一种测定土体模型动态弹性模量的试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种测定土体模型动态弹性模量的试验装置及方法，试验装置包括土工离心机和爆炸模型箱，爆炸模型箱内底设有炸药、土体模型、波速测试仪、光测系统。将经击实的土体模型置于爆炸模型箱中，引爆炸药，纪录爆炸波横纵波波速的变化数据；反推得到土体模型的动态弹性模量。本发明专利技术一种测定土体模型动态弹性模量的试验装置及方法，通过离心条件下爆炸测波速反推土体模型变形模量的方法，实现了土体动态弹性模量的动态剪切模量和动态弹性模量的同时测量，该技术方法反推出的变形模量值准确性更高，建立的模量和锤击数之间的关系便于模型试验研究，能够更好地为工程设计参数提供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种测定土体模型动态弹性模量的试验装置及方法
本专利技术属于土木工程
，涉及一种测定土体模型动态弹性模量的试验装置及方法。
技术介绍
动态弹性模量作为土动力特性的重要参数，是土层和地基地震反应分析中必备的动力参数，也是地震小区划分析中必不可少的参数。因此，测定土体动态弹性模量的方法，尤其是准确测定土体动态弹性模量的方法是非常关键的。目前，测定土体动态弹性模量的方法包括现场测试法和室内测试法。其中现场测试法对试验场地和环境条件要求较高，存在费时费力、测试条件苛刻和费用较高等缺陷。室内测试法包括静态法和动态法。静态法对测定设备要求简单，实验室测定土体弹性模量采用比较普遍。但静态法属于对试样具有破坏性质的一种方法，不具有重复测试的机会。静态法一般采用室内三轴仪进行三轴压缩试验或无侧限压缩仪进行单轴压缩试验，静态法加载较大、加载速度缓慢，易产生蠕变而使测定的土体弹性模量偏低，造成的相对误差比较高，可达到5％的相对误差率。动态法测试弹性模量，所测试的试样大小和重量范围与静态法相比较宽，对测试试样不具有破坏性质，属于无损测试。动态法一般采用超声波法，通过测定超声波在试样中的传播时间及试样长度，得到纵向和横向传播速度，求得土体动态弹性模量的值，动态法加载瞬时且频率很高，施加于土体试样上的是周期性变化非常小的应力，也无需测量应变量，就消除了静态法存在的问题。土体试样内产生的应力值仅有0.001Mpa左右，在应力-应变曲线上相当于应力接近零时测定的弹性模量。而且测定后土体试样完整无损，在同一土体试样上，可以反复进行测定。然而，尽管动态法的测定精确度很高，但一般用来测定金属、陶瓷等材料的动态弹性模量，由于这些材料的取样体与实际体之间的状态相差不大，测出的模量值较为接近实际。而室内法一般不用来测地基土的动态弹性模量，因为地基测定区域较大时，地基土取样后自重应力的损失导致与实际地基状态差别过大，会造成土体试样缩尺而引起的自重应力损失，导致土体试样应力状态与实际地基应力状态不符，从而造成土体动态弹性模量的测量值准确性下降的问题。因此，针对上述室内测试法在土体动态弹性模量测试方面的的问题，有必要提供一种新型的能够在室内条件下准确测定土体模型动态弹性模量的方法，解决室内测试法因土体试样缩尺而引起的自重应力损失的问题，从而提高土体动态弹性模量的测量准确性。
技术实现思路
为了达到上述目的，本专利技术提供一种测定土体模型动态弹性模量的试验装置及方法，通过离心条件下爆炸测波速反推土体模型变形模量的方法，利用爆炸时产生的横纵波，实现了土体动态弹性模量的动态剪切模量和动态弹性模量的同时测量，由该技术方法提供的离心爆炸波速测试反推出的变形模量值准确性更高，建立的模量和锤击数之间的关系便于模型试验研究，能够更好地为工程设计参数提供技术支撑，并且在离心试验中，爆炸装置与离心装置试验操作契合度较高；本申请解决了室内测试法因土体试样缩尺而引起的自重应力损失的问题以及现有技术中实验室土体模型动态模量值测量方法不足的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种测定土体模型动态弹性模量的试验装置，包括土工离心机，用于试验提供高速旋转，土工离心机包括转臂，转臂中心位置固定于转台，转台带动转臂旋转，转臂中心处设置测控系统，转臂的两端分别设置有相对设置的配重箱和离心机箱，配重箱用于对离心机箱进行相同质量的配重，离心机箱内放置爆炸模型箱，用于提供爆炸空间；爆炸模型箱为圆形筒体，爆炸模型箱的内壁设置有一层聚苯乙烯板，聚苯乙烯板的厚度为3cm～10cm，爆炸模型箱的内底设置一层砂层，砂层的厚度为20cm～50cm，砂层的顶部中心位置设置有炸药，用作爆炸源，炸药内部的启爆器与测控系统信号连接，砂层的顶部边缘设置有土体模型，土体模型远离炸药的一侧与爆炸模型箱的内壁贴合固定，以炸药与土体模型之间的距离为半径的圆上设置有波速测试仪，且波速测试仪与土体模型的距离，与炸药与土体模型的距离相等，波速测试仪与控制计算机信号连接，控制计算机设置在离心室信号接收范围内，在爆炸模型箱的内顶部一侧设置有光测系统，光测系统包括摄像头和照明灯，摄像头和照明灯的朝向对准土体模型，测控系统、光测系统与控制计算机信号连接。进一步地，圆形筒体为钢制，内径为900mm、内高为900mm。进一步地，摄像头与照明灯固定为一体，摄像头与照明灯共同通过转换机与无线发射器有线连接，转换机将数字信号转化成模拟信号将拍摄的视频发送给无线发射器，无线发射器与无线接收器信号连接，无线接收器与视频采集卡有线连接，视频采集卡将无线接收器接收的视频数据转换成控制计算机可辨别的数字数据，视频采集卡与控制计算机有线连接，在控制计算机的显示器上显示爆炸过程中的视频。本专利技术的另一专利技术目的，在于提供一种上述试验装置测定土体模型动态弹性模量的方法，包括以下步骤：步骤一：制备土体模型，使用模型击实筒，采用击实仪对分层填筑入模型击实筒的土体模型进行击实，得到击实后的土体模型；步骤二：将步骤一中经击实的模型击实筒自击实仪中取出，然后将经击实的土体模型自模型击实筒中取出，求出经击实的土体模型的密度ρ，再将经击实的土体模型放置于爆炸模型箱内底设置的砂层之上，砂层的顶部中心位置设置有炸药，用作爆炸源，测量炸药与土体模型之间的距离，以炸药为中心，以炸药与土体模型之间的距离为半径的圆上设置波速测试仪，且波速测试仪与土体模型的距离，与炸药与土体模型的距离相等，在爆炸模型箱的内顶部一侧安装光测系统，光测系统的摄像头与照明灯对准土体模型，完成爆炸模型箱的装配，将装配好的爆炸模型箱转移至土工离心机的离心机箱中，在土工离心机转臂的另一端安装配重箱，完成测定土体模型动态弹性模量的试验装置的装配；步骤三：启动土工离心机，土工离心机达到20g的加速度后，再启动波速测试仪，波速测试仪稳定工作后，通过测控系统引爆炸药，波速测试仪纪录爆炸波从炸药的爆炸中心传递到土体模型安放位置处的过程中横纵波波速的变化数据，自变量为时间，并通过光测系统的摄像头拍摄土体模型在爆炸过程中的视频，通过无线发射器与无线接收器将收集的爆炸过程中的视频传输给控制计算机；步骤四：根据Hooke介质无限体中横波传播速度aT与经击实的土体模型的密度ρ，由反推土体模型的动态剪切模量G，根据Hooke介质无限体中纵波传播波速aL与经击实的土体模型的密度ρ，由反推土体模型的拉梅弹性常数λ，由λ＝2Gν/(1-2ν)求得土体模型的动态弹性常数ν，由E＝2G(1+ν)反推得到土体模型的动态弹性模量E；步骤五：重复步骤一～步骤四若干次，得到若干组平行试验组，将若干组平行试验组得到的试验数据动态弹性模量E取平均值，作为最终的土体模型的动态模量值，然后，以土体模型的击实次数为横坐标，相应的土体模型的动态变形模量值为纵坐标绘制关系图，进行曲线拟合，得到击实次数与动态变形模量值之间的对应关系曲线。进一步地，步骤一中，制备土体模型，使用模型击实筒，采用击实仪对分层填筑入模型击实筒的土体模型进行击实，得到击实后的土体模型，具体为：选取试验土体，向试验土体中添加水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测定土体模型动态弹性模量的试验装置，其特征在于，包括土工离心机(8)，用于试验提供高速旋转，土工离心机(8)包括转臂(8-1)，所述转臂(8-1)中心位置固定于转台(8-2)，所述转台(8-2)带动转臂(8-1)旋转，所述转臂(8-1)中心处设置测控系统(4)，所述转臂(8-1)的两端分别设置有相对设置的配重箱(8-3)和离心机箱(8-4)，所述配重箱(8-3)用于对离心机箱(8-4)进行相同质量的配重，所述离心机箱(8-4)内放置爆炸模型箱(3)，用于提供爆炸空间；/n所述爆炸模型箱(3)为圆形筒体，爆炸模型箱(3)的内壁设置有一层聚苯乙烯板(6)，聚苯乙烯板(6)的厚度为3cm～10cm，爆炸模型箱(3)的内底设置一层砂层(7)，砂层(7)的厚度为20cm～50cm，砂层(7)的顶部中心位置设置有炸药(2)，用作爆炸源，炸药(2)内部的启爆器与测控系统(4)信号连接，砂层(7)的顶部边缘设置有土体模型(1)，土体模型(1)远离炸药(2)的一侧与爆炸模型箱(3)的内壁贴合固定，以炸药(2)与土体模型(1)之间的距离为半径的圆上设置有波速测试仪(9)，且波速测试仪(9)与土体模型(1)的距离，与炸药(2)与土体模型(1)的距离相等，波速测试仪(9)与控制计算机(10)信号连接，控制计算机(10)设置在离心室信号接收范围内，在爆炸模型箱(3)的内顶部一侧设置有光测系统(5)，光测系统(5)包括摄像头(5-1)和照明灯(5-2)，摄像头(5-1)和照明灯(5-2)的朝向对准土体模型(1)，测控系统(4)、光测系统(5)与控制计算机(10)信号连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种测定土体模型动态弹性模量的试验装置，其特征在于，包括土工离心机(8)，用于试验提供高速旋转，土工离心机(8)包括转臂(8-1)，所述转臂(8-1)中心位置固定于转台(8-2)，所述转台(8-2)带动转臂(8-1)旋转，所述转臂(8-1)中心处设置测控系统(4)，所述转臂(8-1)的两端分别设置有相对设置的配重箱(8-3)和离心机箱(8-4)，所述配重箱(8-3)用于对离心机箱(8-4)进行相同质量的配重，所述离心机箱(8-4)内放置爆炸模型箱(3)，用于提供爆炸空间；
所述爆炸模型箱(3)为圆形筒体，爆炸模型箱(3)的内壁设置有一层聚苯乙烯板(6)，聚苯乙烯板(6)的厚度为3cm～10cm，爆炸模型箱(3)的内底设置一层砂层(7)，砂层(7)的厚度为20cm～50cm，砂层(7)的顶部中心位置设置有炸药(2)，用作爆炸源，炸药(2)内部的启爆器与测控系统(4)信号连接，砂层(7)的顶部边缘设置有土体模型(1)，土体模型(1)远离炸药(2)的一侧与爆炸模型箱(3)的内壁贴合固定，以炸药(2)与土体模型(1)之间的距离为半径的圆上设置有波速测试仪(9)，且波速测试仪(9)与土体模型(1)的距离，与炸药(2)与土体模型(1)的距离相等，波速测试仪(9)与控制计算机(10)信号连接，控制计算机(10)设置在离心室信号接收范围内，在爆炸模型箱(3)的内顶部一侧设置有光测系统(5)，光测系统(5)包括摄像头(5-1)和照明灯(5-2)，摄像头(5-1)和照明灯(5-2)的朝向对准土体模型(1)，测控系统(4)、光测系统(5)与控制计算机(10)信号连接。


2.根据权利要求1所述的一种测定土体模型动态弹性模量的试验装置，其特征在于，所述圆形筒体为钢制，内径为900mm、内高为900mm。


3.根据权利要求1所述的一种测定土体模型动态弹性模量的试验装置，其特征在于，所述摄像头(5-1)与照明灯(5-2)固定为一体，摄像头(5-1)与照明灯(5-2)共同通过转换机与无线发射器(5-3)有线连接，转换机将数字信号转化成模拟信号将拍摄的视频发送给无线发射器(5-3)，无线发射器(5-3)与无线接收器(5-4)信号连接，无线接收器(5-4)与视频采集卡(5-5)有线连接，视频采集卡(5-5)将无线接收器(5-4)接收的视频数据转换成控制计算机(10)可辨别的数字数据，视频采集卡(5-5)与控制计算机(10)有线连接，在控制计算机(10)的显示器上显示爆炸过程中的视频。


4.一种如权利要求1～3中任一项所述试验装置测定土体模型动态弹性模量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：制备土体模型(1)，使用模型击实筒，采用击实仪对分层填筑入模型击实筒的土体模型(1)进行击实，得到击实后的土体模型(1)；
步骤二：将步骤一中经击实的模型击实筒自击实仪中取出，然后将经击实的土体模型(1)自模型击实筒中取出，求出经击实的土体模型(1)的密度ρ，再将经击实的土体模型(1)放置于爆炸模型箱(3)内底设置的砂层(7)之上，砂层(7)的顶部中心位置设置有炸药(2)，用作爆炸源，测量炸药(2)与土体模型(1)之间的距离，以炸药(2)为中心，以炸药(2)与土体模型(1)之间的距离为半径的圆上设置波速测试仪(9)，且波速测试仪(9)与土体模型(1)的距离，与炸药(2)与土体模型(1)的距离相等，在爆炸模型箱(3)的内顶部一侧安装光测系统(5)，光测系统(5)的摄像头(5-1)与照明灯(5-2)对准土体模型(1)，完成爆炸模型箱(3)的装配，将装配好的爆炸模型箱(3)转移至土工离心机(8)的离心机箱(8-4)中，在土工离心机(8)转臂(8-1)的另一端安装配...

【专利技术属性】
技术研发人员：张石平，徐站，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43