一种粗粒土一维固结压缩试验装置及方法与流程

本发明涉及土体固结压缩试验的，具体涉及一种粗粒土一维固结压缩试验装置及方法。

背景技术：

1、颗粒破碎是粗粒土的典型工程特性。在较高的应力状态或复杂的动荷载等应力状态下，不同类型粗粒土的破碎特征差异巨大，如高坝坝基堆石料、铁路道砟、公路路基粗粒土回填料等。而颗粒破碎程度直接受到应力状态影响且直接影响压实粗粒土的模量、可压缩性等强度变形特征。颗粒破碎带来的不可控的沉降变形都将严重危害建筑结构或者工程运行中的安全性。目前研究表明，颗粒破碎程度具有与加载状态相关的时变性和与力学参数的强关联性，故在开展受颗粒破碎影响时粗粒土力学特性研究时不能简单的将加载过程与相应的破碎程度监测、变形参数监测分开。为了研究粗粒土在不同应力状态下的变形特征与破碎特征的定性及定量关系，以及固结压缩过程中粗粒土的连续压缩中的各项参数的变化，有必要开展结合破碎特性、小应变特征参数实时监测的室内的一维压缩（固结）试验及相应测试装置的设计与开发。

2、岩土体等固体材料的内部缺陷会在外力作用下进一步延展发育，从而形成宏观损伤。在这个过程中，变形能会以弹性波的形式释放出来，并在固体材料中迅速传播，即产生声发射现象。使用声发射传感器监测土体破碎、劣化等内部缺陷产生时的声发射现象，是一种被动监测技术，是用于监测材料本身产生的弹性波。相比起需要额外发射单元的超声波测试，声发射测试是一种非破坏性的技术，可以有效揭示材料内部的破碎过程，并可以使用传感器整列定位缺陷的具体位置。声发射技术更为明显的一个优势是在不直接接触声发射源时，也可以远程对目标区域进行非接触式监测。目前声发射检测技术已经得到广泛各个材料上技术相对稳定成熟，如钢结构、混凝土和复合材料，对于损伤评估、裂缝发展、缺陷定位有着重大帮助。

3、剪切波波速作为岩土体承受荷载变形过程中的关键设计参数，目前已被广泛认可并运用。基于土体固结压缩过程中剪切波的横波波速，可以建立其与孔隙比、小应变剪切模量和垂直应力的关系，还可以进一步分析大应变固结压缩模量以及相对密实度等的相关性。尽管原位试验是测量土体横波速度最精确的方法，但由于现场条件限制，以及也无法在排水的情况下进行试验，进行室内实验室试验仍然是十分重要的。在多种测量剪切波波速的方法中，压电环形弯曲元技术易于信号的处理及解析，波穿透能力强，且装置可以很容易地整合到传统岩土试验设备中，已被广泛运用在岩土领域中。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种粗粒土一维固结压缩试验装置及方法，解决上述背景技术中的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：包括压电环形弯曲元监测系统、声发射监测系统、加载装置以及试样钢腔，粗粒土堆放在试样钢腔中，试样钢腔安装在加载装置上，加载装置用于对试样钢腔中的土体进行加压；

3、压电环形弯曲元监测系统中的接收单元和发射单元分别安装在加载装置的加压顶板上和试样钢腔底部；

4、声发射监测系统中的多个声发射传感器均布在试样钢腔的周侧。

5、优选的，压电环形弯曲元监测系统包括发射单元、接收单元、增幅器和计算机；

6、发射单元能够发射多频率、波形的横波，通过增幅器后在试样钢腔中的土体内传播，然后被接收单元接收，通过计算机中配套的软件解析信号。

7、优选的，接收单元和发射单元位于加压顶板与试样钢腔底部的轴线中心，使得波在土样的中心传播。

8、优选的，声发射监测系统包括声发射传感器、声发射监控服务器和声发射计算机；

9、声发射传感器能够自动检测试样钢腔内土体固结压缩过程中发生的声发射事件的次数及位置，并通过声发射监控服务器和声发射计算机进行数据分析。

10、优选的，声发射传感器分为两层等间距的布置在试样钢腔的外壁上，在声发射传感器与试样钢腔之间的间隙填充有黄油，声发射传感器通过磁吸外壳固定在试样钢腔上；

11、通过多个声发射传感器的同时监测可从多个角度对压缩过程中的同一个声信号从三维立体的角度精确监测声信号事件，并精确定位相应颗粒破碎位置。

12、优选的，加载装置可对土体压缩过程中的应力应变进行测量，通过控制系统对数据自动采集和处理。

13、一种粗粒土一维固结压缩试验装置的使用方法，其方法是：步骤如下：

14、s1、将在试样钢腔底部和加载装置的加压顶板上预先安装的发射单元和接收单元与计算机连接，调试压电环形弯曲元监测系统；

15、s2、在安装声发射传感器的试样钢腔外壁涂膜黄油，利用磁吸外壳将声发射传感器紧贴试样钢腔外壁安装，并连接声发射计算机，调试声发射检测系统；

16、s3、将试验粗粒土体分层制样压缩在试样钢腔中，将试样钢腔安装在加载装置上，并调试加载装置；

17、s4、设置各仪器初始参数，对剪切波波速进行初始测量并记录，对粗粒土试样进行连续加载应力控制或应变控制，记录和分析压缩过程中荷载与压缩量间定量关系，压缩过程中声发射次数、声信号的三维空间位置与剪切波波速等参数；

18、s5、根据不同应变阶段累计的声发射数据次数与位置，分析得出粗粒土破碎程度以及破碎位置，声发射累计的次数越多，该位置破碎越严重；

19、s6、根据所测并计算得到的剪切波波速值，可分析土体刚度的变化特征，间接反应粗粒土孔隙比的变化，还可评估大应变固结压缩模量，用于多角度评价粗粒土固结压缩过程中的特性。

20、优选的，在试验过程中，根据试验环境，设置声发射传感器的信号接收阈值，以屏蔽噪音的影响，进而提高监测的精确度，同时在试验过程中，要保证加载装置的控制系统与声发射监测系统同步驱动。

21、优选的，压电环形弯曲元监测系统通过检测一维固结压缩过程中土体的剪切波波速，建立剪切波波速与土体垂直应力、孔隙比以及刚度参数的关系，进而多维度分析一维固结压缩下粗粒土的压缩过程。

22、本发明提供了一种粗粒土一维固结压缩试验装置及方法，同时结合了声发射设备和压电环形弯曲元传感器，可以同时表征粗粒土的声发射特征和剪切波波速，从而从多角度分析理解粗粒土在固结压缩过程中的特性，同时结合伺服加载系统和计算机系统，实现全程自动化试验；在声发射设备上，采用竖直和水平方位多个角度监测压缩固结过程中的声发射事件，能够在空间上分析颗粒发生破碎的位置，形成立体定位，大大提高记录的精确度，从而分析压缩固结过程中的破碎过程；在剪切波波速监测上，采用压电环形弯曲元，相比其他压电弯曲元，能够显著减少压缩波的能量，产生近乎纯粹的横波，并能简易地安装在试验钢腔上。

技术特征：

1.一种粗粒土一维固结压缩试验装置，其特征是：包括压电环形弯曲元监测系统、声发射监测系统、加载装置（1）以及试样钢腔（3），粗粒土堆放在试样钢腔（3）中，试样钢腔（3）安装在加载装置（1）上，加载装置（1）用于对试样钢腔（3）中的土体进行加压；

2.根据权利要求1所述一种粗粒土一维固结压缩试验装置，其特征是：压电环形弯曲元监测系统包括发射单元（5）、接收单元（2）、增幅器（8）和计算机（9）；

3.根据权利要求2所述一种粗粒土一维固结压缩试验装置，其特征是：接收单元（2）和发射单元（5）位于加压顶板与试样钢腔（3）底部的轴线中心，使得波在土样的中心传播。

4.根据权利要求1所述一种粗粒土一维固结压缩试验装置，其特征是：声发射监测系统包括声发射传感器（4）、声发射监控服务器（6）和声发射计算机（7）；

5.根据权利要求4所述一种粗粒土一维固结压缩试验装置，其特征是：声发射传感器（4）分为两层等间距的布置在试样钢腔（3）的外壁上，在声发射传感器（4）与试样钢腔（3）之间的间隙填充有黄油，声发射传感器（4）通过磁吸外壳（10）固定在试样钢腔（3）上；

6.根据权利要求1所述一种粗粒土一维固结压缩试验装置，其特征是：加载装置（1）可对土体压缩过程中的应力应变进行测量，通过控制系统对数据自动采集和处理。

7.根据权利要求1~6任意一项所述一种粗粒土一维固结压缩试验装置的使用方法，其方法是：步骤如下：

8.根据权利要求7所述一种粗粒土一维固结压缩试验装置的使用方法，其方法是：在试验过程中，根据试验环境，设置声发射传感器（4）的信号接收阈值，以屏蔽噪音的影响，进而提高监测的精确度，同时在试验过程中，要保证加载装置（1）的控制系统与声发射监测系统同步驱动。

9.根据权利要求7所述一种粗粒土一维固结压缩试验装置的使用方法，其方法是：压电环形弯曲元监测系统通过检测一维固结压缩过程中土体的剪切波波速，建立剪切波波速与土体垂直应力、孔隙比以及刚度参数的关系，进而多维度分析一维固结压缩下粗粒土的压缩过程。

技术总结
本发明提供了一种粗粒土一维固结压缩试验装置及方法，包括压电环形弯曲元监测系统、声发射监测系统、加载装置以及试样钢腔，粗粒土堆放在试样钢腔中，试样钢腔安装在加载装置上，加载装置用于对试样钢腔中的土体进行加压；压电环形弯曲元监测系统中的接收单元和发射单元分别安装在加载装置的加压顶板上和试样钢腔底部；声发射监测系统中的多个声发射传感器均布在试样钢腔的周侧。结合声发射设备和压电环形弯曲元传感器，可以同时表征粗粒土的破碎相关的声发射信号强度与三维空间位置特征以及小应变状态下的剪切波波速。从多角度分析理解粗粒土在固结压缩过程中的破碎特征与压缩特性，同时结合伺服加载系统和计算机系统，实现全程自动化试验。

技术研发人员：金伟,康俊洋,杨星,朱先文,杨丰春,史金权
受保护的技术使用者：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8