试验技术领域，具体涉及一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统。

背景技术

土工模型试验技术是国内外岩土工程界公认的最有效的土力学及岩土工程研究手段之一；基于相似理论，依据原型几何及材料物理力学特征制备小尺度模型，针对模型施加精准可控的初始和边界条件，进而模拟固结、渗流、失稳破坏等各类物理过程以探究相应的岩土工程问题；与现场试验相比，土工模型试验具有成本低、可重复性强、边界条件清晰、测量数据丰富可靠等优点，在岩土工程领域应用广泛。

按照所处试验环境的自重应力水平，土工模型试验可分为1g常重力场下的模型试验和Ng超重力场下的离心模型试验；1g常重力场下的模型试验在地面完成，而离心模型试验利用离心机所产生的离心力场来提高模型的体积力，模拟原型在自然重力场下的行为，通过控制离心加速度保证在原型与模型几何相似的前提下，保持原型与模型的力学特性相似、应力应变相同以及破坏机理相同等，达到在小尺度模型中再现原型的应力状态进而模拟各类土工构筑物工程特性的目的。

剪切波速(V_s)是岩土材料的重要力学参数，在土动力学及岩土工程抗震领域应用广泛；压电弯曲元(下文中简称弯曲元)剪切波速测试技术是测量岩土材料剪切波速的有效手段之一，弯曲元由两片长度可伸缩的压电陶瓷片和中间的金属垫片粘合而成，经绝缘、防水等处理后，将弯曲元固定于支撑体内形成类似悬臂梁的结构，形成可以发射或接收剪切波的设备，用于发射、接收剪切波的弯曲元分别称为发射器、接收器；在单脉冲正弦波等电信号作用下，发射器靠近支撑体的固支端保持静止，而其自由端沿其厚度方向振动，带动周围土体颗粒运动，诱发剪切波；该剪切波经土体传播后到达接收器，带动接收器弯曲元自由端振动，进而诱发电信号；通过对比发射、接收信号能够确定剪切波在土体的传播时间(t)，因传播距离(L)一般为已知量，据此即可计算剪切波速V_s＝L/t；因弯曲元剪切波速测试过程中，引起的土体应变较小，一般不超过10^-5～10^-6，土体微观结构改变极小，可实现无损检测；另外，该系统具备操作简便、成本低等优势；目前，此类测试系统已经被应用于固结试验、三轴试验、循环扭剪试验等室内试验中。

如图7所示，现有弯曲元剪切波速测试系统包括信号发生器、功率放大器、发射器、接收器、滤波器、示波器等部分；信号发生器用以生成初始激励电信号，例如，单脉冲正弦波信号；该电信号经功率放大器放大后形成最终激励电信号，用以激励发射器，诱发剪切波，剪切波在模型土体内传播一定距离后到达接收器，接收器随之发生振动并产生电信号，该电信号经滤波器进行适当滤波及放大后，接入示波器采集通道，如图7所示，初始激励电信号与示波器另一采集通道相连；通过比较两通道采集的电信号时程曲线，即可确定剪切波传播时间，进而确定剪切速度。

该技术方案所得剪切波速为传播路径上土体剪切波速的平均值，仅适用于剪切波速分布较为均匀的情况，例如前文中提到的固结试验、三轴试验、循环扭剪试验等试验工况。对于其他土工模型试验，例如模拟桩体贯入过程的模型桩贯入试验，土体内剪切波速的空间分布较不均匀，若简单地在剪切波速急剧变化区增加发射器和接收器，将显著影响土体内剪切波速分布，进而导致测量结果误差较大，同时，该方法可造成测试系统成本的急剧增加；若将发射器和接收器布置在剪切波速急剧变化区外侧，则测得的剪切波速为其平均值而非空间分布，难以实现剪切波速的精准量测。

发明内容