[发明专利]一种基于外部振源激发的粗粒土剪切波速测试装置、试验系统及方法

权利要求书

1.一种基于外部振源激发的粗粒土剪切波速测试装置，其特征在于，包括推拉式电磁铁(1)、滑动单元(2)、固定单元(3)、限位块(5)及液压杆(8)；

所述推拉式电磁铁(1)为带凸起的块体结构，通电后，其前端部的凸起部分被释放，产生瞬间的冲击力；

所述滑动单元(2)为块体结构，其下方设有工字型凹槽结构；滑动单元顶面与推拉式电磁铁(1)底面固接，滑动单元(2)的工字型凹槽结构与固定单元(3)的“工”字形导轨匹配相连，可在导轨上自由滑动；

所述限位块(5)为块体结构，布置在固定单元(3)的轨道一侧，用于限制在推拉式电磁铁(1)工作过程中滑动单元(2)在固定单元(3)上的移动；

所述固定单元(3)包括“工”字形导轨和导轨下端的板状结构，其中，板状结构设有两个贯穿的螺纹孔，用于与“工”字形导轨底部通过螺栓固定，将固定单元(3)连接为一个整体；

所述液压杆(8)为伸缩杆，其顶部焊接在固定单元(3)底部；液压杆(8)与液压伺服控制器(7)连接，其在液压伺服控制器(7)的控制下能够通过改变自身的长度实现固定单元(3)的升降，进而达到调节推拉式电磁铁(1)高程位置的目的。

2.根据权利要求1所述的一种基于外部振源激发的粗粒土剪切波速测试装置，其特征在于，所述的限位块(5)与固定单元(3)“工”字形导轨的缝隙处设有垫圈连接。

3.一种基于权利要求1或2所述的外部振源激发的粗粒土剪切波速测试装置组装的试验系统，其特征在于，所述的试验系统包括外部振源激发的粗粒土剪切波速测试装置、扭转单元(4)、两个激光测距传感器(6)、液压伺服控制器(7)、两个加速度传感器(9)、电荷放大器(12)、示波器(13)；

所述扭转单元(4)由两块板状结构组合而成，两个板状结构相对侧设有对称的半圆形凹槽，用于套接在加载轴上；其中一个板状结构带有悬臂，两块板状结构通过螺栓固定在大型三轴试验仪的加载轴上，安装后，悬臂位于固定单元(3)上方，且与推拉式电磁铁(1)前端部的凸起部分位于同一水平面；

所述激光测距传感器(6)包括一个纵向激光测距传感器和一个横向激光测距传感器，二者固定在大型三轴试验仪(11)的上表面和推拉式电磁铁(1)靠近加载轴一侧的侧壁上，其中纵向激光测距传感器布置于扭转单元(4)悬臂的正下方铅锤位置；试验过程中测试土样(10)发生变形会导致加载轴的高程变化，通过纵向激光测距传感器实时采集其本身到扭转单元(4)底面的距离，并使用液压伺服控制器(7)控制液压杆(8)移动，进而调整推拉式电磁铁(1)的高程，使推拉式电磁铁(1)与扭转单元(4)始终处于同一水平高度；横向激光测距传感器与限位块(5)协同工作，进而高精度调节推拉式电磁铁(1)的击打距离，且横向激光测距传感器能够监测试验过程中滑动单元(2)的位置，保证击打效果；

所述的两个加速度传感器(9)间隔设于测试土样(10)表面，分别与电荷放大器(12)相连，电荷放大器(12)与示波器(13)相连，测试土样(10)设于大型三轴试验仪(11)内；

所述的外部振源激发的粗粒土剪切波速测试装置通过液压杆(8)设于大型三轴试验仪(11)的上表面；液压杆(8)的圆心至加载轴圆心的水平距离小于悬臂端的长度；

在推拉式电磁铁(1)通电后，其前端凸起释放弹出与扭转单元(4)中的悬臂端发生碰撞，悬臂端被击打后对加载轴产生扭转激励；扭转单元(4)产生扭转振动并经过测试土样(10)传播，加速度传感器(9)采集测试土样(10)的不同高程测点处的振动信号并将振动信号转变为电信号，经电荷放大器(12)后同时显示和储存在示波器(13)上为剪切波的传播时间计算提供数据。

4.根据权利要求3所述的试验系统，其特征在于，所述的两个加速度传感器(6)沿铅垂方向分别安装在试样侧面的不同高程处。

5.根据权利要求3所述的试验系统，其特征在于，所述的测试土样(10)为根据预设密度制备的圆柱形大型三轴试样。

6.一种大型三轴试验中测量粗粒土剪切波速的外部激发试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、系统安装：在大型三轴试验仪中制备粗粒土测试土样(10)，将两个加速度传感器(9)沿铅垂方向分别安装在测试土样(10)侧面的不同高程处；使用横向激光测距传感器调节外部激发试验装置的击打距离，并在等向围压下固结，根据纵向激光测距传感器的实时数据，使用液压伺服控制器(7)调整固结后推拉式电磁铁(1)的高程；

S2、确定剪切波传播时间：调整好外部激发试验装置后，对推拉式电磁铁(1)进行通电，推拉式电磁铁(1)击打扭转单元(4)后，扭转单元(4)在惯性力作用下产生扭转振动，扭转振动经测试土样(10)传播；通过示波器(13)读取试样上的加速度传感器所采集到的振动数据，采用特征点法或互相关法计算得到剪切波的传播时间Δt；

S3、剪切波速计算：测试土样的剪切波速为L/Δt，其中，L为两个加速度传感器的垂直距离。