专利名称：在土工静、动三轴仪内测试剪切波速的新技术方法－1的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种岩土工程测试技术。
背景技术：
在岩土工程中，土层的剪切波速是一个重要的土性参数，已得到高度的重视和广泛的应用。目前在土工静、动三轴仪内常用弯曲单元法进行剪切波速的测试。该方法存在以下缺点①弯曲单元需要插入被测试件一定的深度(一般为3mm)，从而造成对插入深度范围内一定的扰动，同时也造成剪切波传播长度的不确定性，仅此一项造成的误差可以达到16％；②近场效应和杂散波的干扰使得剪切波的初至时刻带有较大的主观性，由此带来的测量误差可以达到30％；③弯曲单元产生的是一种偏振波，测试时必需将发射和接收单元的敏感方向排列一致，才能有效接收到测试信号；④由于弯曲元需经常插入土中，绝缘和防水问题较难处理，这也限制了该装置的使用寿命。另外，在超声工程中采用的普通型剪切波传感器一般是利用单片厚度切变型PZT晶片制成。该类传感器在室内进行土样剪切波速的测量时存在以下问题①厚度切变是一种高频振动模式(用于制作传感器的厚度切变振动模式的晶片振动频率通常大于400kHz)，机电耦合系数较低，传感器辐射能量小，剪切波传播距离很短；②PZT晶片的特征阻抗远大于土样的特征阻抗，这使得二者之间很难匹配，从而进一步减小了进入土体的剪切波能量；③无法抑制纵波干扰，尤其对于像粘土、饱和松散砂土这类高损耗的介质，纵波干扰十分严重，这使得该方法只适合测试干砂的剪切波速，并且需要配合滤波技术和一定的振相识别技巧。因此，几乎无法在动、静三轴试验中利用这类传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、工作频率低(5kHz-30kHz)、剪切振动辐射能量大而且能够与各种静、动三轴剪切仪相配套测试剪切波速的新技术，从而克服弯曲单元方法和普通型剪切波速传感器所存在的缺点。
本发明的技术方法如附图1～附图3所示。在土工静、动三轴仪内测试剪切波速的新技术-1由上下外壳(1)、辐射体(2)和振子(3)组成新的传感器(以下可简称传感器)，辐射体(2)为轻质硬金属圆柱体，其中心设有排水管路(6)，辐射体(2)的端部外沿有一半圆形凹槽，辐射体(2)与上、下外壳(1)之间通过凹槽内的O型圈(7)密封连接。辐射体(2)的高度大于传统传感器2cm以上。上部外壳(1)为空心法兰状，下部外壳(1)设有电缆引出孔(9)，底部有一底座固定孔(8)，以便于用螺栓(5)与三轴仪的底座固定。辐射体(2)既作为剪切波的辐射体，同时也作为加力、土样固定和排水的器件。振子(3)采用PZT压电陶瓷和环氧树脂复合材料制成圆环状，并采用沿圆环切向极化的方式进行极化，在圆环的上下两面镀银作为电极，在交变电场的作用下，圆环将产生扭转振动。振子的上、下两个电极与电缆(4)连接，电缆通过电缆引出孔(9)并穿过由内套管(12)外套管(11)及密封胶圈(13)组成的引出线接头(10)固定于下外壳(1)。外套管(11)与上、下外壳(1)固定，挤压内套管(12)使密封胶圈(13)变形而将电缆(4)密封。上下外壳采用不锈钢或其他金属制成。当通过电缆(4)给振子(3)施加交变的电压时，振子产生扭转振动，这个振动以波的形式通过辐射体向外辐射。相反，当辐射体接收到扭转振动信号时，便带动振子产生扭转振动，于是，在振子的上下两面产生交变的电荷。
图1为本发明的各部件组装图。其中1-上、下外壳；2-辐射体；3-振子；4-电缆；5-固定螺栓；6-排水管路；7-O型圈；8-底座固定孔；9-电缆引出孔；10-引出线接头。
图2为振子(3)结构图。
图3为电缆引出接头(10)的结构图。其中11-外套管；12-内套管；13-密封胶圈。
图4为本发明在静、动三轴仪内进行剪切波速测试的实施例实验装置图。其中14-三轴压力室；15-上下两个剪切波速传感器；16-土样试件；17-乳胶膜；18-声波发射接收仪；19-排水阀；20-三轴仪加力板；4引出电缆。
具体实施例参照附图1～4。上、下外壳为不锈钢或其它金属制成，外形尺寸为φ40mm～φ80mm×30～80mm(根据配套三轴仪的尺寸定)。辐射体为轻质硬金属的圆柱体，具体尺寸与外壳相配合，中心设有φ3mm的排水路径。振子为φ10mm～φ30mm×φ20mm～φ75mm×5mm～30mm的圆环(根据需要的振动频率定)。组装时先将振子的上下电极与引出电缆(4)连接好，然后将电缆通过电缆引出孔引出外壳，穿过电缆引出接头将电缆固定在外壳上。在辐射体与外壳端部凹槽中套上O型圈。加压将粘结在一起的辐射体和振子压入外壳中。
采用辐射体的尺寸为φ39.1mm，上部传感器(辐射体与振子)高度50mm，下部传感器高度70mm，采用振子尺寸为φ10mm×φ20mm×5mm。将该传感器(15)放置于三轴压力室内，组成动三轴仪内测试剪切波速的装置如图4所示。使用时，将下部传感器用固定螺栓(5)固定在三轴压力室的底座上，并将传感器电缆引出压力室。然后将φ39.1mm×80mm的土样试件(16)外面套上乳胶膜(17)，乳胶膜长出部分套在上、下部传感器的辐射体上。压力室内加压，打开上下传感器排水管路上的排水阀(19)进行排水固结，经过规定的时间后，用声波发射接收仪(18)对上部或下部的传感器发射一交变电信号，使传感器发射剪切波，剪切波通过土样试件后，由另一端的传感器接收并将剪切波信号转换成交变的电荷，此电信号经声波发射接收仪(18)放大接收。由声波发射接收仪测得从发射到接收的时间间隔，即是剪切波通过土样的时间，试件的长度已知，则土样的剪切波速即可确定。
本发明的有益效果在于首次应用扭剪振动的原理，将压电复合材料制成适用于测试土样剪切波速的传感器。传感器具有振动频率低、体积小、辐射能量大、穿透厚度大和剪切波波形纯净、抗干扰能力强等优点。对于测试直径3.91cm试样传感器的振动频率可以做到10kHz，极大提高了剪切波速的测量距离。同时，采用压电复合材料易于调节振子和土试件的阻抗匹配，这也增大了进入土体的剪切波辐射能量。其密封装置可以在1Mpa压力的水中正常工作，且不发生渗漏。本发明易与现有的各种静、动三轴剪切仪相配合，组成剪切波速与静、动三轴剪切联合测试设备，从而形成一种新型的土工联合试验装置。
权利要求
1.在土工静、动三轴仪内测试剪切波速的新技术方法-1，其特征是采用上、下外壳(1)，辐射体(2)和振子(3)等组成新的传感器，辐射体(2)为轻质硬金属圆柱体，辐射体中心设有排水管路(6)，端部外沿有一半圆形凹槽，辐射体(2)的高度大于传统传感器2cm以上，辐射体(2)与上、下外壳(1)之间通过凹槽内的O型圈(7)密封连接，振子(3)采用PZT压电陶瓷和环氧树脂复合材料制成圆环状，采用沿圆环切向极化的方式进行极化，在圆环的上下两面镀银，振子的上下电极与电缆(4)连接，引出线接头(10)将电缆(4)固定于下外壳(1)，上部外壳(1)为空心法兰状，下部外壳-1设有电缆引出孔(9)，底部有一盲孔。
2.按照权利要求1所述的在土工静、动三轴仪内测试剪切波速的新技术方法-1，其特征是所述的引出线接头(10)由内套管(12)外套管(11)及密封胶圈(13)组成，电缆(4)穿过内外套管(12、11)，外套管(11)与下外壳(1)固定，挤压内套管(12)使密封胶圈(13)变形将其电缆(4)密封。
3.按照权利要求1或2所述的在土工静、动三轴仪内测试剪切波速的新技术方法-1，其特征是所述的辐射体(2)既作为剪切波的辐射体，同时也作为加力、土样固定和排水的器件。
全文摘要
本发明涉及到一种在土工静、动三轴仪内测试岩土剪切波速的新技术方法。采用上、下外壳，辐射体，振子，电缆等将辐射体和振子组成新的传感器。辐射体为轻质硬金属圆柱体，其高度大于传统传感器2cm以上。辐射体既作为剪切波的辐射体，同时也作为加力、土样固定和排水的器件。振子采用PZT压电陶瓷和环氧树脂复合材料制成圆环状，在圆环的上下两面镀银，上、下两个电极与电缆连接，引出线接头将电缆固定于外壳。给振子施加交变或脉冲电压使其产生扭转振动，此振动以波的形式通过辐射体向外辐射。本发明的优点是将压电复合材料制成适用于测试土样剪切波速的传感器，具有振动频率低、体积小、辐射能量大和剪切波波形纯净、抗干扰能力强等优点。
文档编号G01N33/24GK1458522SQ0312992
公开日2003年11月26日 申请日期2003年5月23日 优先权日2003年5月23日
发明者王建华, 程国勇, 张立 申请人:天津大学