專利名稱：一種測試液化砂土流動特性的試驗裝置和測試方法
技術領域：
本發(fā)明屬于巖土地震工程技術領域，特別涉及一種測試液化砂土流動特性的試驗裝置和測試方法。
背景技術：
地震是人類面臨的主要自然災害之一，在地震災害中，由于砂土液化而造成的工程危害正越來越引起人們的關注，這就使得砂土液化的動力特性成為了巖土領域新的研究熱點。飽和砂土的總應力由有效應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力中的有效應力來承擔，然而，當發(fā)生地震時，飽和砂土中的孔隙水壓力在地震動荷載的作用下會不斷上升，而在總應力大小不變的前提下，有效應力就會不斷減小，直到有效應力為零的時候，砂土的總應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，是一層流體對另一層流體作相對運動的阻力，定義為剪應力與剪應變率的比值。本發(fā)明之前，一般流體的表觀黏度測量常采用黏度計，包括旋轉黏度計、毛細管黏度計和落球黏度計等。旋轉黏度計的原理是使流體在狹縫間產(chǎn)生剪切流動，測量流動過程中的扭矩來計算流體的表觀黏度。毛細管黏度計是使流體在重力作用下緩慢流過一個標定好的玻璃毛細管黏度計，通過測量流體流過黏度計的時間來反映流體的黏度。落球黏度計的原理是，將一鋼球放入盛滿流體的透明量筒，鋼球憑重力下落，測量鋼球在流體中勻速通過時的速度來計算流體的表觀黏度。然而，上述黏度測量方法均不能有效測量液化砂土的表觀黏度，而且在測量過程中也無法觀察到砂土顆粒的運動狀態(tài)，原因為
(1)落球黏度計測量時要求流體保持靜止狀態(tài)，而飽和砂土的液化是在動荷載作用下產(chǎn)生的，液化砂土處于運動狀態(tài)，因此傳統(tǒng)的落球黏度計不適用于飽和砂土液化狀態(tài)下的表觀黏度的測量。(2)毛細管黏度計需要采用細長的玻璃管，旋轉黏度計要求流體在狹縫中剪切流動，而砂土是具有一定粒徑的材料，不能在細長玻璃管或狹縫中順利流動，因此液化砂土的表觀黏度不適合用毛細管黏度計和旋轉黏度計測量。(3)已有試驗證明，液化砂土的表觀黏度非常高，超出常規(guī)黏度計的測量范圍。(4)液化砂土發(fā)生流動變形時的速率較低，而常規(guī)黏度計測量時流體運動的速率較大，
不能合理反映液化砂土流動變形時的特點。(5)過去的飽和砂土液化表觀黏度裝置在測量過程中無法觀測到砂顆粒的運動狀態(tài)。(6)由于砂土液化的孔壓在一個測量截面上并不一定相等，因此采用點接觸測量的孔壓值無法反映一個截面上的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述傳統(tǒng)黏度計不適用于測量液化砂土表觀黏度的缺陷，提出了一種測試液化砂土流動特性的試驗裝置和測試方法。本發(fā)明采用的技術方案是
一種測試液化砂土流動特性的試驗裝置，包括振動臺和固定在振動臺上的模型箱，其特征在于模型箱的兩個側面采用可塑性面板制成，在兩塊可塑性面板上對稱的位置，各開挖出一條水平軌道，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端面上各安裝一個小滑輪，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稱的連接兩個動拉力傳感器，動拉力傳感器由鋼絲繩牽引，鋼絲繩通過定滑輪引出模型箱外，再與兩只動位移傳感器相連，然后將兩根引出的鋼絲繩對稱的連接到由正反轉的調(diào)速電機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等高處分別設置動孔壓傳感器。所述的可塑性面板可采用有機玻璃制成，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)生的滑動摩擦力大小可以忽略不計。所述的剛性圓管表面光滑，通常可采用鋼管或有機玻璃實心管。剛性圓管的長度與模型箱寬度一致，確保剛性圓管安裝后，兩端面與兩側的可塑性面板之間的縫隙中無法進入砂土顆粒，在剛性圓管的兩個端面上各安裝一個小滑輪，使得滑輪剛好完全落在軌道中。剛性圓管中間分別對稱的連接兩個動拉力傳感器，動拉力傳感器由鋼絲繩牽引，鋼絲繩通過定滑輪引出模型箱外，定滑輪至少包括兩組對稱布置的滑輪組，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。再與兩只動位移傳感器相連，然后將引出的兩根鋼絲繩對稱的連接到由正反轉的調(diào)速電機控制的一根軸承的兩端，這樣由正反轉的調(diào)速電機驅(qū)動，剛性圓管可以基本無摩擦地在軌道上進行水平往復運動。所述的剛性圓管可選擇一組不同截面直徑的剛性圓管，從而在進行表觀黏度測量
時達到不同的剪切速率。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)，而且在試驗過程中保證密封和結構穩(wěn)定，不至于在試驗過程中有砂土顆粒從插槽縫隙中跑出或者面板在震動過程中失穩(wěn)。所述的軸承由電機帶動，軸承的兩端對稱鏈接由模型箱中引出的兩根鋼絲繩，從而保證在電機帶動軸承轉動之后，兩根鋼絲繩可以帶動鋼管兩端同步運動。所述的振動臺激振方向與軌道方向垂直。本發(fā)明還涉及一種測試液化砂土流動特性的方法，其主要技術步驟在于
(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)然后再將拆下來的面板裝入插槽中，并采用角形構件和螺母對其進行固定；
(3)剛性圓管中間對稱的引出兩根鋼絲繩，每根鋼絲繩各連接一個動拉力傳感器，然后通過定滑輪引出模型箱，再與動位移傳感器相連，最后連接到由正反轉的調(diào)速電機控制的軸承一端；
(4)在模型箱內(nèi)部鋪設砂土，砂土鋪設后使之達到飽和，并使砂土固結，再將模型箱固定在振動臺上，開啟振動臺進行激振，使得模型箱中的飽和砂土達到液化狀態(tài)；
(5)開啟正反轉的調(diào)速電機，電機轉動帶動軸承牽引鋼絲繩運動，使得剛性圓管在軌道上作水平運動，并測量剛性圓管運動過程中的位移和所受到的水平拉力，然后將電機反轉，使剛性圓管向相反的方向運動，測量剛性圓管運動過程中的位移和所受到的水平拉力；
(6)根據(jù)下式，計算反映液化砂土流動特性的表觀黏度
權利要求
1.一種測試液化砂土流動特性的試驗裝置，包括振動臺和固定在振動臺上的模型箱，其特征在于模型箱的兩個側面采用可塑性面板制成，在兩塊面板上對稱的位置，各開挖出一條水平軌道，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端面上各安裝一個小滑輪，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，剛性圓管中間都對稱地引出兩根鋼絲繩，每根鋼絲繩各連接一個動拉力傳感器，然后通過定滑輪引出模型箱，再與動位移傳感器相連，最后連接到由正反轉的調(diào)速電機控制的軸承一端；在模型箱中剛性圓管的中心以及兩側等高處分別設置動孔壓傳感ο
2.根據(jù)權利要求1所述的測試液化砂土流動特性的試驗裝置，其特征在于所述振動臺的激振方向與軌道方向垂直。
3.根據(jù)權利要求1所述的測試液化砂土流動特性的試驗裝置，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)權利要求1所述的測試液化砂土流動特性的試驗裝置，其特征在于所述的剛性圓管長度和模型箱寬度一致，從而保證剛性圓管的兩個端面恰好和兩側的可塑性面板緊貼。
5.根據(jù)權利要求1所述的測試液化砂土流動特性的試驗裝置，其特征在于所述的剛性圓管在運動過程中，保持平動而不發(fā)生滾動。
6.根據(jù)權利要求1所述的測試液化砂土流動特性的試驗裝置，其特征在于所述的剛性圓管采用兩根對稱分布的鋼絲繩引導。
7.根據(jù)權利要求1所述的測試液化砂土流動特性的試驗裝置，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端面上都安裝有與圓管同樣尺寸的小滑輪。
8.根據(jù)權利要求1所述的測試液化砂土流動特性的試驗裝置，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)權利要求1所述的測試液化砂土流動特性的試驗裝置，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件固定，并且在插槽中裝有橡皮止水片。
10.根據(jù)權利要求1所述的測試液化砂土流動特性的試驗裝置，其特征在于所述的軸承由電機帶動，軸承的兩端對稱鏈接由模型箱中引出的兩根鋼絲繩，從而在電機帶動軸承轉動之后，兩根鋼絲繩可以同步帶動剛性圓管在軌道上保持平動。
11.一種基于權利要求1所述的測試液化砂土流動特性的方法，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)然后再將拆下來的面板裝入插槽中，并采用角形構件和螺母對其進行固定；(3)剛性圓管中間對稱的引出兩根鋼絲繩，每根鋼絲繩各連接一個動拉力傳感器，然后通過定滑輪引出模型箱，再與動位移傳感器相連，最后連接到由正反轉的調(diào)速電機控制的軸承一端；(4)在模型箱內(nèi)部鋪設砂土，砂土鋪設后使之達到飽和，并使砂土固結，再將模型箱固定在振動臺上，開啟振動臺進行激振，使得模型箱中的飽和砂土達到液化狀態(tài)；(5)開啟正反轉的調(diào)速電機，電機轉動帶動軸承牽引鋼絲繩運動，使得剛性圓管在軌道上作水平運動，并測量剛性圓管運動過程中的位移和所受到的水平拉力，然后將電機反轉，使剛性圓管向相反的方向運動，測量剛性圓管運動過程中的位移和所受到的水平拉力；(6)根據(jù)下式，計算反映液化砂土流動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為剛性圓管的長度，々為剛性圓管的截面直徑，Z為剛性圓管運動的速度(可由運動位移和時間求平均速度得到)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測試液化砂土流動特性的試驗裝置和測試方法。所述裝置包括振動臺和模型箱，模型箱的兩個側面采用可塑性面板，其對稱的位置，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，連接動拉力傳感器，引出模型箱，再與動位移傳感器相連，最后連接到正反轉的調(diào)速電機。所述測試方法包括通過振動臺使得模型箱中的飽和砂土達到液化狀態(tài)，然后由電機驅(qū)動鋼絲繩，再引導剛性圓管，使其在軌道上作水平運動，測量其運動的速度和所受到的水平拉力，由此計算液化砂土的表觀黏度，以分析液化砂土的流動特性。本發(fā)明具有效率高、邊界效應小等優(yōu)點。
文檔編號G01N11/12GK102564903SQ20111044109
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權日2011年12月26日
發(fā)明者丁選明, 劉漢龍, 周葛, 陳育民, 高星 申請人:河海大學