一种包含周期性间歇的动力循环加载方法与流程

本发明涉及岩土学科动力加载领域，尤其涉及一种包含周期性间歇的动力循环加载方法。

背景技术

室内动三轴试验是岩土工程领域常用的试验方法之一，是指将土制作成仪器适用的标准试样后，仪器按给定应力路径施加荷载，返回并收集传感器测得的数据，达到研究土体力学性质的目的。

目前大多数室内动三轴试验装置具备可自定义应力路径的功能，如gds动三轴仪、gcts空心扭剪仪等。当模拟现实荷载进行研究时，试验加载条件与真实情况的一致性，对于试验价值有重要影响。

无论是研究交通荷载、波浪荷载、地震荷载，现有最常见的加载方法是连续振动。但实际上，交通荷载、波浪荷载等都是间歇地作用在土体上的，连续振动的加载方法显然忽略了这一特征。在评估土体在交通、波浪等具有间歇的动荷载下的力学特性时，若选用连续振动的试验结果，则会引起一系列偏差：

1.由于土体的渗透性，在不受振动荷载时，由于振动引起的超孔隙水压力必会消散一部分。因此同等振动条件下，连续振动方式所得的超孔压将远远大于实际情况。

2.由于土骨架会随时间自主调整，在不受振动期间，土体刚度会增大，后期变形相应减小。若经历相同振动次数，实际荷载下土体的变形量小于连续振动条件下的变形量。

3.土体稳定问题同理。土体在间歇期会自主调整，会提高土体的稳定性，连续振动方式所得到的土体稳定性评估结果则会低于实际值。

总的来讲，以上偏差会引起试验测得的土体强度远远低于实际情况下的土体强度，因此若采用连续振动试验结果指导相关设计，会出现安全系数过大，经济性较低的现象。

技术实现要素：

针对连续振动方式模拟动荷载存在的缺点，本发明提供了一种包含周期性间歇的动力循环加载方法。本发明具体采用的技术方案如下：

一种包含周期性间歇的动力循环加载方法，其包括以下步骤：

1)确定三轴仪支持的自定义振动曲线的数据精度，该精度下仪器所能支持的数据点个数为n；

2)确定目标荷载的单位循环时长t；

3)确定目标荷载的循环形式，即目标振动曲线每个循环的函数曲线f(t)；所述函数曲线由n个不同的显著函数a1(t),a2(t),a3(t),…,an(t)和m个不同的不显著函数b1(t),b2(t),b3(t),...,bm(t)组成，f(t)为关于时间t的函数，表达式如下：

其中tai为第i个显著函数的定义域，tbj为第j个不显著函数的定义域；

4)确定用于生成动三轴试验所需数据文件的分段函数r(k)，r(k)为关于坐标点序号k的函数，包含振动部分和间歇部分表达式如下：

其中t＝{ta1,ta2,ta3,…,tan,tb1,tb2,tb3,…,tbm}；

5)取r(k)中k分别为1,2,3,…,n，计算出n个点的坐标值，生成用于三轴试验的数据文件；

6)在三轴仪操作界面嵌入该数据文件；

7)在所述动三轴仪试验的动力加载阶段，在仪器控制界面设置循环参数，然后开始振动。

本发明中，三轴仪需采用可支持自定义振动曲线的三轴仪，这是指该仪器应具备读取某具体格式的数据文件内容，并生成与数据文件曲线一致的振动路径的功能。

作为优选，步骤4)所述的振动部分为动三轴试验加载波形，用于模拟现实动荷载的振动；波形形式根据所模拟动荷载的真实特征确定，波形密度根据现实荷载确定。

作为优选，步骤4)所述的间歇部分为振动幅度低于阈值的波形，用于模拟现实动荷载的非振动部分；波形形式根据所模拟动荷载的真实特征确定，间歇时长根据现实荷载确定。

作为优选，所述步骤5)中的数据文件，其格式需采用试验装置支持的格式。

作为优选，所述步骤7)中，循环参数包括频率、幅值及其他必要参数。

本发明通过将现实荷载以分段函数的形式，等比尺地设计为试验可用的振动曲线，导出函数计算结果后生成数据文件并将该数据文件嵌入至仪器中，使得仪器可在振动之间自动停歇，自动循环加载，达到模拟现实动荷载具有间歇的目的。相比于传统的连续动力加载方法，本发明具有如下收益：

1、基于现实环境中多数动荷载存在周期性间歇这一事实，提供一种可使试验装置自动完成间歇性循环加载的方法，适用于可自定义振动曲线的室内动三轴试验；

2、由于土的渗透性，孔隙水在间歇加载中的间歇期会产生消散，减少了室内试验中相同振动条件下的超孔压累积，使试验结果更加接近实际；

3、由于土的时间效应，刚度在间歇期增大，可减少土的长期变形，使室内试验测得的变形减小，更加接近实际荷载条件下的长期沉降，有助于预测、评估变形及相关危害。

4、考虑间歇后，可造成室内试验所测得土的强度整体提升，破坏减少，更加符合交通荷载下缓慢、长期的岩土问题，使得室内试验结果对于现实工程的指导性增强。

附图说明

图1是目标动荷载单位循环t的振动曲线：(1)是具有显著振动的部分；(2)是无显著振动的部分；

图2是是用于生成二维点的分段函数曲线：(3)是模拟振动的部分；(4)是模拟间歇的部分；(5)数据文件中的二维点数据；

图3是振动的实际效果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

在本发明中，基于三轴仪进行动三轴试验，仪器具备可自定义应力路径的功能，可输入自定义的数据文件。包含周期性间歇的动力循环加载方法具体步骤如下：

1)确定三轴仪支持的自定义振动曲线的数据精度，该精度下本实施例采用的gds动三轴仪可支持且仅支持n个沿横坐标均匀的数据点。每个数据点中包含该数据点的序号以及该数据点对应的荷载。

2)确定目标荷载的单位循环时长t，在该时间t内三轴仪基于n个数据点进行动力加载，在下一个时间t内重复循环。每个循环时长内，n个数据点应均匀分布，间隔时长相等。

3)确定间歇荷载的循环形式，即目标振动曲线每个循环的函数曲线f(t)。函数曲线包含n个不同的显著函数a1(t),a2(t),a3(t),…,an(t)和m个不同的不显著函数b1(t),b2(t),b3(t),...,bm(t)，每个显著函数或不显著函数分别对应一个独立的定义域，所有函数的定义域连续相连，总时长为t。f(t)为关于时间t的函数，表达式如下：

其中tai为第i个显著函数的定义域，tbj为第j个不显著函数的定义域。

目标振动曲线上的显著函数与不显著函数可以根据曲线特征进行大致区别，例如可以通过振幅大小(纵坐标变化)进行划分：振幅较大的曲线波动明显，可以作为显著函数；振幅较小即曲线波动不太明显的，或者基本没有波动的，可以作为显著函数。由于实际需要加载的振动曲线f(t)可能较为复杂，因此可通过多段划分f(t)来尽可能准确表达f(t)，每段曲线对应一个显著函数或不显著函数，多个显著函数和不显著函数的连接顺序根据实际情况进行确定。当然，此处的显著函数可以是连续波形函数(适用于曲线规则情况)，例如正弦函数、常数函数等，也可以是由大量散点组成的离散函数(适用于曲线极不规则的情况)。同理，非显著函数也可以根据需要进行确定。每段曲线对应的函数都应尽可能贴近曲线的真实形态。

通过本步骤，将需要进行加载的目标振动曲线转化为包含多段函数的表示形式，为下一步的映射转化提供条件。

4)基于上述函数曲线f(t)，确定用于生成动三轴试验所需数据文件的分段函数r(k)。由于函数曲线f(t)是以时间t为横轴的，而可输入三轴仪的数据文件是以数据点序号为基础的，因此需要将时间t映射转化为数据点序号k，即构建一个关于坐标点序号k的函数r(k)，k应当是整数。对应于目标振动曲线上的显著函数与不显著函数，函数r(k)也包含振动部分和间歇部分表达式如下：

其中t＝{ta1,ta2,ta3,…,tan,tb1,tb2,tb3,…,tbm}，其中不同定义域的排列连接顺序根据曲线上的函数顺序进行调整。

振动部分为常用的动三轴试验加载波形，波形形式根据所模拟荷载的特征确定，例如正弦波、三角波、方波、梯形波等，波形密度根据现实荷载确定。动力加载时，振动部分可以模拟现实动荷载的振动。间歇部分为变化相较振动不够显著的波形，波形形式根据所模拟动荷载的真实特征确定，间歇时长根据现实荷载确定。动力加载过程中，间歇部分可模拟现实动荷载的非振动部分。但由于函数r(k)实际上是由函数曲线f(t)通过映射转化而来的，因此需要将两部分的波形特征考虑进函数ai(t)和bj(t)中。

由此，将函数曲线f(t)进行了维度映射转换，可以根据数据点序号k计算该数据点加载的荷载值。

5)取r(k)中k分别为1,2,3,…,n，计算出n个点的坐标值，然后将所有点坐标数据生成用于三轴试验的数据文件，文件格式以试验装置支持为准。

6)在三轴仪操作界面嵌入该数据文件；

7)在动三轴试验的动力加载阶段，在仪器控制界面设置频率(或周期)、幅值等循环参数，具体参数根据仪器的具体要求进行设定，以能够准确实现动力加载为准。然后开始进行振动，完成动三轴试验。注意：选择数据文件后，周期时长非完成某个振动的时长，而是完成整个数据文件包含的完整路径时长，例若目标荷载每循环时长为t，此处则应设置为t。

实施例

本实施例中，基于gds动三轴仪进行动三轴试验。下面详述包含周期性间歇的动力循环加载方法，步骤如下：

1)确定三轴仪支持的自定义振动曲线的数据精度，该精度下仪器所能支持的数据点个数为n。该gds动三轴仪上是固定的1000个，即n＝1000。且在该仪器中数据点在横坐标轴上的分布须均匀间隔。

2)确定目标荷载的单位循环时长t；

3)确定目标荷载的循环形式，即目标振动曲线每个循环的函数曲线f(t)。在该实施例的函数曲线中，显著函数和不显著函数分别为1个，因此f(t)为关于时间t的函数，表达式如下：

其中ta1为显著函数的定义域，tb1为不显著函数的定义域。

如图1所示为本实施例中的函数曲线f(t)，依次由1个振动函数(1)和1个间歇函数(2)组成，其中显著函数a1(t)为半正弦函数，不显著函数b1(t)为常数函数。由此将现实荷载以分段函数的形式，等比尺地设计为试验可用的目标振动曲线。

4)确定用于生成动三轴试验所需数据文件的分段函数r(k)，r(k)为关于坐标点序号k的函数，包含振动部分和间歇部分表达式如下：

其中t＝{ta1,tb1}。

图2是本实施例中用于生成数据文件的分段函数曲线，标号(3)用于生成振动部分，标号(4)用于生成间歇部分。标号(5)是用该函数计算出的若干二维点，将以数据文件的形式，嵌入三轴试验装置的振动程序。

5)取r(k)中k分别为1,2,3,…,1000，计算出1000个点的坐标值，将这1000个数据生成用于三轴试验的txt数据文件；

6)在gds动三轴仪操作界面嵌入该数据文件；

7)在动三轴仪试验的动力加载阶段，根据仪器控制界面，设置该循环的频率(或周期)、幅值等参数。注意：选择数据文件后，周期时长非完成某个振动的时长，而是完成整个数据文件包含的完整路径时长，例若目标荷载每循环时长为t，此处则应设置为t。

8)开始振动，实际的加载曲线效果如图3。从图中可见，该实际加载的曲线基本上能够符合目标加载曲线，模拟效果较好。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。