本實用新型涉及土試樣共振柱裝置。

背景技術(shù)：

地面的橋梁、房屋等建筑物在受到地震、交通荷載振動或機械振蕩時，使土與這些建筑物系統(tǒng)承受不同的振幅與頻率的振動，一旦這些建筑物系統(tǒng)的共振頻率落在外部加載的頻率范圍，將發(fā)生共振，對建筑物產(chǎn)生極大的危害。研究土的動力性質(zhì)，對防震、減震和抗災(zāi)有著極其重要的意義。

共振柱是測試土動力參數(shù)的重要試驗設(shè)備，它是通過對土施加不同頻率和振幅的荷載來實現(xiàn)測量和分析土動力性質(zhì)，用于測量動態(tài)土從小應(yīng)變到中等應(yīng)變的性質(zhì)。共振柱試驗的理論基礎(chǔ)是波在土體中傳播理論-波動理論。典型的共振柱試驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。試樣是實心或空心的圓柱形土體，底部固定在基座上，頂部附加一個剛體質(zhì)量塊，且可以按水平旋轉(zhuǎn)方向自由擺動，即一端固定另一端自由的結(jié)構(gòu)。通過質(zhì)量塊對試樣施加扭轉(zhuǎn)力，試樣將隨之旋轉(zhuǎn)振動。

目前，國際上有兩種方式實現(xiàn)共振柱試驗，一是自由振動法，由扭矩驅(qū)動器、產(chǎn)生扭矩磁場的線圈、加速度傳感器、電荷放大器和波記錄儀等組成，如圖2所示。在試件的頂部施加一個扭矩，使試試樣產(chǎn)生角位移，然后釋放扭力，試件將處于自由衰減狀態(tài)，根據(jù)每一個自由振動周期T_i求得平均頻率，近似為共振頻率。二是共振法，由信號發(fā)生器給試件施加一定頻率范圍的正弦波，并從0Hz開始逐漸 升高，不斷檢測試樣響應(yīng)頻率，直到最大的應(yīng)變振幅來找共振頻率。在應(yīng)變振幅處于最大值時最低頻率是被測系統(tǒng)的基頻。圖3給出了采用李薩育圖形測量共振頻率的方案。示波器y通道輸入試樣的振動信號，x通道輸入驅(qū)動信號源的信號。由于是線性系統(tǒng)，振動信號與信號源的頻率相同，但功率放大器、線圈對信號會產(chǎn)生相移，因此示波器顯示一個橢圓。調(diào)節(jié)信號源的輸出頻率，從0Hz開始不斷上升，使顯示的橢圓長軸最長，此時的頻率為共振頻率。

上述兩種方式均存在測量精度和準(zhǔn)確性受到極大的限制等缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型的目的在于提供土試樣共振柱裝置，能夠減小質(zhì)量塊對土試樣的影響，提高測量精度。

本實用新型采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

土試樣共振柱裝置，包括基座、土試樣、質(zhì)量塊、鋼繩、滑輪組和平衡塊，其中質(zhì)量塊包括十字架、條形磁鐵、加速度計及配重塊，十字架的4個端上都安裝有條形磁鐵，每一條形磁鐵的兩端都套設(shè)有線圈；配重塊固定在十字架上，配重塊的重量與加速度計的重量相等，且配重塊和加速度計以質(zhì)量塊的軸線為對稱軸對稱設(shè)置；土試樣的底端固定在基座上，頂端與質(zhì)量塊中心連接；鋼繩的一端與質(zhì)量塊的中心連接，鋼繩繞設(shè)于滑輪組，鋼繩的另一端與平衡塊連接，該平衡塊的重量用于抵消質(zhì)量塊的重量。

優(yōu)選的，質(zhì)量塊上方還設(shè)有垂直位移傳感器，該垂直位移傳感器用于檢測土試樣在振動過程中在垂直方向上的位移，以供用戶作為參 考。

優(yōu)選的，所述十字架的徑向邊分別設(shè)有加速度傳感器及與加速度機重量相等的配重塊，使質(zhì)量塊平衡，該加速度傳感器用于檢測土試樣振動時的角加速度，以供用戶作為參考。

優(yōu)選的，所述土試樣的頂部和底部分別設(shè)有一透水石，土試樣頂部的透水石固定在質(zhì)量塊中心位置，土試樣的底部的透水石固定在基座上，兩個透水石均連接一排水管，且排水管通過基座的底部向外部連通。

優(yōu)選的，土試樣共振柱裝置還包括有機玻璃容器，所述土試樣、質(zhì)量塊、鋼繩、滑輪組和平衡塊均位于有機玻璃容器內(nèi)。

優(yōu)選的，所述有機玻璃容器設(shè)有通氣孔，該通氣孔連接外部的氣源。外部的氣源通過通氣孔通入至有機玻璃容器內(nèi)，以調(diào)節(jié)土試樣所需的壓力。

優(yōu)選的，所述滑輪組為以下結(jié)構(gòu)一至結(jié)構(gòu)三中的任意一種結(jié)構(gòu)：

結(jié)構(gòu)一：滑輪組包括一個定滑輪，所述鋼繩的另一端繞設(shè)于該定滑輪后從該定滑輪引出至與平衡塊連接；

結(jié)構(gòu)二：滑輪組包括第一定滑輪和第二定滑輪，所述鋼繩的另一端依次繞設(shè)于第一定滑輪、第二定滑輪后從第二定滑輪引出至與平衡塊連接；

結(jié)構(gòu)三：滑輪組包括第一定滑輪、第二定滑輪和第三定滑輪，第一定滑輪和第二定滑輪位于同一水平線上，第三定滑輪位于第一定滑輪和第二定滑輪的上方，所述鋼繩以S字型的軌跡依次繞設(shè)于第一定 滑輪、第二定滑輪和第三定滑輪后從第三定滑輪引出至與平衡塊連接。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的有益效果在于：

本實用新型的控制器通過加速度計檢測土試樣扭動的角加速度信號，經(jīng)過信號處理最終得到土試樣的共振頻率和阻尼比。通過滑輪和平衡塊的設(shè)置，抵消質(zhì)量塊的重量，以減小質(zhì)量塊對土樣在測試過程中的影響，進一步提高精確度。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的共振柱試驗?zāi)Ｐ蛨D。

圖2為現(xiàn)有技術(shù)的自由振動法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為現(xiàn)有技術(shù)的共振法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本實用新型的土試樣共振柱裝置的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖5為本實用新型的質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)圖。

圖6為本實用新型的納殼、基座示意圖。

圖7為本實用新型的土試樣、透水石和排水管結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、土試樣；2、質(zhì)量塊；3、基座；4、鋼繩；5、滑輪組；6、平衡塊；7、十字架；8、磁鐵；9、加速度計；10、配重塊；11、連接件；12、有機玻璃容器；13、透水石；14、排水管。

具體實施方式

下面，結(jié)合附圖以及具體實施方式，對本實用新型做進一步描述：

參見圖4至圖7，本實用新型提供一種土試樣共振柱裝置，用于對土樣進行測量，包括圓柱形的有機玻璃容器12，在有機玻璃容器 12內(nèi)設(shè)置有土試樣1、質(zhì)量塊2、鋼繩4、滑輪組5和平衡塊6。

基座3固定在有機玻璃容器12的底面，土試樣1固定在基座3上，土試樣由橡皮膜包裝，由裝配殼安裝在基座3上，橡皮膜緊貼裝配殼內(nèi)側(cè)，并抽真空處理，確保土試樣為圓柱形，質(zhì)量塊2安裝在土試樣1上端，土試樣1安裝完成后，拆掉裝配殼。質(zhì)量塊2包括十字架7、連接件11、四塊磁鐵8和加速度計9，四塊條形磁鐵8分別通過連接件11均勻固定在十字架7上，每一塊條形磁鐵8的兩端分別繞設(shè)有一線圈(未圖示)；鋼繩4的一端與質(zhì)量塊2的中心點連接，另一端繞設(shè)于滑輪組5后從滑輪組5引出至與平衡塊6連接，加速度計9安裝在十字架7的邊沿，加速度計9用于檢測土試樣1的角加速度信號?？蓞⒓訄D2，在實際應(yīng)用中還包括電荷放大器，電荷放大器對角加速度信號轉(zhuǎn)換為電壓量，并可以輸送至記錄儀。驅(qū)動系統(tǒng)提供驅(qū)動信號至線圈。

滑輪組5的結(jié)構(gòu)可以有至少三種實施方式，其一為滑輪組5包括一個定滑輪，所述鋼繩4的另一端繞設(shè)于該定滑輪后從該定滑輪引出至與平衡塊6連接。其二滑輪組5包括兩個定滑輪，為第一定滑輪和第二定滑輪，所述鋼繩4的另一端依次繞設(shè)于第一定滑輪、第二定滑輪后從第二定滑輪引出至與平衡塊6連接，可以理解，在第二種結(jié)構(gòu)中，鋼繩4均是繞設(shè)于兩個定滑輪的上滑軌，具體的，鋼繩4的另一端首先與第一定滑輪上部的滑軌接觸并引出至第二定滑輪上部的滑軌，之后鋼繩4的另一端從第二定滑輪向下引出至與平衡塊6連接；其三為滑輪組包括第一定滑輪、第二定滑輪和第三定滑輪，第一定滑 輪和第二定滑輪位于同一水平線上，第三定滑輪位于第一定滑輪和第二定滑輪的上方，所述鋼繩4以S字型的軌跡依次繞設(shè)于第一定滑輪、第二定滑輪和第三定滑輪后從第三定滑輪引出至與平衡塊6連接。在第三種結(jié)構(gòu)中，可以理解，鋼繩4的另一端首先從第一定滑輪上部的滑軌經(jīng)過引出至第二定滑輪下部的滑軌，并從第二定滑輪引出至第三定滑輪上部的滑軌，之后從第三定滑輪向下引出至與平衡塊6連接。圖4示出的滑輪組結(jié)構(gòu)為上述第三種實施方式。

質(zhì)量塊2具有一定的重量，并且在測試過程中是固定的，不可改變的，因而質(zhì)量塊2施加了一定的重力在土試樣1上，通過平衡塊6可對該質(zhì)量塊2的重量抵消，即平衡塊6的重量等于質(zhì)量塊2的重量，以使測量結(jié)果更加精確。

測量時，驅(qū)動系統(tǒng)輸出驅(qū)動信號至線圈，使線圈中有電流經(jīng)過，磁鐵8之間相互作用產(chǎn)生作用力，使質(zhì)量塊2受力運動，發(fā)生扭動，使得土樣跟著扭動，并通過加速度計9采集的角加速度信號最終獲得共振頻率。

由于加速度計9本身也具有一定的重量，在一定程度上也會影響測量結(jié)果，因此作為改進，質(zhì)量塊2還包括一配重塊10，該配重塊10的重量與加速度計9的重量相等，配重塊10和加速度計9以質(zhì)量塊的軸線為對稱軸對稱設(shè)置在十字架7上，能夠平衡掉加速度計9的重量。

質(zhì)量塊2的十字架7上還設(shè)有分別垂直位移傳感器(未圖示)和加速度傳感器(未圖示)，加速度傳感器固定在質(zhì)量塊2的邊緣，該 垂直位移傳感器用于檢測質(zhì)量塊2在垂直方向上的位移；加速度傳感器用于檢測土試樣1振動時的水平角加速度。水平角加速度和垂直位移都可供用戶作為參考。

參見圖7，由于土試樣通常會含有水分，難免水分流至容納殼1底部，尤其是在振動過程中，會把水分從土試樣中分離，因而在土試樣1的底部和頂部分別設(shè)有一透水石13，土試樣共振柱裝置還包括排水管14，土試樣頂部的透水石固定在質(zhì)量塊中心位置，土試樣的底部的透水石固定在基座上，兩個透水石均連接一排水管，且排水管通過基座的底部向外部連通。

在有機玻璃容器12上設(shè)有通氣孔，該通氣孔連接外部的氣源。外部的氣源通過通氣孔通入至有機玻璃容器12內(nèi)，以模擬土樣所在當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?，使得測量更加精準(zhǔn)。

對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應(yīng)該屬于本實用新型權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。