一种测定土体模型动态弹性模量的试验装置及方法

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种测定土体模型动态弹性模量的试验装置及方法。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为了达到上述目的，本发明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。

本发明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。

本发明的另一发明目的，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，使得试验土体的含水率达到最佳含水率±2％范围内，然后将含水率达到最佳含水率±2％范围内的试验土体装入塑料袋中进行闷料，闷料时间不少于24h，备用；取出闷料后的试验土体分层填筑入模型击实筒，每次填筑分层的高度均为模型击实筒的内筒高的三分之一，最后对表面进行轻压整平，使土体模型刚好填满模型击实筒，将填筑入土体模型的模型击实筒放置入击实仪中，启动击实仪，击实仪按照预先设定好的重锤质量和落高高度进行击实，对模型击实筒中的土体模型进行击实，击实次数为10次、20次、30次、40次、50次、60次、70次、80次、90次，完成击实；

其中，试验土体包括红黏土、粉土或砂土中的任一种。

更进一步地，模型击实筒为圆形筒体，内径为152mm，内高为120mm。

更进一步地，重锤质量为4.5kg，落高高度为450mm。

进一步地，步骤二中，求出经击实的土体模型的密度ρ，具体为：测量经击实的土体模型的高度，由于击实筒筒内径已知，求得经击实的土体模型的体积，再称得土体模型的质量，得到经击实的土体模型的密度ρ。

进一步地，在进行步骤二之前需要先对爆炸模型箱进行调试试验，具体过程为：取出土体模型，保持其它装置位置不变，启动波速测试仪，波速测试仪稳定工作后，通过测控系统对炸药进行引爆，波速测试仪测试引爆炸药产生的爆炸波传递到土体模型所在位置时的波强大小；重复调试试验两次，确保两次炸药产生的爆炸波在土体模型中的横纵波均被波速测试仪捕捉到。

本发明的有益效果是：本申请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g和动态弹性模量e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，从而提高土体动态弹性模量的测量准确性，同时解决了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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例土工离心机主视图；

图2是本发明实施例土工离心机爆炸试验示意图；

图3是本发明实施例爆炸模型箱的结构示意图；

图4是本发明实施例土体模型、炸药、波速测试仪的设置位置示意图；

图5是本发明实施例光测系统的各组件之间的关系示意图；

图6是本发明实施例测定土体模型动态弹性模量的方法示意图；

1-土体模型、2-炸药、3-爆炸模型箱、4-测控系统、5-光测系统、6-聚苯乙烯板、7-砂层、8-土工离心机、9-波速测试仪、10-控制计算机、8-1转臂、8-2转台、8-3配重箱、8-4离心机箱、5-1摄像头、5-2照明灯、5-3无线发射器、5-4无线接收器、5-5视频采集卡。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本申请提供一种测定土体模型动态弹性模量的试验装置，如图1～图4所示，包括土工离心机8，用于试验提供高速旋转，可提供最大离心加速度为100g，土工离心机8包括转臂8-1，转臂8-1中心位置固定于转台8-2，转台8-2带动转臂8-1旋转。转臂8-1中心处设置测控系统4。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，配重箱8-3用于对离心机箱8-4进行相同质量的配重，离心机箱8-4内放置爆炸模型箱3，用于提供爆炸空间；

爆炸模型箱3为圆形筒体，圆形筒体优选为钢制，圆形筒体的内径优选为900mm、内高优选为900mm，爆炸模型箱3的质量优选为375kg，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的目的是为了吸收爆炸反射波，聚苯乙烯板6的厚度为3cm～10cm，优选为5cm，爆炸模型箱3的内底设置一层砂层7，设置砂层7的目的是防止炸药2与聚苯乙烯板6直接接触，同时也起到一定吸收爆炸反射波的作用，砂层7的厚度为20cm～50cm，优选为30cm，砂层7的顶部中心位置设置有炸药2，用作爆炸源，炸药2内部的启爆器与与测控系统4信号连接，测控系统4设置在转臂8-1的中心处，用于控制炸药2的引爆，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，炸药2与土体模型1之间的距离优选为400mm，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设置在离心室信号可良好接收范围内，在爆炸模型箱3的内顶部一侧设置有光测系统5，如图5所示，光测系统5包括摄像头5-1，摄像头5-1与照明灯5-2固定为一体，照明灯5-2为摄像头5-1提供足够的拍摄过程的光线强度，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，用于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。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。

测控系统4，设置在转臂8-1中心处，与控制计算机10有线连接，测控系统4采用专用的测控系统软件，用于引爆控制、瞬态信号的同步采集、存储、分析与回调等。

本申请提供一种采用上述试验装置测定土体模型动态弹性模量的方法，具体包括以下步骤：

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，具体过程如下所述：

选取试验土体，向试验土体中添加水，使得试验土体的含水率达到最佳含水率±2％范围内，然后将含水率达到最佳含水率±2％范围内的试验土体装入塑料袋中进行闷料，闷料时间不少于24h，备用，这种闷料的方法可以确保试验土体的湿度均匀；取出闷料后的试验土体使用小铲分层填筑入模型击实筒，模型击实筒优选为圆形筒体，内径优选为152mm，内高优选为120mm，每次填筑分层的高度均为模型击实筒的内筒高的三分之一，最后对表面进行轻压整平，使土体模型1刚好填满模型击实筒，将填筑入土体模型1的模型击实筒放置入击实仪中，启动击实仪，击实仪按照预先设定好的重锤质量和落高高度进行击实，重锤质量优选为4.5kg，落高高度优选为450mm，对模型击实筒中的土体模型1进行击实，击实次数为10次、20次、30次、40次、50次、60次、70次、80次、90次九组击实试验，完成击实，进行九组该试验，确保不同次数都有且不重复。

其中，试验土体包括红黏土、粉土或砂土中的任一种。

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，采用刻度尺测量经击实的土体模型1的高度，由于击实筒筒内径已知，求得经击实的土体模型1的体积。通过电子秤称得土体模型1的质量，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，炸药2采用普通8#电雷管，用卷尺测量炸药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的另一端安装配重箱8-3，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8，土工离心机8达到20g的加速度后，再启动波速测试仪9，波速测试仪9稳定工作后，通过测控系统4引爆炸药2，波速测试仪9纪录爆炸波从炸药2的爆炸中心传递到土体模型1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5的摄像头5-1拍摄土体模型1在爆炸过程中的视频，通过无线发射器5-3与无线接收器5-4将收集的爆炸过程中的视频传输给控制计算机10，将爆炸过程中的视频传输给控制计算机10的目的是观察确保离心机高速旋转时，离心机箱8-4内的试验正常进行，设备设定位置没有发生改变，试验是有效的。

步骤四：根据hooke介质无限体中横波传播速度at与纵波传播波速al的关系公式(1)可反推得到求解土体模型1的动态剪切模量g、动态弹性常数ν和动态弹性模量e的公式(2)。波速测试仪9收集的通过土体模型1时爆炸波的横波波速at和纵波波速al，将横波波速at和纵波波速al的数值分别代入到公式(2)中，经计算即可得到土体模型1的动态剪切模量g、动态弹性常数ν和动态弹性模量e。公式(1)(2)如下所示：

式中：ρ为土体模型1的密度；λ为拉梅弹性常数，λ＝2gν/(1-2ν)，ν为动态弹性常数；g为动态剪切模量；e为动态弹性模量。

步骤五：重复步骤一～步骤四若干次，得到若干组平行试验组，本申请具体实施例采用两组平行试验组，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1的动态模量值，然后，以土体模型1的击实次数为横坐标，相应的土体模型1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，该关系曲线对其它同种类型土的地基模型的相关试验操作具有化繁为简的意义，仅需通过击实次数，代入上述试验得到的关系曲线，便可计算得知对应的土体动态变形模量值。

在步骤二之前需要先对爆炸模型箱3进行调试试验，具体过程为：取出土体模型1，保持其它装置位置不变，启动波速测试仪9，波速测试仪9稳定工作后，通过测控系统4对炸药2进行引爆，波速测试仪9测试引爆炸药2产生的爆炸波传递到土体模型1时爆炸波的波强大小；重复调试试验两次，确保两次炸药2产生的爆炸波在土体模型1中的横纵波均可被波速测试仪9捕捉到，并且两次的波强大小相差在±5％范围内视为合格。否则，调整炸药2的使用量满足试验条件为止。

需要说明的是，在本申请中，诸如第一、第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。