本发明涉及土力学三轴试验装置、系统及试验方法，尤其是一种用于大型三轴试验仪中的测量土体剪切波速的组合式扭剪试验装置、系统及方法。
背景技术：
土体剪切波速在岩土工程设计中是非常重要的力学参数，对建筑场地类别划分、饱和砂土液化判断、土基震陷沉降以及土体各向异性程度量化等方面具有重要的意义。土体剪切波速度的室内测试技术主要包括：共振柱法、弯曲元法、超声波法等。其中，弯曲元法由于其测试原理明确、方法简单直观，已被应用在多种土工试验仪器中，其中以三轴试验仪最为广泛。然而，在大型三轴试验制样击实以及高应力条件加载过程中，弯曲元等压电材料极易破坏，导致弯曲元法多应用于细颗粒土和小型三轴试验仪，现有加装弯曲元的三轴设备目前已知支持的最大试样尺寸为150mm×300mm(直径×高度)。因此，在试验过程中，激发频率的选择范围会受到较强的限制，进而制约了频散问题的研究。弯曲元需插入测试土样中，因此对测试土样存在一定的扰动，此外，采用弯曲元法时，通常根据发射电压信号和接收电压信号计算剪切波速，然而，发射电压信号为特定的理想信号，其本身无法反映土的特性，经过土体传播后的接收信号与发射信号在属性上存在较大差异，进而对互相关法在确定剪切波传播时间上的应用造成了理论上的障碍。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种可用于大型三轴试验仪的结构合理、装配简单、操作方便且可以解决弯曲元法存在各种弊端的测量土体剪切波速的组合式试验装置、系统及方法。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案：测量土体剪切波速的组合式扭剪试验装置，由上至下依次包括约束罩体、旋转主轴及振动单元；所述振动单元包括接触底板及固定于接触底板上的压电堆栈；旋转主轴的下端插接固定于接触底板的中心，旋转主轴的上端与约束罩体固定连接。
所述接触底板的上表面固定有压电堆栈保护块，在压电堆栈保护块的侧面开设有置入槽，以使压电堆栈插接固定于该置入槽中。
所述置入槽设于压电堆栈保护块的上部，并使置入槽的开口端朝向约束罩体的内侧壁；所述约束罩体的侧壁上开有限位螺栓孔，并使该限位螺栓孔正对所述置入槽的开口端；所述压电堆栈的上端固定有保护帽，并使保护帽朝向所述限位螺栓孔将压电堆栈插入置入槽中；限位螺栓的端部通过限位螺栓孔抵于保护帽上，以使压电堆栈、接触底板及约束罩体固定于一体。
所述约束罩体的下方设有与旋转主轴的上端部和所述压电堆栈保护块相配适的限位槽，以使所述旋转主轴的上端和所述压电堆栈保护块与约束罩体插接，并通过固定件固定在一起。
所述接触底板上对称设有两个压电堆栈保护块，每个压电堆栈保护块上对称开设有两个置入槽，并使所述置入槽的轴线平行于接触底板的上端面。
所述接触底板的上表面边缘为倒角结构，接触底板侧壁设有贯穿接触底板的排水通孔。
所述保护帽为半球形端帽。
测量土体剪切波速的组合式扭剪试验系统，包括组合式扭剪试验装置、信号发生器、功率放大器、电荷放大器、示波器及至少两个加速度传感器；所述信号发生器与功率放大器相连，组合式扭剪试验装置中的压电堆栈与功率放大器相连；加速度传感器分别与电荷放大器相连，电荷放大器与示波器相连。
测量土体剪切波速的组合式扭剪试验系统的试验方法，包括以下步骤：
s1、系统安装：在三轴试验仪中制备测试土样，将组合式扭剪试验装置中约束罩体的上部与三轴试验仪的轴向加载系统相连，并使测试土样的上、下两端分别与组合式扭剪试验装置的接触底板下表面和三轴试验仪的底座紧密贴合，将组合式扭剪试验系统中的加速度传感器沿铅垂方向分别固定在测试土样侧面橡皮膜的不同高程处；并在等向围压下固结；
s2、确定剪切波传播时间：启动信号发生器产生电压脉冲作为激发信号，经功率放大器后以使压电堆栈产生纵向振动，以使振动单元产生扭转振动；通过示波器读取加速度传感器采集到的振动数据，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间的垂直距离。
本发明的有益效果在于：本发明的试验装置采用约束罩体、旋转主轴及振动单元的组合式结构，装配简单，且便于进行各个部件的替换；通过在振动单元中设置的接触底板与测试土样进行平面接触，避免了弯曲元嵌入测试土样时所引起的扰动；同时，将压电堆栈置于压电堆栈保护块的内部，使压电堆栈不与测试土样直接接触，避免了压电材料在大型三轴试验制样击实和高应力条件加载过程中易破坏的难题；本发明的试验系统通过加速度传感器可以在测试剪切波速的过程中，采集剪切波经过测试土样传播后的振动信号，其采集到的振动信号属性较为接近，可以方便地通过特征点法或互相关法得到剪切波速。本发明结构简单合理、装配简单、操作方便，在岩土工程及结构健康监测领域具有良好的推广价值。
附图说明
图1是本发明的试验装置安装前的结构示意图。
图2是本发明的试验装置安装后的结构示意图。
图3是本发明中压电堆栈保护块的结构示意图。
图4是本发明中压电堆栈的结构示意图。
图5是本发明的试验装置的限位螺栓与压电堆栈的结构关系示意图。
图6是本发明的试验装置安装后的外观结构示意图。
图7是本发明的试验系统的连接结构示意图。
图8是本发明中制备的测试土样的试验级配曲线。
图9是本发明采用特征点法确定剪切波传播时间的试验结果曲线图。
图10是本发明采用互相关法确定剪切波传播时间的试验结果曲线图。
图中：1-约束罩体、2-旋转主轴、3-振动单元、4-压电堆栈、5-加速度传感器、6-接触底板、7-压电堆栈保护块、8-测试土样、9-限位螺栓孔、10-三轴试验仪、11-信号发生器、12-功率放大器、13-电荷放大器、14-示波器、1a-限位槽、4a-半球形端帽、6a-排水通孔、7a-置入槽、9a-限位螺栓、10a-轴向加载系统。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明进行说明：
图1和图2是本发明的测量土体剪切波速的组合式扭剪试验装置安装前、后的结构示意图。测量土体剪切波速的组合式扭剪试验装置，由上至下依次包括约束罩体1、旋转主轴2及振动单元3；振动单元3采用可拆卸式结构：包括接触底板6、固定于接触底板6上的压电堆栈保护块7及设于压电堆栈保护块7内的压电堆栈4；旋转主轴2的下端插接固定于接触底板6的中心，旋转主轴2的上端与约束罩体1固定连接；具体地，如图1所示：在约束罩体1的下方设有与旋转主轴2的上端部和压电堆栈保护块7相配适的限位槽1a，以使旋转主轴2的上端和压电堆栈保护块7与约束罩体1插接，并通过螺栓等固定件固定在一起。
如图1-2所示，优选在接触底板6的上表面通过螺栓对称固定有两个压电堆栈保护块7。在每个压电堆栈保护块7的侧面开设有置入槽7a，以使压电堆栈4插接固定于该置入槽7a中，这样的结构设计避免了压电堆栈4直接与测试土样8接触，避免了压电材料在大型三轴试验制样击实和高应力条件加载过程中易破坏的难题。
进一步地，图3示出了每个压电堆栈保护块7的具体结构：优选将置入槽7a设于压电堆栈保护块7的上部，每个压电堆栈保护块7上对称开设有两个置入槽7a，置入槽7a的轴线平行于接触底板6的上端面且保证置入槽7a的开口端朝向约束罩体1的内侧壁。同时，如图1所示，在约束罩体1的侧壁上开有限位螺栓孔9，并使该限位螺栓孔9正对置入槽7a的开口端；压电堆栈4的上端可通过环氧树脂固定一半球形端帽4a作为保护帽(如图4所示)，并使半球形端帽4a朝向限位螺栓孔9而将压电堆栈4插入置入槽7a中；采用扭矩扳手将限位螺栓9a通过限位螺栓孔9拧入，以使限位螺栓9a的端部通过限位螺栓孔9抵于半球形端帽4a上(如图5所示)，以使压电堆栈4、接触底板6及约束罩体1固定于一体，得到图6的试验装置。半球形端帽4a的设置在为压电堆栈4提供保护作用的同时也使得在限位螺栓9a的端部与压电堆栈4抵靠接触时受力更加均匀。
接触底板6的上表面边缘为倒角结构，接触底板6侧壁设有贯穿接触底板6的排水通孔6a。如图1所示，优选将排水通孔6a设置于倒角结构处。
测量土体剪切波速的组合式扭剪试验系统，如图7所示，包括图1-2所示的组合式扭剪试验装置、信号发生器11、功率放大器12、电荷放大器13、示波器14及两个加速度传感器5；信号发生器11与功率放大器12相连，组合式扭剪试验装置中的压电堆栈4与功率放大器12相连；两个加速度传感器5分别与电荷放大器13相连，电荷放大器13与示波器14相连。其中，信号发生器11用于产生电压脉冲作为激发信号，经功率放大器12后使压电堆栈4产生纵向振动。加速度传感器5用于采集测试土样8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13后同时显示和储存在示波器14上为剪切波的传播时间计算提供数据。在这一过程中，旋转主轴2会有极为微小的转动。本发明采用旋转主轴的主要目的为了减小阻尼。
测量土体剪切波速的组合式扭剪试验系统的试验方法，包括以下步骤：
s1、系统安装：按《土工试验规程》(sl237-1999)中常规试验方法制备测试土样8。将组合式扭剪试验装置的约束罩体1的上部与三轴试验仪10的轴向加载系统10a相连，并使测试土样8的上、下两端分别与组合式扭剪试验装置的接触底板6下表面和三轴试验仪10的底座紧密贴合，将组合式扭剪试验系统中的两个加速度传感器5沿铅垂方向分别固定在测试土样8侧面橡皮膜的不同高程处；并在等向围压下固结。
s2、确定剪切波传播时间：启动信号发生器11产生电压脉冲作为激发信号，经功率放大器12后使压电堆栈4产生纵向振动，同时在约束罩体1提供反作用力的条件下，振动单元3将产生扭转振动，该振动以扭剪波的形式经过测试土样8传播，测试土样8侧面不同高程处的加速度传感器5采集振动信号并将其转变为电信号，经电荷放大器13后同时显示和储存在示波器14上；通过示波器14读取加速度传感器5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8的剪切波速为l/δt，其中，l为两个加速度传感器5间的垂直距离。
以下通过实施例说明测量土体剪切波速的组合式扭剪试验系统的试验方法的具体步骤：
实施例：
测量土体剪切波速的组合式扭剪试验系统的试验方法：
s1、系统安装：按《土工试验规程》(sl237-1999)中的常规试验方法在大型三轴试验仪10上制备测试土样8，其级配曲线如图8所示。将组合式扭剪试验装置的约束罩体1的上部与三轴试验仪10的轴向加载系统10a相连，并使测试土样8的上、下两端分别与组合式扭剪试验装置的接触底板6下表面和三轴试验仪10的底座紧密贴合，将组合式扭剪试验系统中的两个加速度传感器5沿铅垂方向分别固定在测试土样8侧面的不同高程处且两个加速度传感器5间的距离设置为0.351m，随后在80kpa等向围压下固结30min。
s2、确定剪切波传播时间：启动信号发生器11产生电压脉冲作为激发信号，激发信号的频率为2khz。如图5所示，在组合式扭剪试验装置中的四个压电堆栈4中，m、q两处输入的电压信号相位相同，n、p两处输入的电压信号相位相同，m、n(或p、q)两处输入的电压信号相位相反，即相差π。信号发生器11产生的电压信号经功率放大器12后使置于振动单元3内部的压电堆栈4产生纵向振动，使得当m、q两处的压电堆栈4同步伸长的同时n、p两处的压电堆栈4同步缩短，反之亦然，约束罩体1提供反作用力，在四个压电堆栈4的共同作用下，振动单元3整体产生扭转振动，振动以扭剪波的形式经过测试土样8传播，测试土样8侧面的两个加速度传感器5分别采集振动信号并将其转变为电信号，经过电荷放大器13后同时显示和储存在示波器14上，根据记录结果，采用特征点法(峰值-峰值)和互相关法分别计算剪切波的传播时间δt，计算结果见图9～图10。其中，图9为采用特征点法确定剪切波传播时间的试验结果曲线图。其结果展示了两个加速度传感器5(记为传感器-上、传感器-下)所采集的振动信号的时域结果，分别根据上下两个加速度传感器5所采集的振动信号的第一个峰值点所对应的时间差即可确定传播时间；图10是本发明采用互相关法确定剪切波传播时间的试验结果曲线图。展示的是上、下两个加速度传感器5(记为传感器-上、传感器-下)采集的振动信号所对应的归一化互相关函数：
s3、剪切波速计算：根据l/δt，其中，l＝0.351m，得到特征点法和互相关法所计算的剪切波速分别为230.6m/s以及234.0m/s。
以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。