專利名稱：一種測(cè)試液化砂土流動(dòng)特性的試驗(yàn)裝置和測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于巖土地震工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種測(cè)試液化砂土流動(dòng)特性的試驗(yàn)裝置和測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
地震是人類面臨的主要自然災(zāi)害之一，在地震災(zāi)害中，由于砂土液化而造成的工程危害正越來(lái)越引起人們的關(guān)注，這就使得砂土液化的動(dòng)力特性成為了巖土領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。飽和砂土的總應(yīng)力由有效應(yīng)力和孔隙水壓力兩部分組成，在一般情況下，地基的荷載主要由總應(yīng)力中的有效應(yīng)力來(lái)承擔(dān)，然而，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，飽和砂土中的孔隙水壓力在地震動(dòng)荷載的作用下會(huì)不斷上升，而在總應(yīng)力大小不變的前提下，有效應(yīng)力就會(huì)不斷減小，直到有效應(yīng)力為零的時(shí)候，砂土的總應(yīng)力完全由孔隙水壓力組成，土骨架喪失了承載力，土顆粒就像“懸浮在水中” 一樣，此時(shí)的狀態(tài)就被稱為砂土完全液化狀態(tài)，這種現(xiàn)象就是飽和砂土液化現(xiàn)象。在液化砂土的變形分析中，表觀黏度是重要的參數(shù)，它是表示流體內(nèi)摩擦的物理量，是一層流體對(duì)另一層流體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力，定義為剪應(yīng)力與剪應(yīng)變率的比值。本發(fā)明之前，一般流體的表觀黏度測(cè)量常采用黏度計(jì)，包括旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、毛細(xì)管黏度計(jì)和落球黏度計(jì)等。旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的原理是使流體在狹縫間產(chǎn)生剪切流動(dòng)，測(cè)量流動(dòng)過(guò)程中的扭矩來(lái)計(jì)算流體的表觀黏度。毛細(xì)管黏度計(jì)是使流體在重力作用下緩慢流過(guò)一個(gè)標(biāo)定好的玻璃毛細(xì)管黏度計(jì)，通過(guò)測(cè)量流體流過(guò)黏度計(jì)的時(shí)間來(lái)反映流體的黏度。落球黏度計(jì)的原理是，將一鋼球放入盛滿流體的透明量筒，鋼球憑重力下落，測(cè)量鋼球在流體中勻速通過(guò)時(shí)的速度來(lái)計(jì)算流體的表觀黏度。然而，上述黏度測(cè)量方法均不能有效測(cè)量液化砂土的表觀黏度，而且在測(cè)量過(guò)程中也無(wú)法觀察到砂土顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，原因?yàn)?br> (1)落球黏度計(jì)測(cè)量時(shí)要求流體保持靜止?fàn)顟B(tài)，而飽和砂土的液化是在動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生的，液化砂土處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此傳統(tǒng)的落球黏度計(jì)不適用于飽和砂土液化狀態(tài)下的表觀黏度的測(cè)量。(2)毛細(xì)管黏度計(jì)需要采用細(xì)長(zhǎng)的玻璃管，旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)要求流體在狹縫中剪切流動(dòng)，而砂土是具有一定粒徑的材料，不能在細(xì)長(zhǎng)玻璃管或狹縫中順利流動(dòng)，因此液化砂土的表觀黏度不適合用毛細(xì)管黏度計(jì)和旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量。(3)已有試驗(yàn)證明，液化砂土的表觀黏度非常高，超出常規(guī)黏度計(jì)的測(cè)量范圍。(4)液化砂土發(fā)生流動(dòng)變形時(shí)的速率較低，而常規(guī)黏度計(jì)測(cè)量時(shí)流體運(yùn)動(dòng)的速率較大，
不能合理反映液化砂土流動(dòng)變形時(shí)的特點(diǎn)。(5)過(guò)去的飽和砂土液化表觀黏度裝置在測(cè)量過(guò)程中無(wú)法觀測(cè)到砂顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。(6)由于砂土液化的孔壓在一個(gè)測(cè)量截面上并不一定相等，因此采用點(diǎn)接觸測(cè)量的孔壓值無(wú)法反映一個(gè)截面上的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述傳統(tǒng)黏度計(jì)不適用于測(cè)量液化砂土表觀黏度的缺陷，提出了一種測(cè)試液化砂土流動(dòng)特性的試驗(yàn)裝置和測(cè)試方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種測(cè)試液化砂土流動(dòng)特性的試驗(yàn)裝置，包括振動(dòng)臺(tái)和固定在振動(dòng)臺(tái)上的模型箱，其特征在于模型箱的兩個(gè)側(cè)面采用可塑性面板制成，在兩塊可塑性面板上對(duì)稱的位置，各開(kāi)挖出一條水平軌道，將一根與模型箱寬度一致的剛性圓管安放在兩條軌道之間，并在剛性圓管的兩個(gè)端面上各安裝一個(gè)小滑輪，使得滑輪剛好落在軌道中而剛性圓管也剛好卡在兩塊可塑性面板之間。剛性圓管中間分別對(duì)稱的連接兩個(gè)動(dòng)拉力傳感器，動(dòng)拉力傳感器由鋼絲繩牽引，鋼絲繩通過(guò)定滑輪引出模型箱外，再與兩只動(dòng)位移傳感器相連，然后將兩根引出的鋼絲繩對(duì)稱的連接到由正反轉(zhuǎn)的調(diào)速電機(jī)控制的一根軸承的兩端；在模型箱中，剛性圓管的中心以及兩側(cè)等高處分別設(shè)置動(dòng)孔壓傳感器。所述的可塑性面板可采用有機(jī)玻璃制成，可塑性面板上的軌道深度要求使得剛性圓管兩端面上的小滑輪剛好可以完全放入軌道中。軌道表面要求打磨光滑，使得小滑輪與軌道之間產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力大小可以忽略不計(jì)。所述的剛性圓管表面光滑，通?？刹捎娩摴芑蛴袡C(jī)玻璃實(shí)心管。剛性圓管的長(zhǎng)度與模型箱寬度一致，確保剛性圓管安裝后，兩端面與兩側(cè)的可塑性面板之間的縫隙中無(wú)法進(jìn)入砂土顆粒，在剛性圓管的兩個(gè)端面上各安裝一個(gè)小滑輪，使得滑輪剛好完全落在軌道中。剛性圓管中間分別對(duì)稱的連接兩個(gè)動(dòng)拉力傳感器，動(dòng)拉力傳感器由鋼絲繩牽引，鋼絲繩通過(guò)定滑輪引出模型箱外，定滑輪至少包括兩組對(duì)稱布置的滑輪組，每一組滑輪組包括分別固定在軌道兩端等高處的兩只定滑輪，兩只定滑輪間牽引繩與軌道平行。再與兩只動(dòng)位移傳感器相連，然后將引出的兩根鋼絲繩對(duì)稱的連接到由正反轉(zhuǎn)的調(diào)速電機(jī)控制的一根軸承的兩端，這樣由正反轉(zhuǎn)的調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，剛性圓管可以基本無(wú)摩擦地在軌道上進(jìn)行水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。所述的剛性圓管可選擇一組不同截面直徑的剛性圓管，從而在進(jìn)行表觀黏度測(cè)量
時(shí)達(dá)到不同的剪切速率。所述的可拆卸面板，采用剛性易加工材料制成，要求面板可以插入事先做好的插槽內(nèi)，而且在試驗(yàn)過(guò)程中保證密封和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不至于在試驗(yàn)過(guò)程中有砂土顆粒從插槽縫隙中跑出或者面板在震動(dòng)過(guò)程中失穩(wěn)。所述的軸承由電機(jī)帶動(dòng)，軸承的兩端對(duì)稱鏈接由模型箱中引出的兩根鋼絲繩，從而保證在電機(jī)帶動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)之后，兩根鋼絲繩可以帶動(dòng)鋼管兩端同步運(yùn)動(dòng)。所述的振動(dòng)臺(tái)激振方向與軌道方向垂直。本發(fā)明還涉及一種測(cè)試液化砂土流動(dòng)特性的方法，其主要技術(shù)步驟在于
(1)卸下可拆卸的面板，將一根兩端面裝有小滑輪的剛性圓管安裝到可塑性面板的軌道上；
(2)然后再將拆下來(lái)的面板裝入插槽中，并采用角形構(gòu)件和螺母對(duì)其進(jìn)行固定；
(3)剛性圓管中間對(duì)稱的引出兩根鋼絲繩，每根鋼絲繩各連接一個(gè)動(dòng)拉力傳感器，然后通過(guò)定滑輪引出模型箱，再與動(dòng)位移傳感器相連，最后連接到由正反轉(zhuǎn)的調(diào)速電機(jī)控制的軸承一端；
(4)在模型箱內(nèi)部鋪設(shè)砂土，砂土鋪設(shè)后使之達(dá)到飽和，并使砂土固結(jié)，再將模型箱固定在振動(dòng)臺(tái)上，開(kāi)啟振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行激振，使得模型箱中的飽和砂土達(dá)到液化狀態(tài)；
(5)開(kāi)啟正反轉(zhuǎn)的調(diào)速電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)軸承牽引鋼絲繩運(yùn)動(dòng)，使得剛性圓管在軌道上作水平運(yùn)動(dòng)，并測(cè)量剛性圓管運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移和所受到的水平拉力，然后將電機(jī)反轉(zhuǎn)，使剛性圓管向相反的方向運(yùn)動(dòng)，測(cè)量剛性圓管運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移和所受到的水平拉力；
(6)根據(jù)下式，計(jì)算反映液化砂土流動(dòng)特性的表觀黏度
權(quán)利要求
1.一種測(cè)試液化砂土流動(dòng)特性的試驗(yàn)裝置，包括振動(dòng)臺(tái)和固定在振動(dòng)臺(tái)上的模型箱，其特征在于模型箱的兩個(gè)側(cè)面采用可塑性面板制成，在兩塊面板上對(duì)稱的位置，各開(kāi)挖出一條水平軌道，將一根與模型箱寬度一致的剛性圓管安放在兩條軌道之間，并在剛性圓管的兩個(gè)端面上各安裝一個(gè)小滑輪，使得滑輪剛好安放在軌道中，而剛性圓管也剛好卡在兩塊可塑性面板之間，剛性圓管中間都對(duì)稱地引出兩根鋼絲繩，每根鋼絲繩各連接一個(gè)動(dòng)拉力傳感器，然后通過(guò)定滑輪引出模型箱，再與動(dòng)位移傳感器相連，最后連接到由正反轉(zhuǎn)的調(diào)速電機(jī)控制的軸承一端；在模型箱中剛性圓管的中心以及兩側(cè)等高處分別設(shè)置動(dòng)孔壓傳感ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試液化砂土流動(dòng)特性的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述振動(dòng)臺(tái)的激振方向與軌道方向垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試液化砂土流動(dòng)特性的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的剛性圓管兩端面中心上安裝的小滑輪與可塑性面板上的軌道接觸面光滑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試液化砂土流動(dòng)特性的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的剛性圓管長(zhǎng)度和模型箱寬度一致，從而保證剛性圓管的兩個(gè)端面恰好和兩側(cè)的可塑性面板緊貼。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試液化砂土流動(dòng)特性的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的剛性圓管在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，保持平動(dòng)而不發(fā)生滾動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試液化砂土流動(dòng)特性的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的剛性圓管采用兩根對(duì)稱分布的鋼絲繩引導(dǎo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試液化砂土流動(dòng)特性的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的剛性圓管包括一組不同直徑的剛性圓管組成，每根剛性圓管的兩個(gè)端面上都安裝有與圓管同樣尺寸的小滑輪。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試液化砂土流動(dòng)特性的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的垂直于可塑性面板的兩塊面板，其中一塊采用可拆卸的方式安裝。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試液化砂土流動(dòng)特性的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的可拆卸面板在安裝到插槽中后用角形構(gòu)件固定，并且在插槽中裝有橡皮止水片。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試液化砂土流動(dòng)特性的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的軸承由電機(jī)帶動(dòng)，軸承的兩端對(duì)稱鏈接由模型箱中引出的兩根鋼絲繩，從而在電機(jī)帶動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)之后，兩根鋼絲繩可以同步帶動(dòng)剛性圓管在軌道上保持平動(dòng)。
11.一種基于權(quán)利要求1所述的測(cè)試液化砂土流動(dòng)特性的方法，包括以下步驟(1)卸下可拆卸的面板，將一根兩端面裝有小滑輪的剛性圓管安裝到可塑性面板的軌道上；(2)然后再將拆下來(lái)的面板裝入插槽中，并采用角形構(gòu)件和螺母對(duì)其進(jìn)行固定；(3)剛性圓管中間對(duì)稱的引出兩根鋼絲繩，每根鋼絲繩各連接一個(gè)動(dòng)拉力傳感器，然后通過(guò)定滑輪引出模型箱，再與動(dòng)位移傳感器相連，最后連接到由正反轉(zhuǎn)的調(diào)速電機(jī)控制的軸承一端；(4)在模型箱內(nèi)部鋪設(shè)砂土，砂土鋪設(shè)后使之達(dá)到飽和，并使砂土固結(jié)，再將模型箱固定在振動(dòng)臺(tái)上，開(kāi)啟振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行激振，使得模型箱中的飽和砂土達(dá)到液化狀態(tài)；(5)開(kāi)啟正反轉(zhuǎn)的調(diào)速電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)軸承牽引鋼絲繩運(yùn)動(dòng)，使得剛性圓管在軌道上作水平運(yùn)動(dòng)，并測(cè)量剛性圓管運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移和所受到的水平拉力，然后將電機(jī)反轉(zhuǎn)，使剛性圓管向相反的方向運(yùn)動(dòng)，測(cè)量剛性圓管運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移和所受到的水平拉力；(6)根據(jù)下式，計(jì)算反映液化砂土流動(dòng)特性的表觀黏度式中，廠為剛性圓管所受的水平拉力，n為液化砂土的表觀黏度，P為液化砂土的密度，L為剛性圓管的長(zhǎng)度，々為剛性圓管的截面直徑，Z為剛性圓管運(yùn)動(dòng)的速度(可由運(yùn)動(dòng)位移和時(shí)間求平均速度得到)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種測(cè)試液化砂土流動(dòng)特性的試驗(yàn)裝置和測(cè)試方法。所述裝置包括振動(dòng)臺(tái)和模型箱，模型箱的兩個(gè)側(cè)面采用可塑性面板，其對(duì)稱的位置，各有一條水平軌道，剛性圓管安放在軌道間。剛性圓管引出鋼絲繩，連接動(dòng)拉力傳感器，引出模型箱，再與動(dòng)位移傳感器相連，最后連接到正反轉(zhuǎn)的調(diào)速電機(jī)。所述測(cè)試方法包括通過(guò)振動(dòng)臺(tái)使得模型箱中的飽和砂土達(dá)到液化狀態(tài)，然后由電機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼絲繩，再引導(dǎo)剛性圓管，使其在軌道上作水平運(yùn)動(dòng)，測(cè)量其運(yùn)動(dòng)的速度和所受到的水平拉力，由此計(jì)算液化砂土的表觀黏度，以分析液化砂土的流動(dòng)特性。本發(fā)明具有效率高、邊界效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N11/12GK102564903SQ20111044109
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者丁選明, 劉漢龍, 周葛, 陳育民, 高星 申請(qǐng)人:河海大學(xué)