[发明专利]硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置及方法

权利要求书

1.一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置，其特征在于：其包括加速度测试系统、土体静动力测试系统、设置在土体单元网格上的激振系统；所述激振系统包括依次连接的底座、压力计、弹簧、质量块、偏振器；所述加速度测试系统包括若干个加速度传感器；所述土体静动力测试系统包含试样成型装置、强度测试装置和动模量测试装置，所述试样成型装置包括水泵、试样成型圆柱套筒、第一橡胶塞、第二橡胶塞和硅溶胶存储容器，所述试样成型圆柱套筒和硅溶胶存储器之间通过水泵和水管连接，所述模量测试装置包括压电陶瓷超声波发射片和压电陶瓷超声波接受片；

所述第一橡胶塞放置在试样成型圆柱套筒底部，试样成型圆柱套筒内放置松散砂土，所述第二橡胶塞放置在试样成型圆柱套筒顶部，用水泵将硅溶胶从硅溶胶存储容器注入试样成型圆柱套筒，砂土试样在试样成型圆柱套筒完成固化；

所述压电陶瓷超声波发射片设置在试验土样的顶部，所述压电陶瓷超声波接受片设置在试验土样的底部。

2.根据权利要求1所述的一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置，其特征在于：所述底座设置在土体单元网格上，所述压力计设置在底座上，所述弹簧设置在压力计上，所述质量块设置在弹簧上，所述偏振器设置在质量块上。

3.根据权利要求1所述的一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置，其特征在于：所述加速度传感器为压电陶瓷三向加速度传感器。

4.根据权利要求1所述的一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置，其特征在于：所述强度测试装置为静三轴剪切仪。

5.根据权利要求1所述的一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置的强度分析方法，其特征在于：其包括下述步骤：

步骤1：现场取未加固土样，指定不同浓度的硅溶胶溶液，不同浓度硅溶胶溶液由浓度从小到大编号为1,2,3,…,i,…,n；

步骤2：配置编号为i浓度的硅溶胶溶液；

步骤3：取编号为i的硅溶胶放入硅溶胶存储容器内，第一橡胶塞放置在试样成型圆柱套筒底部，试样成型圆柱套筒内放置松散砂土，第二橡胶塞放置在试样成型圆柱套筒顶部，用水泵将硅溶胶从硅溶胶存储容器注入试样成型圆柱套筒，砂土试样在试样成型圆柱套筒完成固化；

试验土样的顶部和底部分别放置压电陶瓷超声波发射片和压电陶瓷超声波接受片，测试试验土样固化后的波速V，由波速V和试验土样固化后的密度可以得到编号为i的硅溶胶固化砂土试样的模量，然后将试样成型圆柱套筒内的试验土样放置在静三轴剪切仪内进行三轴压缩试验可获得对应的内摩擦角和黏聚力；

步骤4：重复步骤2～步骤3，对于编号为i浓度的硅溶胶溶液制作三个固化砂土试样，得到的一组强度指标为内摩擦角和黏聚力c_i，三个试样的模量取平均值作为强度指标对应的模量E_i；

步骤5：重复步骤2～步骤4，得到n组硅溶胶溶液固化砂土得到的内摩擦角和黏聚力c_i以及对应的模量E_i，然后用多项式建立强度指标内摩擦角和黏聚力c与模量E的关系，设内摩擦角与模量E关系为：

设黏聚力c与模量E关系为：

c＝B₁+b₂E+B₃E²+B₄E³+B₅E⁴+B₆E⁵

由n组硅溶胶溶液固化砂土得到的内摩擦角和黏聚力c_i以及对应的模量E_i，拟合得到系数A₁,A₂,A₃,A₄,A₅,A₆和B₁,B₂,B₃,B₄,B₅,B₆，从而建立强度指标内摩擦角和黏聚力c与模量E的关系；

步骤6：对于硅溶胶加固的砂土地基建立有限元网格，在实际现场确定地表有限元网格节点位置，然后在部分地表有限元网格节点放置加速度传感器，在地表放置激振系统；

步骤7：开动偏振器，偏振频率等于质量块和弹簧组成系统的固有频率，实时记录压力计上的压力值和加速度传感器上的加速度值，并提取各个加速度传感器上测得的加速度峰值a₁,a₂,…,a_m；

步骤8：有限元模型中，设每个单元的模量为λ_i并将其赋值至有限元模型中，在激振系统的位置上施加实际压力计测试得到的压力曲线，模拟得到有限元网格节点上的加速度峰值，可以提取与实际加速度传感器测得的加速度峰值a₁,a₂,…,a_m对应的模拟加速度峰值在这个基础上建立优化模型，设每个单元的模量为λ_i为优化变量并将其赋值至有限元模型中，以实际加速度传感器测得的加速度峰值a₁,a₂,…,a_m对应的模拟加速度峰值之间的累计误差为目标函数建立优化模型如下：

在每一次优化迭代中，将有限元模型得到的模拟加速度峰值带入优化模型中，得到每个单元新的优化变量λ_i，然后将优化变量λ_i代入有限元模型中，通过这样的优化迭代，得到优化模型中优化变量λ_i的解，即每个土体单元的模量，将此模量代入步骤5得到的强度指标内摩擦角和黏聚力c与模量E的多项式关系式，即得到每个土体单元强度指标内摩擦角和黏聚力c。

6.根据权利要求5所述的一种硅溶胶加固大范围砂土的强度分析装置的强度分析方法，其特征在于：所述步骤8中优化迭代的算法为序列二次规划算法。