技術(shù)特征：

1.一種沖擊液化試驗(yàn)設(shè)備，其特征在于，包括沖擊裝置及控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，

沖擊裝置，包括套筒、制樣沖擊筒、底座、制樣環(huán)、鋼架和卷?yè)P(yáng)機(jī)，套筒透明、中空，筒壁有刻度，筒壁底部有螺口，通過(guò)螺栓與底座凸起部相連接；套筒側(cè)壁有兩排對(duì)稱(chēng)預(yù)留孔和排氣槽；制樣沖擊筒單側(cè)開(kāi)口，開(kāi)口處有筒檐，底板通過(guò)螺紋固定鋼管，鋼管上套有配重塊，通過(guò)卡扣固定在鋼管上，在制樣過(guò)程中，套筒底部墊有壓力板，壓力板直徑與套筒內(nèi)徑相同，上表面有拉繩；底座上表面有密封圈，密封圈有中縫，中縫直徑寬度均與套筒相同；在制樣過(guò)程中，制樣環(huán)套接在制樣沖擊筒外部，并處于制樣沖擊筒檐與套筒上檐之間；鋼架主體為鋼管與工字鋼梁，鋼管上套有減震支架，減震支架加持套筒，鋼架通過(guò)膨脹螺絲將鋼管底座固定在地面，工字鋼上有滑輪，在制樣過(guò)程中，通過(guò)千斤頂為制樣沖擊筒施加反力；

控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括控制模塊和監(jiān)測(cè)模塊，其中控制模塊連接沖擊試驗(yàn)裝置的制樣沖擊筒，其包括計(jì)算機(jī)和觸發(fā)電路，通過(guò)計(jì)算機(jī)將信號(hào)傳輸至觸發(fā)電路，通過(guò)觸發(fā)電路控制卷?yè)P(yáng)機(jī)從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整制樣沖擊筒的沖擊落距與制樣沖擊筒的啟動(dòng)；監(jiān)測(cè)模塊，包括數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊和影像監(jiān)測(cè)模塊，其中數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊包括總壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器，總壓力傳感器與孔隙水壓力傳感器分別連接數(shù)據(jù)采集器，通過(guò)A/D板連接計(jì)算機(jī)，將采集到的信息轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后傳送回計(jì)算機(jī)；影像監(jiān)測(cè)模塊包括與計(jì)算機(jī)連接的高速攝像機(jī)，高速攝像機(jī)監(jiān)測(cè)沖擊試驗(yàn)過(guò)程。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖擊液化試驗(yàn)設(shè)備，其特征在于，所述套筒預(yù)留孔的孔徑與傳感器、水箱排水管及刻度玻璃管直徑相同，在制樣過(guò)程中使用橡膠塞封口，在飽和試驗(yàn)過(guò)程中最底部?jī)商帉?duì)稱(chēng)預(yù)留孔分別連接水箱和刻度玻璃管，在沖擊試驗(yàn)過(guò)程中插入傳感器。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖擊液化試驗(yàn)設(shè)備，其特征在于，所述制樣沖擊筒材質(zhì)為不銹鋼，設(shè)有筒檐，筒檐外徑與套筒外徑相同，制樣沖擊筒主體高度與壓力板厚度之和等于套筒套入底座凸起后內(nèi)部高度，在沖擊試驗(yàn)中使用單筒，在制樣過(guò)程中在筒頂蓋上筒帽，在筒底墊有壓力板，并配合制樣環(huán)與千斤頂共同使用。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖擊液化試驗(yàn)設(shè)備，其特征在于，多個(gè)所述制樣環(huán)組合，配合千斤頂量程使用，制樣環(huán)寬度由試樣單次固結(jié)厚度決定，設(shè)計(jì)寬度不大于5cm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖擊液化試驗(yàn)設(shè)備，其特征在于，所述總壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器交叉安裝在套筒的高、中、低預(yù)留孔位置，各類(lèi)傳感器數(shù)量不少于5個(gè)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖擊液化試驗(yàn)設(shè)備，其特征在于，所述控制模塊包括卷?yè)P(yáng)機(jī)、觸發(fā)電路和計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)將信號(hào)傳輸至觸發(fā)電路，通過(guò)觸發(fā)電路控制卷?yè)P(yáng)機(jī)的啟動(dòng)、升降、停止從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整制樣沖擊筒的落距與沖擊套筒的啟動(dòng)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖擊液化試驗(yàn)設(shè)備，其特征在于，所述控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還包括人機(jī)界面，用于控制卷?yè)P(yáng)機(jī)的啟動(dòng)、升降、停止，用于實(shí)施監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)和試驗(yàn)影像。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖擊液化試驗(yàn)設(shè)備，其特征在于，所述孔隙壓力傳感器探頭外部加裝有網(wǎng)眼銅帽。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖擊液化試驗(yàn)設(shè)備，其特征在于，所述壓力板與套筒內(nèi)徑相同，材質(zhì)為不銹鋼，壓力板上表面設(shè)有兩條凹槽，凹槽中固定有帆布拉繩。

10.一種沖擊液化試驗(yàn)方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)使用環(huán)刀在野外取樣點(diǎn)制取砂土試樣，根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程測(cè)得砂土干密度并測(cè)量砂土層厚度，對(duì)不同類(lèi)型的砂土進(jìn)行篩分處理，烘干保存，以取樣點(diǎn)砂土試樣干密度及土層厚度為計(jì)算依據(jù)，根據(jù)套筒內(nèi)徑和制樣環(huán)寬度計(jì)算得到單層壓制厚度下的砂土體積，并依據(jù)取樣點(diǎn)砂土干密度計(jì)算出單層壓制所需要的干砂質(zhì)量，該公式為：

m_n＝ρ_dv_n＝ρ_dπr²h_n

式中，m_n為制樣時(shí)第n層壓制所需干砂質(zhì)量，ρ_d為天然砂土的干密度，v_n為第n層試樣壓制體積，π為圓周率，r為套筒內(nèi)半徑，h_n為第n層壓制試樣控制厚度，即制樣環(huán)寬度；

(2)在套筒內(nèi)均勻撒入單層壓制所需質(zhì)量的干砂，用刷子將砂面刷平，抓住帆布拉繩將壓力板放入套筒，將制樣環(huán)連接在套筒上部，套在制樣沖擊筒外部，放入制樣沖擊筒，蓋上筒帽，再將千斤頂固定在鋼梁和筒帽之間并逐漸增加反力使得制樣沖擊筒不斷貫入，當(dāng)制樣沖擊筒筒檐與制樣環(huán)緊密貼合時(shí)，保持千斤頂壓力不變，靜置不少于30min使砂土試樣固結(jié)，每完成一層制樣即對(duì)上表面做刨毛處理以使砂土層之間更好接觸，重復(fù)上述步驟直至砂土試樣厚度滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求；

(3)卸掉套筒側(cè)壁最下面兩個(gè)對(duì)稱(chēng)位置預(yù)留孔的橡膠塞，分別連接水箱接管及玻璃管，將水箱溢水孔高度調(diào)節(jié)與砂土試樣高度一致，使水箱、砂土試樣、玻璃管形成連通器，通過(guò)水源補(bǔ)給緩慢注水，直至玻璃管中水頭高度與砂土試樣高度相同為止，維持水頭平衡狀態(tài)不少于30min使試樣充分飽和，飽和過(guò)程中不卸制樣沖擊筒和千斤頂，確保砂土試樣在飽和過(guò)程中既不受力也不發(fā)生變形；

(4)待飽和結(jié)束后，迅速拔去水箱接管及玻璃管，在套筒兩側(cè)預(yù)留孔中交叉插入總壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器，傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)線依次連接數(shù)據(jù)采集器、A/D板和計(jì)算機(jī)，依次緩慢卸下千斤頂、筒帽、制樣沖擊筒、壓力板，并通過(guò)人機(jī)界面對(duì)傳感數(shù)據(jù)清零；

(5)在制樣沖擊筒中放入不同數(shù)量的配重塊調(diào)整制樣沖擊筒質(zhì)量，通過(guò)人機(jī)界面控制落距，并通過(guò)高速攝像機(jī)監(jiān)測(cè)制樣沖擊筒貫入深度，通過(guò)人機(jī)界面啟動(dòng)制樣沖擊筒自由下落沖擊砂土試樣，待制樣沖擊筒穩(wěn)定后即完成了一次沖擊試驗(yàn)，按照正交試驗(yàn)方法完成多組沖擊試驗(yàn)，記錄荷載質(zhì)量、落距和貫入深度等參數(shù)，建立能量守恒公式，推導(dǎo)得出套筒沖擊力與荷載質(zhì)量、落距、貫入深度的關(guān)系，并根據(jù)制樣沖擊筒面積計(jì)算得出沖擊壓力，相關(guān)公式如下：

$mgh+{\mathrm{mg\δ}}_0={\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_0}{k}_g\mathrm{\δ}d\mathrm{\δ}$

推導(dǎo)可得：

$k_g=\frac{2(mgh+{\mathrm{mg\δ}}_0)}{{\mathrm{\δ}}_0^2}$

帶入壓強(qiáng)公式：

${\mathrm{\σ}}_d=\frac{k_g{\mathrm{\δ}}_0}{A}=\frac{2(mgh+{\mathrm{mg\δ}}_0)}{{\mathrm{\δ}}_{0}A}$

式中，σ_d為沖擊壓力，A為制樣沖擊筒底面積，m為制樣沖擊筒質(zhì)量，g重力加速度取9.8kg/N，h為落距，δ₀為貫入深度，k_g為沖擊力常數(shù)；

(6)通過(guò)人機(jī)界面讀取各埋深位置傳感器探頭數(shù)據(jù)，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理分析，根據(jù)各傳感器總壓力峰值或孔隙水壓力峰值與不同量級(jí)沖擊壓力理論值之比計(jì)算折減系數(shù)，擬合得到折減系數(shù)與土體埋深即探頭位置相對(duì)于砂土試樣表面的距離的關(guān)系式，合并得到總壓力或孔隙水壓力與沖擊壓力理論值隨深度變化的關(guān)系，并根據(jù)擬合曲線在x軸上的截距確定沖擊壓力影響范圍，相關(guān)公式如下：

u_n＝η_nσ_d

η_n＝cD+d

σ_n＝(aD+b)σ_d，u_n＝(cD+d)σ_d

式中，n為自上而下第n個(gè)預(yù)留孔編號(hào)，反映傳感器埋深，σ_n為自上而下第n個(gè)預(yù)留孔位置總壓力傳感器壓力值，u_n為自上而下第n個(gè)預(yù)留孔位置孔隙水壓力傳感器壓力值，η_n分別為自上而下第n個(gè)預(yù)留孔位置總壓力、孔隙水壓的折減系數(shù)，D為傳感器埋深，a、b、c、d分別為擬合參量；

(7)對(duì)不同量級(jí)沖擊壓力作用下各埋深位置傳感器的總壓力峰值和孔隙水壓力峰值數(shù)值進(jìn)行比較，按照有效應(yīng)力原理，分析沖擊作用下液化層厚度和臨界沖擊壓力即造成該層厚度砂土完全液化的最小沖擊壓力，相關(guān)公式為：

σ′_n＝σ_n-u_n

式中，σ′_n第n個(gè)預(yù)留孔位置的有效應(yīng)力，當(dāng)?shù)扔?時(shí)即發(fā)生液化；

對(duì)不同量級(jí)沖擊壓力作用下的有效應(yīng)力與傳感器埋深進(jìn)行擬合，可得到公式：

σ′＝a+be^-D/c

式中，e為自然常數(shù)，a、b、c分別為擬合參量；

按照上式，對(duì)某一量級(jí)沖擊壓力下的有效應(yīng)力隨深度變化曲線進(jìn)行分析，當(dāng)a>0時(shí)，說(shuō)明在這一級(jí)沖擊壓力作用下不足以產(chǎn)生任何厚度的砂土層液化；當(dāng)a＝0、b≠0時(shí)，根據(jù)關(guān)系曲線拐點(diǎn)判別沖擊液化砂土層厚度，如果曲線拐點(diǎn)不明顯，需進(jìn)一步根據(jù)自上而下有效應(yīng)力為0的傳感器位置埋深確定沖擊液化砂土層厚度；當(dāng)a＝0、b＝0時(shí)，曲線與x軸重合，說(shuō)明在這一級(jí)沖擊壓力作用下該厚度砂土層發(fā)生完全液化，對(duì)比造成砂土層完全液化的各量級(jí)沖擊壓力，確定臨界沖擊壓力。