一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统的制作方法

本发明涉及土工模型试验技术领域，具体涉及一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统。

背景技术：

土工模型试验技术是国内外岩土工程界公认的最有效的土力学及岩土工程研究手段之一；基于相似理论，依据原型几何及材料物理力学特征制备小尺度模型，针对模型施加精准可控的初始和边界条件，进而模拟固结、渗流、失稳破坏等各类物理过程以探究相应的岩土工程问题；与现场试验相比，土工模型试验具有成本低、可重复性强、边界条件清晰、测量数据丰富可靠等优点，在岩土工程领域应用广泛。

按照所处试验环境的自重应力水平，土工模型试验可分为1g常重力场下的模型试验和ng超重力场下的离心模型试验；1g常重力场下的模型试验在地面完成，而离心模型试验利用离心机所产生的离心力场来提高模型的体积力，模拟原型在自然重力场下的行为，通过控制离心加速度保证在原型与模型几何相似的前提下，保持原型与模型的力学特性相似、应力应变相同以及破坏机理相同等，达到在小尺度模型中再现原型的应力状态进而模拟各类土工构筑物工程特性的目的。

剪切波速(vs)是岩土材料的重要力学参数，在土动力学及岩土工程抗震领域应用广泛；压电弯曲元(下文中简称弯曲元)剪切波速测试技术是测量岩土材料剪切波速的有效手段之一，弯曲元由两片长度可伸缩的压电陶瓷片和中间的金属垫片粘合而成，经绝缘、防水等处理后，将弯曲元固定于支撑体内形成类似悬臂梁的结构，形成可以发射或接收剪切波的设备，用于发射、接收剪切波的弯曲元分别称为发射器、接收器；在单脉冲正弦波等电信号作用下，发射器靠近支撑体的固支端保持静止，而其自由端沿其厚度方向振动，带动周围土体颗粒运动，诱发剪切波；该剪切波经土体传播后到达接收器，带动接收器弯曲元自由端振动，进而诱发电信号；通过对比发射、接收信号能够确定剪切波在土体的传播时间(t)，因传播距离(l)一般为已知量，据此即可计算剪切波速vs＝l/t；因弯曲元剪切波速测试过程中，引起的土体应变较小，一般不超过10^-5～10^-6，土体微观结构改变极小，可实现无损检测；另外，该系统具备操作简便、成本低等优势；目前，此类测试系统已经被应用于固结试验、三轴试验、循环扭剪试验等室内试验中。

如图7所示，现有弯曲元剪切波速测试系统包括信号发生器、功率放大器、发射器、接收器、滤波器、示波器等部分；信号发生器用以生成初始激励电信号，例如，单脉冲正弦波信号；该电信号经功率放大器放大后形成最终激励电信号，用以激励发射器，诱发剪切波，剪切波在模型土体内传播一定距离后到达接收器，接收器随之发生振动并产生电信号，该电信号经滤波器进行适当滤波及放大后，接入示波器采集通道，如图7所示，初始激励电信号与示波器另一采集通道相连；通过比较两通道采集的电信号时程曲线，即可确定剪切波传播时间，进而确定剪切速度。

该技术方案所得剪切波速为传播路径上土体剪切波速的平均值，仅适用于剪切波速分布较为均匀的情况，例如前文中提到的固结试验、三轴试验、循环扭剪试验等试验工况。对于其他土工模型试验，例如模拟桩体贯入过程的模型桩贯入试验，土体内剪切波速的空间分布较不均匀，若简单地在剪切波速急剧变化区增加发射器和接收器，将显著影响土体内剪切波速分布，进而导致测量结果误差较大，同时，该方法可造成测试系统成本的急剧增加；若将发射器和接收器布置在剪切波速急剧变化区外侧，则测得的剪切波速为其平均值而非空间分布，难以实现剪切波速的精准量测。

技术实现要素：

为此，本发明提供一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统，以解决现有技术中模型桩贯入等室内土工模型试验中剪切波速难以精准量测的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的第一方面，一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统，包括主控组件、信号发生及激励信道调度组件、弯曲元及支撑框架组件以及接收信道调度及数据采集组件，主控组件与信号发生及激励信道调度组件以及接收信道调度及数据采集组件电连接，信号发生及激励信道调度组件与弯曲元及支撑框架组件电连接，弯曲元及支撑框架组件与接收信道调度及数据采集组件电连接。

进一步地，主控组件包括电脑终端和主控板，电脑终端与主控板电连接，主控组件用于实现对激励信道、接收信道的控制及对数采系统的控制，主控板为arduino板。

进一步地，信号发生及激励信道调度组件包括信号发生器、功率放大器以及激励波信道调度电路板，信号发生器产生的连续输出的多组单脉冲电信号经功率放大器适当放大后，接入激励波信道调度电路板的输入端，激励波信道调度电路板的输出信道与弯曲元及支撑框架组件的各发射器相连，通过控制激励波信道调度电路板的输出信道的开合将激励波依次输入弯曲元及支撑框架组件的各发射器，实现在同一时刻仅有一个发射器振动。

进一步地，弯曲元及支撑框架组件包括发射器、接收器及支撑框架，支撑框架包括第一层支撑梁、第二层支撑梁、第三层支撑梁、第一支撑柱、第二支撑柱以及第三支撑柱，第一层支撑梁、第二层支撑梁以及第三层支撑梁自上而下间隔水平布置，第一层支撑梁、第二层支撑梁以及第三层支撑梁均分别由四根弧形支撑梁组成，每层的两组弧形支撑梁上设置有发射器，每层的另外两组弧形支撑梁上设置有接收器；第一层支撑梁与第二层支撑梁通过四个第一支撑柱连接，第二层支撑梁与第三层支撑梁通过四个第二支撑柱连接，第三层支撑梁下端设置有四个第三支撑柱。

进一步地，第一层支撑梁包括两组第一发射支撑梁和两组第一接收支撑梁，两组第一发射支撑梁相邻设置，两组第一接收支撑梁相邻设置，第一发射支撑梁上设置有发射器，第一接收支撑梁上设置有接收器；第二层支撑梁包括两组第二发射支撑梁和两组第二接收支撑梁，两组第二发射支撑梁相邻设置，两组第二接收支撑梁相邻设置，第二发射支撑梁上设置有发射器，第二接收支撑梁上设置有接收器；第三层支撑梁包括两组第三发射支撑梁和两组第三接收支撑梁，两组第三发射支撑梁相邻设置，两组第三接收支撑梁相邻设置，第三发射支撑梁上设置有发射器，第三接收支撑梁上设置有接收器。

进一步地，弯曲元及支撑框架组件还包括第一隔振垫、第二隔振垫以及第三隔振垫；相邻第一发射支撑梁之间的连接处设置有第一隔振垫，相邻第一接收支撑梁之间的连接处设置有第一隔振垫，第一发射支撑梁与第一接收支撑梁之间的连接处设置有第一隔振垫；相邻第二发射支撑梁之间的连接处设置有第二隔振垫，相邻第二接收支撑梁之间的连接处设置有第二隔振垫，第二发射支撑梁与第二接收支撑梁之间的连接处设置有第二隔振垫；相邻第三发射支撑梁之间的连接处设置有第三隔振垫，相邻第三接收支撑梁之间的连接处设置有第三隔振垫，第三发射支撑梁与第三接收支撑梁之间的连接处设置有第三隔振垫。

进一步地，还包括第四隔振垫、第五隔振垫、第六隔振垫和第七隔振垫，第一支撑柱的上下两端分别设置有第四隔振垫，第二支撑柱的上下两端分别设置有第五隔振垫，第三支撑柱的上端设置有第六隔振垫，第三支撑柱的下端设置有第七隔振垫，第七隔振垫用于抵接在模型箱底板上。

进一步地，第一层支撑梁、第二层支撑梁以及第三层支撑梁上均分别设置有14个发射器和14个接收器；第一发射支撑梁、第二发射支撑梁以及第三发射支撑梁上均设置有7个发射器，第一接收支撑梁、第二接收支撑梁以及第三接收支撑梁上均设置有7个接收器。

进一步地，接收信道调度及数据采集组件包括接收信道调度电路板和示波器，每块接收信道调度电路板包含7个输入通道和1个输出通道，输入通道连接接收器，输出通道连接示波器的采集通道；示波器为picoscope示波器，通过控制输入通道的开合，可利用1个picoscope示波器的采集通道采集多个接收器的信号。

进一步地，接收信道调度电路板的数量为6组，示波器的数量为2个，采集通道的数量为6个。

进一步地，还包括模型箱，弯曲元及支撑框架组件设置在模型箱内，弯曲元及支撑框架组件的中心线与模型桩的贯入中心线重合。

进一步地，采用砂雨法制作模型，依据桩体贯入速度，预先设定激励信道、接收信道调度程序，保证达到指定贯入深度时依次完成各发射器的发射和相应的接收器信号采集工作。

本发明具有如下优点：通过本发明的一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统，实现了剪切波速三维空间分布的精准量测，解决了模型桩贯入等室内土工模型试验中剪切波速难以精准量测的问题；实现对多断层剪切波速分布的精准量测，适用于地面土工模型试验及离心模型试验；可满足模型桩贯入试验等不同土工模型试验要求，可重复应用于不同试验场合，降低试验成本；通过采用arduino板及控制软件、电路板实现对激励信道、接收信道的精准控制，从而实现发射器的依次振动，避免同时振动带来的干扰，实现单个picoscope示波器采集通道对多个接收器信号的依序采集。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明一些实施例提供的一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统的结构图。

图2为本发明一些实施例提供的一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统的详细结构图。

图3为本发明一些实施例提供的一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统的弯曲元及支撑框架组件的立体图。

图4为本发明一些实施例提供的一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统的弯曲元及支撑框架组件的主视图。

图5为本发明一些实施例提供的一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统的弯曲元及支撑框架组件的俯视图。

图6为本发明一些实施例提供的一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统的不同贯入深度时剪切波速分布图。

图7为现有技术中弯曲元剪切波速测试系统示意图。

图中：100、主控组件，110、电脑终端，120、主控板，200、信号发生及激励信道调度组件，210、信号发生器，220、功率放大器，230、激励波信道调度电路板，300、弯曲元及支撑框架组件，301、发射器，302、接收器，303、第一隔振垫，304、第二隔振垫，305、第三隔振垫，306、第四隔振垫，307、第五隔振垫，308、第六隔振垫，309、第七隔振垫，310、第一支撑柱，311、第二支撑柱，312、第三支撑柱，313、第一发射支撑梁，314、第一接收支撑梁，315、第二发射支撑梁，316、第二接收支撑梁，317、第三发射支撑梁，318、第三接收支撑梁，400、接收信道调度及数据采集组件，410、示波器，420、接收信道调度电路板。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例中的一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统，包括主控组件100、信号发生及激励信道调度组件200、弯曲元及支撑框架组件300以及接收信道调度及数据采集组件400，主控组件100与信号发生及激励信道调度组件200以及接收信道调度及数据采集组件400电连接，信号发生及激励信道调度组件200与弯曲元及支撑框架组件300电连接，弯曲元及支撑框架组件300与接收信道调度及数据采集组件400电连接。

本实施例达到的技术效果为：通过本实施例的一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统，实现了剪切波速三维空间分布的精准量测，解决了模型桩贯入等室内土工模型试验中剪切波速难以精准量测的问题；实现对多断层剪切波速分布的精准量测，适用于地面土工模型试验及离心模型试验；可满足模型桩贯入试验等不同土工模型试验要求，可重复应用于不同试验场合，降低试验成本；通过采用arduino板及控制软件、电路板实现对激励信道、接收信道的精准控制，从而实现发射器301的依次振动，避免同时振动带来的干扰，实现单个picoscope示波器采集通道对多个接收器302信号的依序采集。

实施例2

如图2至图5所示，本实施例中的一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统，包括实施例1中的全部技术特征，除此之外，主控组件100包括电脑终端110和主控板120，电脑终端110与主控板120电连接，主控组件100用于实现对激励信道、接收信道的控制及对数采系统的控制，主控板120为arduino板；在本实施例中，主控组件100还包括arduino控制软件、picoscope控制软件。

其次，信号发生及激励信道调度组件200包括信号发生器210、功率放大器220以及激励波信道调度电路板230，信号发生器210产生的连续输出的多组单脉冲电信号经功率放大器220适当放大后，接入激励波信道调度电路板230的输入端，激励波信道调度电路板230的输出信道与弯曲元及支撑框架组件300的各发射器301相连，通过控制激励波信道调度电路板230的输出信道的开合将激励波依次输入弯曲元及支撑框架组件300的各发射器301，实现在同一时刻仅有一个发射器301振动，从而避免多组发射器301同时振动导致接收信号间相互干扰。

再次，如图4至图5所示，弯曲元及支撑框架组件300包括发射器301、接收器302及支撑框架，支撑框架包括第一层支撑梁、第二层支撑梁、第三层支撑梁、第一支撑柱310、第二支撑柱311以及第三支撑柱312，第一层支撑梁、第二层支撑梁以及第三层支撑梁自上而下间隔水平布置，第一层支撑梁、第二层支撑梁以及第三层支撑梁均分别由四根弧形支撑梁组成，每层的两组弧形支撑梁上设置有发射器301，每层的另外两组弧形支撑梁上设置有接收器302；第一层支撑梁与第二层支撑梁通过四个第一支撑柱310连接，第二层支撑梁与第三层支撑梁通过四个第二支撑柱311连接，第三层支撑梁下端设置有四个第三支撑柱312，通过设置第三支撑柱312，实现了其稳定的坐落于模型箱底板上。

具体的，第一层支撑梁包括两组第一发射支撑梁313和两组第一接收支撑梁314，两组第一发射支撑梁313相邻设置，两组第一接收支撑梁314相邻设置，第一发射支撑梁313上设置有发射器301，第一接收支撑梁314上设置有接收器302；第二层支撑梁包括两组第二发射支撑梁315和两组第二接收支撑梁316，两组第二发射支撑梁315相邻设置，两组第二接收支撑梁316相邻设置，第二发射支撑梁315上设置有发射器301，第二接收支撑梁316上设置有接收器302；第三层支撑梁包括两组第三发射支撑梁317和两组第三接收支撑梁318，两组第三发射支撑梁317相邻设置，两组第三接收支撑梁318相邻设置，第三发射支撑梁317上设置有发射器301，第三接收支撑梁318上设置有接收器302。

具体的，弯曲元及支撑框架组件300还包括第一隔振垫303、第二隔振垫304以及第三隔振垫305；相邻第一发射支撑梁313之间的连接处设置有第一隔振垫303，相邻第一接收支撑梁314之间的连接处设置有第一隔振垫303，第一发射支撑梁313与第一接收支撑梁314之间的连接处设置有第一隔振垫303；相邻第二发射支撑梁315之间的连接处设置有第二隔振垫304，相邻第二接收支撑梁316之间的连接处设置有第二隔振垫304，第二发射支撑梁315与第二接收支撑梁316之间的连接处设置有第二隔振垫304；相邻第三发射支撑梁317之间的连接处设置有第三隔振垫305，相邻第三接收支撑梁318之间的连接处设置有第三隔振垫305，第三发射支撑梁317与第三接收支撑梁318之间的连接处设置有第三隔振垫305。

具体的，还包括第四隔振垫306、第五隔振垫307、第六隔振垫308和第七隔振垫309，第一支撑柱310的上下两端分别设置有第四隔振垫306，第二支撑柱311的上下两端分别设置有第五隔振垫307，第三支撑柱312的上端设置有第六隔振垫308，第三支撑柱312的下端设置有第七隔振垫309，第七隔振垫309用于抵接在模型箱底板上；通过设置第四隔振垫306，以防止层间信号的相互干扰；通过设置第五隔振垫307以防止层间信号的相互干扰，通过设置第七隔振垫309，防止外部信号的干扰。

在一些具体的实施例中，第一层支撑梁、第二层支撑梁以及第三层支撑梁上均分别设置有14个发射器301和14个接收器302；第一发射支撑梁313、第二发射支撑梁315以及第三发射支撑梁317上均设置有7个发射器301，第一接收支撑梁314、第二接收支撑梁316以及第三接收支撑梁318上均设置有7个接收器302，通过上述设置，可实现对测量区域内部156条传播路径的量测，利用反演分析方法，可得到内部剪切波速分布；设置3层该类水平框架，实现多断面剪切波速层析成像，可针对不同试验目的根据测试需要扩展层数；由于该框架结构布置于剪切波速急剧变化区外侧，有效避免了测量设备的设置对剪切波速分布的影响。

另外，接收信道调度及数据采集组件400包括接收信道调度电路板420和示波器410，每块接收信道调度电路板420包含7个输入通道和1个输出通道，输入通道连接接收器302，输出通道连接示波器410的采集通道；示波器410为picoscope示波器，通过控制输入通道的开合，可利用1个picoscope示波器的采集通道采集多个接收器302的信号；接收信道调度电路板420的数量为6组，示波器410的数量为2个，采集通道的数量为6个。

本领域技术人员应当只晓得是，本实施例中列举的每层水平框架上设置的发射器301和接收器302的数量、每块接收信道调度电路板420包含的输入通道和输出通道的数量、接收信道调度电路板420的数量以及示波器410的数量等均为其中优选的实施方案，本领域技术人员在上述实施例的发明构思下所做的任意数量的改变，均应该覆盖在本发明的保护范围内。

实施例3

如图6所示，本实施例中的一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统，包括实施例2中的全部技术特征，除此之外，还包括模型箱，以模型桩贯入试验为例，在制作模型前，弯曲元及支撑框架组件300设置在模型箱内，弯曲元及支撑框架组件300的中心线与模型桩的贯入中心线重合；其后，采用砂雨法制作模型，依据桩体贯入速度，预先设定激励信道、接收信道调度程序，保证达到指定贯入深度时依次完成各发射器301的发射和相应的接收器302信号采集工作，试验完成后，基于采集数据，利用反演分析方法，即可得到多断面剪切波速分布图。

本领域技术人员应当知晓的是，实施例3仅为本发明的一种用于土工模型试验的多断层剪切波速测试系统的其中一个实际应用，并能不用于限制本发明的使用场景。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。