CN102564903B

CN102564903B - 一种测试液化砂土流动特性的试验装置和测试方法

Info

Publication number: CN102564903B
Application number: CN2011104410976A
Authority: CN
Inventors: 陈育民; 周葛; 丁选明; 刘汉龙; 高星
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2031-12-26
Also published as: CN102564903A

Abstract

本发明公开了一种测试液化砂土流动特性的试验装置和测试方法。所述装置包括振动台和模型箱，模型箱的两个侧面采用可塑性面板，其对称的位置，各有一条水平轨道，刚性圆管安放在轨道间。刚性圆管引出钢丝绳，连接动拉力传感器，引出模型箱，再与动位移传感器相连，最后连接到正反转的调速电机。所述测试方法包括：通过振动台使得模型箱中的饱和砂土达到液化状态，然后由电机驱动钢丝绳，再引导刚性圆管，使其在轨道上作水平运动，测量其运动的速度和所受到的水平拉力，由此计算液化砂土的表观黏度，以分析液化砂土的流动特性。本发明具有效率高、边界效应小等优点。

Description

一种测试液化砂土流动特性的试验装置和测试方法

技术领域

本发明属于岩土地震工程技术领域，特别涉及一种测试液化砂土流动特性的试验装置和测试方法。

背景技术

地震是人类面临的主要自然灾害之一，在地震灾害中，由于砂土液化而造成的工程危害正越来越引起人们的关注，这就使得砂土液化的动力特性成为了岩土领域新的研究热点。饱和砂土的总应力由有效应力和孔隙水压力两部分组成，在一般情况下，地基的荷载主要由总应力中的有效应力来承担，然而，当发生地震时，饱和砂土中的孔隙水压力在地震动荷载的作用下会不断上升，而在总应力大小不变的前提下，有效应力就会不断减小，直到有效应力为零的时候，砂土的总应力完全由孔隙水压力组成，土骨架丧失了承载力，土颗粒就像“悬浮在水中”一样，此时的状态就被称为砂土完全液化状态，这种现象就是饱和砂土液化现象。在液化砂土的变形分析中，表观黏度是重要的参数，它是表示流体内摩擦的物理量，是一层流体对另一层流体作相对运动的阻力，定义为剪应力与剪应变率的比值。

本发明之前，一般流体的表观黏度测量常采用黏度计，包括旋转黏度计、毛细管黏度计和落球黏度计等。旋转黏度计的原理是使流体在狭缝间产生剪切流动，测量流动过程中的扭矩来计算流体的表观黏度。毛细管黏度计是使流体在重力作用下缓慢流过一个标定好的玻璃毛细管黏度计，通过测量流体流过黏度计的时间来反映流体的黏度。落球黏度计的原理是，将一钢球放入盛满流体的透明量筒，钢球凭重力下落，测量钢球在流体中匀速通过时的速度来计算流体的表观黏度。然而，上述黏度测量方法均不能有效测量液化砂土的表观黏度，而且在测量过程中也无法观察到砂土颗粒的运动状态，原因为：

（1）落球黏度计测量时要求流体保持静止状态，而饱和砂土的液化是在动荷载作用下产生的，液化砂土处于运动状态，因此传统的落球黏度计不适用于饱和砂土液化状态下的表观黏度的测量。

（2）毛细管黏度计需要采用细长的玻璃管，旋转黏度计要求流体在狭缝中剪切流动，而砂土是具有一定粒径的材料，不能在细长玻璃管或狭缝中顺利流动，因此液化砂土的表观黏度不适合用毛细管黏度计和旋转黏度计测量。

（3）已有试验证明，液化砂土的表观黏度非常高，超出常规黏度计的测量范围。

（4）液化砂土发生流动变形时的速率较低，而常规黏度计测量时流体运动的速率较大，

不能合理反映液化砂土流动变形时的特点。

（5）过去的饱和砂土液化表观黏度装置在测量过程中无法观测到砂颗粒的运动状态。

（6）由于砂土液化的孔压在一个测量截面上并不一定相等，因此采用点接触测量的孔压值无法反映一个截面上的情况。

发明内容

本发明的目的在于克服上述传统黏度计不适用于测量液化砂土表观黏度的缺陷，提出了一种测试液化砂土流动特性的试验装置和测试方法。

本发明采用的技术方案是：

一种测试液化砂土流动特性的试验装置，包括振动台和固定在振动台上的模型箱，其特征在于：模型箱的两个侧面采用可塑性面板制成，在两块可塑性面板上对称的位置，各开挖出一条水平轨道，将一根与模型箱宽度一致的刚性圆管安放在两条轨道之间，并在刚性圆管的两个端面上各安装一个小滑轮，使得滑轮刚好落在轨道中而刚性圆管也刚好卡在两块可塑性面板之间。刚性圆管中间分别对称的连接两个动拉力传感器，动拉力传感器由钢丝绳牵引，钢丝绳通过定滑轮引出模型箱外，再与两只动位移传感器相连，然后将两根引出的钢丝绳对称的连接到由正反转的调速电机控制的一根轴承的两端；在模型箱中，刚性圆管的中心以及两侧等高处分别设置动孔压传感器。

所述的可塑性面板可采用有机玻璃制成，可塑性面板上的轨道深度要求使得刚性圆管两端面上的小滑轮刚好可以完全放入轨道中。轨道表面要求打磨光滑，使得小滑轮与轨道之间产生的滑动摩擦力大小可以忽略不计。

所述的刚性圆管表面光滑，通常可采用钢管或有机玻璃实心管。刚性圆管的长度与模型箱宽度一致，确保刚性圆管安装后，两端面与两侧的可塑性面板之间的缝隙中无法进入砂土颗粒，在刚性圆管的两个端面上各安装一个小滑轮，使得滑轮刚好完全落在轨道中。刚性圆管中间分别对称的连接两个动拉力传感器，动拉力传感器由钢丝绳牵引，钢丝绳通过定滑轮引出模型箱外，定滑轮至少包括两组对称布置的滑轮组，每一组滑轮组包括分别固定在轨道两端等高处的两只定滑轮，两只定滑轮间牵引绳与轨道平行。再与两只动位移传感器相连，然后将引出的两根钢丝绳对称的连接到由正反转的调速电机控制的一根轴承的两端，这样由正反转的调速电机驱动，刚性圆管可以基本无摩擦地在轨道上进行水平往复运动。所述的刚性圆管可选择一组不同截面直径的刚性圆管，从而在进行表观黏度测量

时达到不同的剪切速率。

所述的可拆卸面板，采用刚性易加工材料制成，要求面板可以***事先做好的插槽内，而且在试验过程中保证密封和结构稳定，不至于在试验过程中有砂土颗粒从插槽缝隙中跑出或者面板在震动过程中失稳。

所述的轴承由电机带动，轴承的两端对称链接由模型箱中引出的两根钢丝绳，从而保证在电机带动轴承转动之后，两根钢丝绳可以带动钢管两端同步运动。

所述的振动台激振方向与轨道方向垂直。

本发明还涉及一种测试液化砂土流动特性的方法，其主要技术步骤在于：

（1）卸下可拆卸的面板，将一根两端面装有小滑轮的刚性圆管安装到可塑性面板的轨道上；

（2）然后再将拆下来的面板装入插槽中，并采用角形构件和螺母对其进行固定；

（3）刚性圆管中间对称的引出两根钢丝绳，每根钢丝绳各连接一个动拉力传感器，然后通过定滑轮引出模型箱，再与动位移传感器相连，最后连接到由正反转的调速电机控制的轴承一端；

（4）在模型箱内部铺设砂土，砂土铺设后使之达到饱和，并使砂土固结，再将模型箱固定在振动台上，开启振动台进行激振，使得模型箱中的饱和砂土达到液化状态；

（5）开启正反转的调速电机，电机转动带动轴承牵引钢丝绳运动，使得刚性圆管在轨道上作水平运动，并测量刚性圆管运动过程中的位移和所受到的水平拉力，然后将电机反转，使刚性圆管向相反的方向运动，测量刚性圆管运动过程中的位移和所受到的水平拉力；

（6）根据下式，计算反映液化砂土流动特性的表观黏度：

Figure 2011104410976100002DEST_PATH_IMAGE002

式中，F为刚性圆管所受的水平拉力，η为液化砂土的表观黏度，ρ为液化砂土的密度，L为刚性圆管的长度，D为刚性圆管的截面直径，V为刚性圆管运动的速度（可由运动位移和时间求平均速度得到）。

本发明的优点和效果在于：

（1）采用了低速电机驱动，可以使刚性圆管在水平轨道上缓慢运动，使流体产生缓慢剪切，从而接近饱和砂土液化流动时的运动特征。

（2）滑轮***的设计能够让刚性圆管进行双向运动，从而进行平行试验，大大提高试验效率。

（3）采用了振动台激振的方式使饱和砂土产生液化，避免了现有的常规黏度计不能用于液化砂土表观黏度测量的不足。

（4）采用刚性圆管作为运动的对象，刚性圆管与周围砂土密切接触，而且接触更加充分，避免了边界效应和局部效应的影响。

（5）采用的刚性圆管在运动过程中，由于小滑轮只能沿着轨道方向运动，而且刚性圆管的两个端面在运动中也一直紧贴可塑性面板，从而使得刚性圆管在运动中可以保持平动而不发生滚动，此外垂直于刚性圆管方向的振动台激振运动对刚性圆管运动的影响也可以忽略不计。

（6）刚性圆管两侧设置的动拉力传感器，直接测量钢管受到的拉力，可以避免刚性圆管运动时钢丝绳与定滑轮之间的摩擦引起的测量误差。

（7）钢管中心以及两侧都设置孔压力传感器，可以测量不同位置的孔压，从而避免不同位置孔压不同对试验结果的影响。

（8）采用一根轴承来带动两根钢丝绳运动，可以保证刚性圆管在钢丝绳牵引下，运动的同步性。

（9）对称的采用两根钢丝绳来牵引钢管运动，可以使得刚性圆管在运动过程中保持平动而不发生偏移。

附图说明

图1 本发明测试液化砂土流动特性的试验装置结构示意图

图2 本发明试验装置模型箱示意图

图3 可拆卸面板与模型箱组装后的三视图

图4 模型箱内定滑轮和定滑轮保护盒的三视图

图5 模型箱内两侧面板上的定滑轮和定滑轮保护盒位置示意图

图中：1、正反转的调速电机，2、动位移传感器，3、支架，4、定滑轮，5、轴承，6、砂土，7、刚性圆管，8、钢丝绳，9、定滑轮保护盒，10、动孔压传感器，11、动拉力传感器，12、可塑性面板轨道，13、固定在振动台上的模型箱，14、振动台，15、刚性圆管两端面的小滑轮，16、可拆卸面板，17、可塑性面板，18、角形构件，19、螺母。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种测试液化砂土流动特性的试验装置，包括振动台（14）和固定在振动台上的模型箱（13），还包括低速可调电机（1）、动位移传感器（2）、定滑轮（4）、轴承（5）、刚性圆管（7）、刚性圆管两端面的小滑轮（15）、钢丝绳（8）、定滑轮保护盒（9）、动孔压传感器（10）、动拉力传感器（11）、可塑性面板轨道（12）、可拆卸面板（16）和可塑性面板（17）。振动台（14）的激振方向与可塑性面板（12）的方向垂直。

可塑性面板轨道（12）可以通过工具在可塑性面板（16）上开挖出，并将开挖后的轨道面进行打磨光滑处理。可拆卸面板（17）采用卡槽的方式和模型箱（13）进行连接，如图3所示在原有的三块面板上开挖出10mm深度的卡槽，使得可拆卸面板可以通过卡槽与模型箱连接，为了提高组合模型箱的密闭性和整体性，可以在卡槽内设置橡皮止水片，并在安装后的模型箱与可拆卸面板之间用角形构件（18）和螺母（19）进行固定。刚性圆管（7）两端的小滑轮（15）放置在可塑性面板轨道（12）内，刚性圆管（7）的直径可以采用不同的组合，从而达到不同的剪切速率。刚性圆管（7）的中间两端对称的分别由钢丝绳（8）连接动传感器（11），动拉力传感器（11）由钢丝绳（8）牵引。钢丝绳（8）由定滑轮引出模型箱（13）外，模型箱（13）两侧面板上定滑轮的布置如图5所示，钢丝绳（8）先经过两只定滑轮（4）引出模型箱（13），两只定滑轮（4）分别固定在滑轮保护盒内的模型箱（13）的侧面上，如图4所示定滑轮和滑轮保护盒的安装以及滑轮保护盒上为引出钢丝绳（8）而开的小孔的位置两只定滑轮（4）间钢丝绳（8）与两侧可塑性面板轨道（12）平行，再经两只定滑轮（4）引出模型箱（13）外，与两只动位移传感器（2）相连后，再连接到固定在正反转的调速电机（1）控制的一根轴承（5）的两端。

所属的装置中还包括模型箱（13）中与刚性圆管（7）中心线等高处，设置在其两侧的中心和两端处的六只动孔压传感器。

一种测试液化砂土流动特性的试验方法，具体步骤在于：

（1）卸下可拆卸的面板（16），将一根两端面装有小滑轮（15）的刚性圆管（7）安装到可塑性面板的轨道（12）上；

（2）然后再将拆下来的面板（16）装入插槽中，用角形构件（18）和螺母（19）将其固定在模型箱（13）上；刚性圆管（7）中间对称的引出两根钢丝绳（8），每根钢丝绳（8）各连接一个动拉力传感器（11），然后通过定滑轮（4）引出模型箱（13），再与动位移传感器（2）相连，最后连接到由正反转的调速电机（1）控制的轴承（5）一端；

（3）在模型箱内部铺设砂土（6），砂土铺设后使之达到饱和，并使砂土固结，再将模型箱（13）固定在振动台（14）上，开启振动台进行激振，使得模型箱（13）中的饱和砂土达到液化状态；

（4）开启正反转的调速电机（1），电机转动带动轴承（5）牵引钢丝绳（8）运动，使得刚性圆管（7）在可塑性面板的轨道（12）上作水平运动，并测量刚性圆管（7）运动过程中的位移和所受到的水平拉力，然后将电机（1）反转，使刚性圆管（7）向相反的方向运动，测量刚性圆管（7）运动过程中的位移和所受到的水平拉力；

（5）根据下式，计算反映液化砂土流动特性的表观黏度：

Figure 2011104410976100002DEST_PATH_IMAGE002A

中，F为刚性圆管所受的水平拉力，η为液化砂土的表观黏度，ρ为液化砂土的密度，L为刚性圆管的长度，D为刚性圆管的截面直径，V为刚性圆管运动的速度（可由运动位移和时间求平均速度得到）。

本发明的保护范围并不仅仅局限于具体实施方式的描述，比如对于可塑性面板轨道（12）、可拆卸面板（16）或滑轮组（4）也可以采用任何其它具有相同功能的设计，凡采用本发明的等同替换、等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims

1.一种测试液化砂土流动特性的试验装置，包括振动台和固定在振动台上的模型箱，其特征在于：模型箱的两个侧面采用可塑性面板制成，模型箱垂直于可塑性面板的方向安装有一块可拆卸面板，在两块可塑性面板上对称的位置，各开挖出一条水平轨道，将一根与模型箱宽度一致的刚性圆管安放在两条轨道之间，并在刚性圆管的两个端面上各安装一个小滑轮，使得小滑轮刚好安放在轨道中，而刚性圆管也刚好卡在两块可塑性面板之间，刚性圆管中间都对称地引出两根钢丝绳，每根钢丝绳各连接一个动拉力传感器，然后通过定滑轮引出模型箱，再与动位移传感器相连，最后连接到由正反转的调速电机控制的轴承一端；在模型箱中刚性圆管的中心以及两侧等高处分别设置动孔压传感器，所述振动台的激振方向与轨道方向垂直，所述的刚性圆管两端面中心上安装的小滑轮与可塑性面板上的轨道接触面光滑。

2.根据权利要求1所述的测试液化砂土流动特性的试验装置，其特征在于：所述的刚性圆管长度和模型箱宽度一致，从而保证刚性圆管的两个端面恰好和两侧的可塑性面板紧贴。

3．根据权利要求1所述的测试液化砂土流动特性的试验装置，其特征在于：所述的刚性圆管在运动过程中，保持平动而不发生滚动。

4．根据权利要求1所述的测试液化砂土流动特性的试验装置，其特征在于：所述的刚性圆管采用两根对称分布的钢丝绳引导。

5．根据权利要求1所述的测试液化砂土流动特性的试验装置，其特征在于：所述的刚性圆管由一组直径不同的刚性圆管组成，每根刚性圆管的两个端面上都安装有与圆管同样尺寸的小滑轮。

6．根据权利要求1所述的测试液化砂土流动特性的试验装置，其特征在于：所述的可拆卸面板，采用可拆卸的方式安装。

7．根据权利要求1所述的测试液化砂土流动特性的试验装置，其特征在于：所述的可拆卸面板在安装到插槽中后用角形构件固定，并且在插槽中装有橡皮止水片。

8．根据权利要求1所述的测试液化砂土流动特性的试验装置，其特征在于：所述的轴承由调速电机带动，轴承的两端对称连接由模型箱中引出的两根钢丝绳，从而在调速电机带动轴承转动之后，两根钢丝绳可以同步带动刚性圆管在轨道上保持平动。

9．一种基于权利要求1所述的测试液化砂土流动特性的试验装置的测试液化砂土流动特性的测试方法，包括以下步骤：

（1）卸下可拆卸面板，将一根两端面装有小滑轮的刚性圆管安装到可塑性面板的轨道上；

（2）然后再将拆下来的可拆卸面板装入插槽中，并采用角形构件和螺母对其进行固定；

（5）开启正反转的调速电机，调速电机转动带动轴承牵引钢丝绳运动，使得刚性圆管在轨道上作水平运动，并测量刚性圆管运动过程中的位移和所受到的水平拉力，然后将调速电机反转，使刚性圆管向相反的方向运动，测量刚性圆管运动过程中的位移和所受到的水平拉力；

（6）根据下式，计算反映液化砂土流动特性的表观黏度：

式中，F为刚性圆管所受的水平拉力，η为液化砂土的表观黏度，ρ为液化砂土的密度，L为刚性圆管的长度，D为刚性圆管的截面直径，V为刚性圆管运动的速度，由运动位移和时间求平均速度得到。