弯曲元测试岩土工程材料小应变粘弹性参数的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种弯曲元测试岩土工程材料小应变粘弹性参数的方法及装置。过程首先制备柱型试样，测试获得其密度；柱型试样搁置在泡沫棒上，将激励弯曲元和接收弯曲元分别连接在柱型试样的两端，两个弯曲元的压电陶瓷插入到柱型试样内相同深度；激励弯曲元激励发出脉冲信号，信号经柱型试样中传播和反射，被接收弯曲元记录接收，将发出的激励信号和接收信号经处理后获得包括弹性参数和阻尼比在内的粘弹性参数。与现有材料粘弹性参数测试方法相比，本发明专利技术具备测试小应变粘弹性参数的能力，且具有测试装置简单，测试效率高，物理关系明确等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料参数测试方法及装置，具体涉及了一种弯曲元测试岩土工程材料小应变粘弹性参数的方法及装置，通过岩土工程材料波动测试及分析处理获得其小应变粘弹性参数。
技术介绍
进行地基动力分析或动力模型试验时，岩土工程材料的动应力-应变关系往往被简化为理想的粘弹性模型，其力学特性由弹性模量和阻尼比表征；材料粘弹性参数测试的准确性将直接影响动力分析或试验的可靠程度。对于均匀连续且刚度较大的材料(例如完整的岩石)，粘弹性参数的测试可采用悬臂梁振动法，该法边界条件明确且测试结果受试样振动频率和振幅的影响较小。而土体材料由于是离散的多相介质，并不适用悬臂梁法，其小应变条件下粘弹性参数测试需通过共振柱试验或自振柱试验。共振柱试验的测试步骤相对复杂，需要通过扫频的方式获得试样共振频率，计算试样材料的弹性参数；在寻找共振频率时，扫频对试样有预振加密的作用，会造成试验材料弹性模量测试结果偏大；共振柱试验边界条件不明，激振设备本身的振动特性会影响测试结果。而自振柱试验仅对试样单次静力加载，通过试样自振特性获得其共振频率，测试方法较共振柱试验便捷；没有预振加密作用，对试样的影响较小，测试精度较共振柱试验高。但自振柱试验依旧存在边界条件不明的缺点，其测试结果需要进行修正。总结来说，岩土工程材料在小应变条件下粘弹性参数的测试尚缺少一种统一、简便、可靠的方法。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提出了一种弯曲元测试岩土工程材料小应变粘弹性参数的方法及装置：仅通过一次波动测试，可分析计算岩土工程材料的粘弹性参数，简化了岩土工程材料参数的测试方式法；试验装置简单，仅需弯曲元配套装置即可完成测试。本专利技术采用的技术方案如下：一、一种弯曲元测试岩土工程材料小应变粘弹性参数的方法，包括以下步骤：1)制备柱型岩土工程材料试样，通过称重、测体积获得其材料密度；2)固定柱型岩土工程材料试样，将激励弯曲元和接收弯曲元分别连接在柱型试样的两端，两个弯曲元的压电陶瓷插入到柱型岩土工程材料试样内相同深度；3)信号发生器产生脉冲电压信号作为激励信号，分为两路，其中一路经功率放大器放大后发送到示波器记录，另一路通到激励弯曲元，在柱型岩土工程材料试样中激励出弹性体波，体波在柱型测试试样中近似一维传播，能量较高的剪切波遇柱端自由边界会发生反射，测试过程中试样中产生反射的波动被接收弯曲元先后接收，转化为电压信号经电荷放大器放大后作为接收信号，发送到示波器记录。4)分析接收信号，通过理想弹性体波动理论和一维波动理论，计算获得岩土工程材料小应变粘弹性参数。所述的弹性参数具体采用以下方式计算获得：根据激励信号和弹性体波初达信号时间差，获得柱型测试试样中信号传播的体波波速，再依据理想弹性体波动理论通过以下公式求解得到该柱型测试试样材料的弹性参数，弹性参数包括剪切模量、杨氏模量和泊松比：E=(1-2μ)(1+μ)ρVp21-μ]]>G＝ρVs2μ=2-(VpVs)22-2(VpVs)2]]>其中，G表示剪切模量，E表示杨氏模量，μ表示泊松比，ρ表示材料密度，Vp为岩土工程材料压缩波传播速度，Vs为岩土工程材料剪切波传播速度。所述岩土工程材料压缩波传播速度Vp和岩土工程材料剪切波传播速度Vs分别采用以下公式计算：Vp=L-2lTp-T0-t0]]>Vs=L-2lTs-T0-t0]]>其中，T0为激励信号的起跳时间点，Tp为压缩波的初达时间点，Ts为剪切波的初达时间点，t0为激励弯曲元和接收弯曲元之间测试电路的系统延时，L为柱型测试试样的长度，l为弯曲元压电陶瓷的插入深度。所述的弹性参数具体采用以下方式计算获得：分析接收信号中先后到达剪切波的衰减情况，结合剪切波的传播距离，采用以下公式计算获得岩土工程材料材料的阻尼比：δ=SVs2π]]>其中，Vs岩土工程材料剪切波传播速度，S表示衰减系数(αf)与频率(f)的关系曲线在主能量频段处的斜率。所述衰减系数(αf)与频率(f)的关系曲线在主能量频段处的斜率S采用以下公式计算：S=ΔαfΔf]]>其中，Δαf为剪切波在主能量频段衰减系数的变化量，Δf为剪切波主能量频段的区段长。测试时尽量保持所述柱型试样悬空，防止体波在传播过程中发生透射，造成计算得到的阻尼比偏大。所述的脉冲信号可采用方波或者正弦波。二、一种弯曲元测试岩土工程材料小应变粘弹性参数的装置：包括测试试样、接收弯曲元、激励弯曲元、泡沫棒、信号发生器、功率放大器、电荷放大器和示波器，测试试样通过泡沫棒放置在平面上，测试试样的两端分别连接有接收弯曲元和激励弯曲元，接收弯曲元和激励弯曲元的压电陶瓷片均插入到测试试样中，接收弯曲元经电荷放大器与示波器连接，激励弯曲元经功率放大器与示波器连接，功率放大器与信号发生器连接。所述的接收弯曲元和激励弯曲元的压电陶瓷片均插入到测试试样的深度相同。所述的测试试样呈柱状，长短径比大于3。柱型测试试样的长径比应较大以保证体波在试样中可近似看作一维传播。所述的柱状测试试样由两根泡沫棒支起，两个支点位置分别为测试试样两端离端面0.2倍总试样长处，以保证柱状测试试样所受峰值弯矩最小，进而减少试样应力不均匀分布对测试结果的影响。弯曲元作为测试岩土体剪切波速的元件，其发展已有十数年，在土工试验中的应用也比较成熟。如今，其已经具有较好的普及性，而不仅仅存在于高校实验室中。弯曲元测试基于的波动理论相对完备，其多年的应用也具有较好成效，是目前室内试验较为可靠的波速测试元件。本专利技术弯曲元的主要材料是压电陶瓷，其在电压的激励下会产生体积变形。激励弯曲元在电压的激励下，既会产生剪切波，也会产生压缩波。在以往的弯曲元应用过程中，往往要消除压缩波引起的近场效应，为的是获得清晰的剪切波信号。但是，反过来说，近场效应也反映了试样材料的压缩波速。受弯曲元结构形式的限制，其产生的剪切波能量要远大于压缩波。可压缩波传播快，先于剪切波到达接收弯曲元，所以在接收信号中小幅值的压缩波到达信号易于分辨。至于剪切波，其能量高出压缩波一个数量级，压缩波的存在并不影响其初达信号的判别。如是，可以通过对接收信号的分析，获得测试材料的压缩波速和剪切波速。由理想弹性体波动理论可知，体波波速和材料的杨氏模量、剪切模量、泊松比有关，同时考虑三个弹性参数内在的等量关系，就能够列三个方程，求本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种弯曲元测试岩土工程材料小应变粘弹性参数的方法，其特征是包括以下步骤：1)制备柱型岩土工程材料试样，通过称重、测体积获得其材料密度；2)固定柱型岩土工程材料试样，将激励弯曲元和接收弯曲元分别连接在柱型试样的两端，两个弯曲元的压电陶瓷插入到柱型岩土工程材料试样内相同深度；3)信号发生器产生脉冲电压信号作为激励信号，分为两路，其中一路经功率放大器放大后发送到示波器记录，另一路通到激励弯曲元，在柱型岩土工程材料试样中激励出弹性体波，试样中产生反射的波动被接收弯曲元先后接收，转化为电压信号经电荷放大器放大后作为接收信号，发送到示波器记录。4)分析接收信号，计算获得岩土工程材料小应变粘弹性参数。

【技术特征摘要】
1.一种弯曲元测试岩土工程材料小应变粘弹性参数的方法，其特征是包括以
下步骤：
1)制备柱型岩土工程材料试样，通过称重、测体积获得其材料密度；
2)固定柱型岩土工程材料试样，将激励弯曲元和接收弯曲元分别连接在柱
型试样的两端，两个弯曲元的压电陶瓷插入到柱型岩土工程材料试样内相同深
度；
3)信号发生器产生脉冲电压信号作为激励信号，分为两路，其中一路经功
率放大器放大后发送到示波器记录，另一路通到激励弯曲元，在柱型岩土工程
材料试样中激励出弹性体波，试样中产生反射的波动被接收弯曲元先后接收，
转化为电压信号经电荷放大器放大后作为接收信号，发送到示波器记录。
4)分析接收信号，计算获得岩土工程材料小应变粘弹性参数。
2.根据权利要求1所述的一种弯曲元测试岩土工程材料小应变粘弹性参数
的方法，其特征是：所述的弹性参数具体采用以下方式计算获得：根据激励信
号和弹性体波初达信号之间的时间差，获得岩土工程材料试样中信号传播的体
波波速，再依据理想弹性体波动理论通过以下公式求解得到该试样材料的弹性
参数，弹性参数包括杨氏模量、剪切模量和泊松比：
E=(1-2μ)(1+μ)ρVp21-μ]]>G＝ρVs2μ=2-(VpVs)22-2(VpVs)2]]>其中，G表示剪切模量，E表示杨氏模量，μ表示泊松比，ρ表示材料密度，
Vp为岩土工程材料压缩波传播速度，Vs为岩土工程材料剪切波传播速度。
3.根据权利要求2所述的一种弯曲元测试岩土工程材料小应变粘弹性参数
的方法，其特征是：所述岩土工程材料压缩波传播速度Vp和岩土工程材料剪切
波传播速度Vs分别采用以下公式计算：
Vp=L-2lTp-T0-t0]]>Vs=L-2lTs-T0-t0]]>其中，T0为激励信号的起跳时间点，Tp为压缩波的初达时间点，Ts为剪切
波的初达时间点，t0为激励弯曲元和接收弯曲元之间测试电路的系统延时，L为
柱型试样的长度，l为弯曲元压电陶瓷的插入深度。
4.根据权利要求1所述的一种弯曲元测试岩土工程材料小应变粘弹性参数
的方法，其特征是：所述的弹性参数具体采用以下方式计算获得：分析柱型试
...

【专利技术属性】
技术研发人员：周燕国，陈捷，孟迪，孙政波，刘弈辰，黄根清，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33