测试粒状材料剪切波速的压电环激发装置及室内试验装置

摘要

本发明公布了一种测试粒状材料剪切波速的压电环激发装置及室内试验装置，该压电环激发装置包括压电环(1)，压电环(1)的内、外侧壁均涂有环氧树脂(2)，压电环(1)的内部由透水石(3)填充，压电环(1)与数据传输电缆(4)和接地线(5)相连。测试粒状材料剪切波速时，一对压电环激发装置分别安装于底座(6)和顶帽(7)上，作为剪切波激发元和接收元，试样(8)置于底座(6)和顶帽(7)之间，底座(6)通过传输电缆(4)与功率放大器(9)相连，并连接于电脑(10)，顶帽(7)通过传输电缆(4)直接连接于电脑(10)。该装置采用径向变形传输剪切波，具有更高的精度，为评价岩土材料的工程特性提供了更好的测试手段。

权利要求

1.一种测试粒状材料剪切波速的压电环激发装置，其特征在于所述的压电环激发装置包括压电环(1)，压电环(1)的内、外侧壁均涂有可传播剪切波的环氧树脂(2)，压电环(1)的内部由四块相同的透水石(3)填充，压电环(1)与数据传输电缆(4)和接地线(5)相连；

压电环(1)的外直径为20mm，内直径为14mm，高度为5mm；

可传播剪切波的环氧树脂(2)厚度为0.5mm；

透水石(3)的形状为四分之一圆形，半径为6mm，厚度为5mm。

2.一种采用权利要求1所述的测试粒状材料剪切波速的压电环激发装置的室内试验装置，其特征在于，采用一对所述压电环激发装置分别安装于底座(6)和顶帽(7)上，作为剪切波激发元和接收元，测试试样(8)位于底座(6)和顶帽(7)之间并与激发元和接收元紧密贴合，底座(6)通过数据传输电缆(4)与功率放大器(9)相连，并连接于笔记本电脑(10)，顶帽(7)通过数据传输电缆(4)直接连接于笔记本电脑(10)；所述的笔记本电脑(10)内安装有解译和分析剪切波信号的软件；

所述的底座(6)和顶帽(7)均为透明聚乙烯材料制作，尺寸可根据不同的试验目的确定。

说明书

测试粒状材料剪切波速的压电环激发装置及室内试验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种可测试粒状岩土材料剪切波速的室内试验装置，属于岩土工程和材料工程等领域中能够方便、精确的评价岩土材料剪切波速的室内试验装置。

背景技术

[0002] 岩土材料的剪切波速(Vs)是工程动荷载设计中重要参数之一。剪切波速在岩土工程中的应用越来越广泛，如地震动力响应分析、土体液化评价和土分类等，剪切波速还可用于评价土体的原位密度、应力状态、强度和大变形等。目前室内测试剪切波速的方法主要是共振柱和弯曲元技术两种。共振柱测试技术虽然可以较为精确的测量材料的剪切波速，但是测试元件必须设置于测试对象上，这样就限制了该技术的应用范围。弯曲元测试技术最早是由Shirley和Hampton研发成功，将压电陶瓷弯曲元件悬臂端插入土体中，弯曲元与土体较好的耦合，成功的在室内模型试验中测试出了海洋沉积物的剪切波速。弯曲元通常由两片长度可伸缩的压电陶瓷晶体片(PZT)与金属加劲层(不锈钢、铜或者铁镍合金等材料)粘合而成，是一种典型的机-电传感器，可通过压电效应和逆压电效应实现机械能和电能之间的转换。测试土样剪切波速时，需要一对弯曲元元件，一个作为剪切波的激发元件，另外一个作为剪切波的接收元件。弯曲元以悬臂梁形式装备在试样两端，激发元在脉冲电压下产生振动，试样一端激发剪切波；剪切波经土体传播后到达接收元，通过数据采集装置将接收元产生的振动转化为电信号，通过对比激发元和接收元的电信号可得到剪切波的传播时间，结合其传播距离即可计算出土体的剪切波速Vs，即：

[0003] Vs＝L/t

[0004] 式中，L为剪切波的传播距离；t为剪切波的传播时间。虽然现有的弯曲元测试技术可方便、快速的测定岩土材料的剪切波速，但是受“近场效应”和解译方法的影响，其测试结果具有较大的变异性。

发明内容

[0005] 技术问题：为解决上述弯曲元测试技术中测试结果存在变异性较大的问题，本发明公开了一种测试粒状材料剪切波速的压电环激发装置及室内试验装置，采用径向应变传输剪切波的原理，解决了“近场效应”和Vs解译方法不统一等问题，同时可应用于其他岩土工程试验设备中，具有简便、高精度等优点。

[0006] 技术方案：本发明的一种测试粒状材料剪切波速的压电环激发装置，包括压电环，压电环的内、外侧壁均涂有可传播剪切波的环氧树脂，压电环的内部由四块相同的透水石填充，压电环与数据传输电缆和接地线相连。

[0007] 压电环的外直径为20mm，内直径为14mm，高度为5mm。

[0008] 可传播剪切波的环氧树脂厚度为0.5mm。

[0009] 透水石的形状为四分之一圆形，半径为6mm，厚度为5mm。

[0010] 本发明采用所述的测试粒状材料剪切波速的压电环激发装置的室内试验装置，采用一对所述压电环激发装置分别安装于底座和顶帽上，作为剪切波激发元和接收元，测试试样位于底座和顶帽之间并与激发元和接收元紧密贴合，底座通过数据传输电缆与功率放大器相连，并连接于笔记本电脑，顶帽通过数据传输电缆直接连接于笔记本电脑；所述的笔记本电脑内安装有解译和分析剪切波信号的软件。

[0011] 所述的底座和顶帽均为透明聚乙烯材料制作，尺寸可根据不同的试验目的确定。

[0012] 有益效果：地震、砂土液化和土分类等工程设计时均需要准确定量的评价土体的剪切波速，剪切波速与材料的小应变剪切刚度、强度和模量的密切相关。目前现有的共振柱和弯曲元测试技术虽然获得土体的剪切波速，但由于测试装置、解译方法等问题的局限，使得测试技术的应用范围较为狭小，测试结果具有较大的变异性。本发明解决了弯曲元测试技术中存在的近场效应和测试结果变异性的问题，可准确的获得粒状岩土材料的剪切波速，具有简便、易操作和可靠性的特点。

附图说明

[0013] 图1是本发明的压电环激发元件的结构示意图；

[0014] 图2是压电环激发元件测试土体剪切波速的试验装置结构示意图；

[0015] 其中有：压电环1、可传递剪切波的环氧树脂2、透水石3、数据传输电缆4、接地线5、底座6、顶帽7、试样8、功率放大器9、笔记本电脑10。

具体实施方式

[0016] 本发明的测试粒状材料剪切波速的压电环激发装置，其压电环激发装置包括压电环1，压电环1的内、外侧壁均涂有可传播剪切波的环氧树脂2，压电环1的内部由四块相同的透水石3填充，压电环1与数据传输电缆4和接地线5相连。

[0017] 所述的压电环1的外直径为20mm，内直径为14mm，高度为5mm。

[0018] 所述的可传播剪切波的环氧树脂2厚度为0.5mm。

[0019] 所述的透水石3的形状为四分之一圆形，半径为6mm，厚度为5mm。

[0020] 基于压电环激发的测试粒状材料剪切波速室内测试装置，包括一对压电环激发装置分别安装于底座6和顶帽7上，作为剪切波激发元和接收元，测试试样8位于底座6和顶帽7之间，并与激发元和接收元紧密贴合，底座6通过数据传输电缆4与功率放大器9相连，并连接于笔记本电脑10，顶帽7通过数据传输电缆4直接连接于笔记本电脑10。

[0021] 所述的底座6和顶帽7均为透明聚乙烯材料制作，尺寸可根据不同的试验目的确定。

[0022] 所述的笔记本电脑10内安装有英国GDS公司的解译和分析剪切波信号软件GDS-BENDER v2.21。

[0023] 为更好的应用压电环激发装置测试粒状材料的剪切波速，以下对此装置的剪切波速解译方法做详细说明：

[0024] 首先，现实中的任何剪切波速测试设备，均存在一定的相变，因此，粒状材料真正的剪切波速与测试中的相速度并不相等，即：

[0025] VS≠Vph(f)     (1)

[0026] 式中，Vs为测试材料真正的剪切波速；Vph(f)为相速度。引入修正函数 建立Vs与Vph(f)之间的相关关系，假定激发元与土体、接收元与土体之间并未引进新的的相变，则有：

[0027]

[0028] 是一个与Vs相对应的常函数； 为径向修正函数。由此得到：

[0029]

[0030] 联立式(2)、式(3)可以得到：

[0031]

[0032] 对于不同的测试频率f，可以得到：

[0033]

[0034] 将式(5)和式(6)相减，得到：

[0035]

[0036] 将式(7)写成更一般形式，即为：

[0037]

[0038] 通过不同频率下的剪切波速测试，结合式(4)和式(8)则可计算得到测试对象的剪切波速Vs。