CN105928774B - 土试样共振柱装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了土试样共振柱装置，包括基座、质量块、垂直位移传感器、钢绳、滑轮组和平衡块；其中质量块由十字架、磁铁、加速度计及配重块构成，十字架的4个端上都安装有条形磁铁，每一条形磁铁的两端都套设有线圈；加速度计及配重块分别安装在十字架径向边缘，两者重量相等，使质量块平衡。土试样的底端固定在基座上，顶端与质量块中心连接。重量相等的平衡块和质量块用钢绳连接，通过滑轮组使之平衡，以减小质量块对土试样在测试过程中的影响。当线圈有电流流过时，将驱动质量块使土试样发生扭动，加速度计用于检测土试样扭动的角加速度信号。通过角加速度信号来完成对土试样共振频率和阻尼比的测量。

Description

土试样共振柱装置

技术领域

本发明涉及土试样共振柱装置。

背景技术

地面的桥梁、房屋等建筑物在受到地震、交通荷载振动或机械振荡时，使土与这些建筑物***承受不同的振幅与频率的振动，一旦这些建筑物***的共振频率落在外部加载的频率范围，将发生共振，对建筑物产生极大的危害。研究土的动力性质，对防震、减震和抗灾有着极其重要的意义。

共振柱是测试土动力参数的重要试验设备，它是通过对土施加不同频率和振幅的荷载来实现测量和分析土动力性质，用于测量动态土从小应变到中等应变的性质。共振柱试验的理论基础是波在土体中传播理论-波动理论。典型的共振柱试验模型如图1所示。试样是实心或空心的圆柱形土体，底部固定在基座上，顶部附加一个刚体质量块，且可以按水平旋转方向自由摆动，即一端固定另一端自由的结构。通过质量块对试样施加扭转力，试样将随之旋转振动。

目前，国际上有两种方式实现共振柱试验，一是自由振动法，由扭矩驱动器、产生扭矩磁场的线圈、加速度传感器、电荷放大器和波记录仪等组成，如图2所示。在试件的顶部施加一个扭矩，使试试样产生角位移，然后释放扭力，试件将处于自由衰减状态，根据每一个自由振动周期T_i求得平均频率，近似为共振频率。二是共振法，由信号发生器给试件施加一定频率范围的正弦波，并从0Hz开始逐渐升高，不断检测试样响应频率，直到最大的应变振幅来找共振频率。在应变振幅处于最大值时最低频率是被测***的基频。图3给出了采用李萨育图形测量共振频率的方案。示波器y通道输入试样的振动信号，x通道输入驱动信号源的信号。由于是线性***，振动信号与信号源的频率相同，但功率放大器、线圈对信号会产生相移，因此示波器显示一个椭圆。调节信号源的输出频率，从0Hz开始不断上升，使显示的椭圆长轴最长，此时的频率为共振频率。

上述两种方式均存在测量精度和准确性受到极大的限制等缺陷。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供土试样共振柱装置，能够减小质量块对土试样的影响，提高测量精度。

本发明采用以下技术方案实现：

土试样共振柱装置，包括基座、土试样、质量块、钢绳、滑轮组和平衡块，其中质量块包括十字架、条形磁铁、加速度计及配重块，十字架的4个端上都安装有条形磁铁，每一条形磁铁的两端都套设有线圈；配重块固定在十字架上，配重块的重量与加速度计的重量相等，且配重块和加速度计以质量块的轴线为对称轴对称设置；土试样的底端固定在基座上，顶端与质量块中心连接；钢绳的一端与质量块的中心连接，钢绳绕设于滑轮组，钢绳的另一端与平衡块连接，该平衡块的重量用于抵消质量块的重量。

优选的，质量块上方还设有垂直位移传感器，该垂直位移传感器用于检测土试样在振动过程中在垂直方向上的位移，以供用户作为参考。

优选的，所述十字架的径向边分别设有加速度传感器及与加速度机重量相等的配重块，使质量块平衡，该加速度传感器用于检测土试样振动时的角加速度，以供用户作为参考。

优选的，所述土试样的顶部和底部分别设有一透水石，土试样顶部的透水石固定在质量块中心位置，土试样的底部的透水石固定在基座上，两个透水石均连接一排水管，且排水管通过基座的底部向外部连通。

优选的，土试样共振柱装置还包括有机玻璃容器，所述土试样、质量块、钢绳、滑轮组和平衡块均位于有机玻璃容器内。

优选的，所述有机玻璃容器设有通气孔，该通气孔连接外部的气源。外部的气源通过通气孔通入至有机玻璃容器内，以调节土试样所需的压力。

优选的，所述滑轮组为以下结构一至结构三中的任意一种结构：

结构一：滑轮组包括一个定滑轮，所述钢绳的另一端绕设于该定滑轮后从该定滑轮引出至与平衡块连接；

结构二：滑轮组包括第一定滑轮和第二定滑轮，所述钢绳的另一端依次绕设于第一定滑轮、第二定滑轮后从第二定滑轮引出至与平衡块连接；

结构三：滑轮组包括第一定滑轮、第二定滑轮和第三定滑轮，第一定滑轮和第二定滑轮位于同一水平线上，第三定滑轮位于第一定滑轮和第二定滑轮的上方，所述钢绳以S字型的轨迹依次绕设于第一定滑轮、第二定滑轮和第三定滑轮后从第三定滑轮引出至与平衡块连接。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的控制器通过加速度计检测土试样扭动的角加速度信号，经过信号处理最终得到土试样的共振频率和阻尼比。通过滑轮和平衡块的设置，抵消质量块的重量，以减小质量块对土样在测试过程中的影响，进一步提高精确度。

附图说明

图1为现有技术的共振柱试验模型图。

图2为现有技术的自由振动法的***结构示意图。

图3为现有技术的共振法的***结构示意图。

图4为本发明的土试样共振柱装置的整体结构图。

图5为本发明的质量块的结构图。

图6为本发明的纳壳、基座示意图。

图7为本发明的土试样、透水石和排水管结构示意图。

图中：1、土试样；2、质量块；3、基座；4、钢绳；5、滑轮组； 6、平衡块；7、十字架；8、磁铁；9、加速度计；10、配重块；11、连接件；12、有机玻璃容器；13、透水石；14、排水管。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

参见图4至图7，本发明提供一种土试样共振柱装置，用于对土样进行测量，包括圆柱形的有机玻璃容器12，在有机玻璃容器12内设置有土试样1、质量块2、钢绳4、滑轮组5和平衡块6。

基座3固定在有机玻璃容器12的底面，土试样1固定在基座3 上，土试样由橡皮膜包装，由装配壳安装在基座3上，橡皮膜紧贴装配壳内侧，并抽真空处理，确保土试样为圆柱形，质量块2安装在土试样1上端，土试样1安装完成后，拆掉装配壳。质量块2包括十字架7、连接件11、四块磁铁8和加速度计9，四块条形磁铁8分别通过连接件11均匀固定在十字架7上，每一块条形磁铁8的两端分别绕设有一线圈(未图示)；钢绳4的一端与质量块2的中心点连接，另一端绕设于滑轮组5后从滑轮组5引出至与平衡块6连接，加速度计9安装在十字架7的边沿，加速度计9用于检测土试样1的角加速度信号。可参加图2，在实际应用中还包括电荷放大器，电荷放大器对角加速度信号转换为电压量，并可以输送至记录仪。驱动***提供驱动信号至线圈。

滑轮组5的结构可以有至少三种实施方式，其一为滑轮组5包括一个定滑轮，所述钢绳4的另一端绕设于该定滑轮后从该定滑轮引出至与平衡块6连接。其二滑轮组5包括两个定滑轮，为第一定滑轮和第二定滑轮，所述钢绳4的另一端依次绕设于第一定滑轮、第二定滑轮后从第二定滑轮引出至与平衡块6连接，可以理解，在第二种结构中，钢绳4均是绕设于两个定滑轮的上滑轨，具体的，钢绳4的另一端首先与第一定滑轮上部的滑轨接触并引出至第二定滑轮上部的滑轨，之后钢绳4的另一端从第二定滑轮向下引出至与平衡块6连接；其三为滑轮组包括第一定滑轮、第二定滑轮和第三定滑轮，第一定滑轮和第二定滑轮位于同一水平线上，第三定滑轮位于第一定滑轮和第二定滑轮的上方，所述钢绳4以S字型的轨迹依次绕设于第一定滑轮、第二定滑轮和第三定滑轮后从第三定滑轮引出至与平衡块6连接。在第三种结构中，可以理解，钢绳4的另一端首先从第一定滑轮上部的滑轨经过引出至第二定滑轮下部的滑轨，并从第二定滑轮引出至第三定滑轮上部的滑轨，之后从第三定滑轮向下引出至与平衡块6连接。图4示出的滑轮组结构为上述第三种实施方式。

质量块2具有一定的重量，并且在测试过程中是固定的，不可改变的，因而质量块2施加了一定的重力在土试样1上，通过平衡块6 可对该质量块2的重量抵消，即平衡块6的重量等于质量块2的重量，以使测量结果更加精确。

测量时，驱动***输出驱动信号至线圈，使线圈中有电流经过，磁铁8之间相互作用产生作用力，使质量块2受力运动，发生扭动，使得土样跟着扭动，并通过加速度计9采集的角加速度信号最终获得共振频率。

由于加速度计9本身也具有一定的重量，在一定程度上也会影响测量结果，因此作为改进，质量块2还包括一配重块10，该配重块 10的重量与加速度计9的重量相等，配重块10和加速度计9以质量块的轴线为对称轴对称设置在十字架7上，能够平衡掉加速度计9的重量。

质量块2的十字架7上还分别设有垂直位移传感器(未图示)和加速度传感器(未图示)，加速度传感器固定在质量块2的边缘，该垂直位移传感器用于检测质量块2在垂直方向上的位移；加速度传感器用于检测土试样1振动时的水平角加速度。水平角加速度和垂直位移都可供用户作为参考。

参见图7，由于土试样通常会含有水分，难免水分流至容纳壳1 底部，尤其是在振动过程中，会把水分从土试样中分离，因而在土试样1的底部和顶部分别设有一透水石13，土试样共振柱装置还包括排水管14，，土试样顶部的透水石固定在质量块中心位置，土试样的底部的透水石固定在基座上，两个透水石均连接一排水管，且排水管通过基座的底部向外部连通。

在有机玻璃容器12上设有通气孔，该通气孔连接外部的气源。外部的气源通过通气孔通入至有机玻璃容器12内，以模拟土样所在当地的大气压强，使得测量更加精准。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.土试样共振柱装置，其特征在于，包括基座、土试样、质量块、钢绳、滑轮组、平衡块、电荷放大器和驱动***，其中质量块包括十字架、条形磁铁、加速度计及配重块，十字架的4个端上都安装有条形磁铁，每一条形磁铁的两端都套设有线圈；配重块固定在十字架上，配重块的重量与加速度计的重量相等，且配重块和加速度计以质量块的轴线为对称轴对称设置；土试样的底端固定在基座上，顶端与质量块中心连接；钢绳的一端与质量块的中心连接，钢绳绕设于滑轮组，钢绳的另一端与平衡块连接，该平衡块的重量用于抵消质量块的重量；所述驱动***输出驱动信号至线圈，使线圈中有电流经过，线圈产生扭矩磁场，使得磁铁之间相互作用产生作用力，使质量块受力运动，发生扭动，使得土样跟着扭动，并通过加速度计采集角加速度信号，角加速度信号经过电荷放大器转化为电压量，并输送至记录仪中。

2.如权利要求1所述的土试样共振柱装置，其特征在于，所述质量块的上方还设有垂直位移传感器，该垂直位移传感器用于检测土试样在振动过程中的位移。

3.如权利要求1所述的土试样共振柱装置，其特征在于，所述十字架的径向边缘处设有加速度传感器，该加速度传感器用于检测土试样振动时的角加速度。

4.如权利要求1所述的土试样共振柱装置，其特征在于，所述土试样的顶部和底部分别设有一透水石，土试样顶部的透水石固定在质量块中心位置，土试样的底部的透水石固定在基座上，两个透水石均连接一排水管，且排水管通过基座的底部向外部连通。

5.如权利要求1所述的土试样共振柱装置，其特征在于，土试样共振柱装置还包括有机玻璃容器，所述土试样、质量块、钢绳、滑轮组和平衡块均位于有机玻璃容器内。

6.如权利要求5所述的土试样共振柱装置，其特征在于，所述有机玻璃容器设有通气孔，该通气孔连接外部的气源。

7.如权利要求1所述的土试样共振柱装置，其特征在于，所述滑轮组为以下结构一至结构三中的任意一种结构：

结构一：滑轮组包括一个定滑轮，所述钢绳的另一端绕设于该定滑轮后从该定滑轮引出至与平衡块连接；

结构二：滑轮组包括第一定滑轮和第二定滑轮，所述钢绳的另一端依次绕设于第一定滑轮、第二定滑轮后从第二定滑轮引出至与平衡块连接；

结构三：滑轮组包括第一定滑轮、第二定滑轮和第三定滑轮，第一定滑轮和第二定滑轮位于同一水平线上，第三定滑轮位于第一定滑轮和第二定滑轮的上方，所述钢绳以S字型的轨迹依次绕设于第一定滑轮、第二定滑轮和第三定滑轮后从第三定滑轮引出至与平衡块连接。