CN101788444A - 一种液化砂土表观粘度测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液化砂土表观粘度测量装置和方法。所述装置包括振动台和模型箱，在模型箱内设置水平轨道，刚性球放置在轨道上，刚性球两端分别连接动拉力传感器，动拉力传感器由牵引绳牵引，牵引绳通过定滑轮组引出模型箱外与两只动位移传感器相连，再连接到正反转的调速电机上；在模型箱中刚性球等高处设置动孔压传感器。通过振动台使得模型箱中的饱和砂土达到液化状态，电机驱动刚性球在轨道上作水平运动，测量其速度和所受到的阻力，计算液化后砂土的表观粘度。本发明解决了液化砂土表观粘度测量的技术问题，可在同一试验中进行平行试验，具有试验效率高、边界效应小的优点。

Description

一种液化砂土表观粘度测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种粘度测量装置和方法，特别涉及一种液化砂土表观粘度的测量装置和方法。

背景技术

砂土液化特性是土动力学的研究热点。饱和砂土的总应力由有效应力和孔隙水压力两部分组成，一般情况下，由于有效应力的存在，砂土的孔隙水压力小于总应力。然而，在地震、爆炸等动荷载作用下，饱和砂土中的孔隙水压力会不断升高，当孔隙水压力增大到与总应力相等时，砂土中的有效应力等于零，砂土骨架丧失了作用力，砂土颗粒“悬浮”在水中，这时砂土变成像流体一样的物质，丧失抗剪强度和承载能力，这就是饱和砂土的液化现象。在液化砂土的变形分析中，表观粘度是重要的参数，它是表示流体的内摩擦的物理量，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，一般流体的表观粘度测量常采用粘度计，包括旋转粘度计、毛细管粘度计和落球粘度计等。旋转粘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粘度。毛细管粘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粘度计，通过测量流体流过粘度计的时间来反映流体的粘度。落球粘度计的原理是，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粘度。然而，上述粘度测量方法均不能有效测量饱和砂土液化后的表观粘度，原因为：

(1)落球粘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振动荷载作用下产生的，液化砂土处于运动状态，因此传统的落球粘度计不适用于饱和砂土液化状态下的表观粘度测量。

(2)毛细管粘度计需要采用细长的玻璃管，旋转粘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粘度不适合用毛细管粘度计和旋转粘度计测量。

(3)已有试验证明，饱和砂土液化后的表观粘度非常高，超出常规粘度计的测量范围。

(4)饱和砂土液化后发生流动变形时的速率较低，而常规粘度计测量时流体运动的速率较大，不能合理反映饱和砂土液化后流动变形时的特点。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述传统粘度计不适用于测量液化砂土表观粘度的缺陷，提出一种饱和砂土振动液化后表观粘度的测量装置和方法。

本发明采用的技术方案是：

一种液化砂土表观粘度测量装置，包括振动台和固定在振动台上的模型箱，其特征在于：在模型箱内水平设置两根平行的导杆形成轨道，刚性球放置在轨道上，刚性球两端分别由连接动拉力传感器的牵引绳牵引；牵引绳与轨道平行并通过定滑轮组引出模型箱外，分别与动位移传感器相连后，再连接到正反转的调速电机上；所述的装置还包括模型箱中与刚性球同等高度处设置的动孔压传感器。

所述的导杆材质为刚性材料，表面平整光滑。刚性球放置在两根平行的导杆上，刚性球与导杆的光滑表面间形成点接触。通常可选用截面为圆形的钢筋为导杆。所述的导杆可由轨道支架固定在模型箱内，导杆之间的距离可调节。具体实施方式中由固定在模型箱两个侧面上的对称的轨道支架固定，并在轨道支架上设置一组距离不等的孔，将导杆固定在等高的孔中，可用来调整两根平行导杆之间的距离。

所述的刚性球表面光滑，通常可采用钢球。将钢球置于导杆形成的轨道上，钢球两端的中心位置上直接或通过牵引绳分别与两只动位移传感器相连，动位移传感器山牵引绳牵引，牵引绳与轨道平行并通过定滑轮组引出模型箱外，定滑轮组至少包括固定在轨道两端等高处的两只定滑轮，在两只定滑轮间牵引绳与轨道平行，这样由调速电机驱动，钢球可以基本无摩擦地在轨道上进行水平往复运动。所述的刚性球可选择一组不同直径的钢球，从而在进行粘度测量时达到不同的剪切速率。对不同直径的钢球可调整两根平行钢筋之间的距离以保证钢球能够在轨道上稳定运动。

所述的牵引绳通常可采用钢丝绳。牵引绳通过定滑轮组引出模型箱外并与调速电机的输出轴连接。在模型箱外牵引绳上连接动位移传感器。

所述的调速电机采用低速电机，其最大转速为8r/min。

所述的振动台激振方向与轨道方向垂直。

本发明还涉及一种使用上述装置测量液化砂土表观粘度的方法，其主要技术步骤在于：

(1)刚性球放置在轨道支架上，在刚性球两端分别用牵引绳将刚性球与动拉力传感器连接，并将牵引绳穿过定滑轮组引至模型箱外，分别连接动位移传感器后固定在调速电机的出轴上；

(2)在模型箱内部铺设砂土，砂土铺设后使之达到饱和，使砂土固结；

(3)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；

(4)开启调速电机，电机转动带动牵引绳运动，使得刚性球在轨道上作水平运动，并测量刚性球匀速运动过程中的位移和所受到的阻力；

(5)将电机反转，使刚性球向相反的方向运动，测量刚性球匀速运动过程中的位移和所受到的阻力；

(6)根据下式，计算液化后砂土的表观粘度：

$\mathrm{\η}=\frac{F}{6\mathrm{\πav}}---\left(6\right)$

式中，F为刚性球所受的阻力，a为刚性球的直径，v为刚性球匀速运动的速度。

刚性球某一时刻所受的阻力F即为该时刻动拉力传感器的读数，刚性球运动速度v可通过动位移传感器记录的位移时间曲线求得。

本发明的表观粘度测量装置利用了流体力学中落球粘度计的试验原理，相当于一个水平放置的落球粘度计，保证了表观粘度测量的理论基础。本发明装置能够对处于振动液化状态及液化后的饱和砂土进行表观粘度的测量。具体优点和效果在于：

(1)采用了低速电机驱动，可以使钢球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)滑轮系统设计能够让钢球进行双向运动，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状态，避免了现有的常规粘度计不能用于饱和砂土液化后表观粘度测量的不足。

(4)采用钢球作为运动的对象，钢球与周围砂土密切接触，避免了边界效应的影响。

(5)采用距离可调的两根平行钢筋形成轨道，可以使用不同直径的钢球，如10mm、20mm、30mm和40mm的钢球作为运动对象，能够保证不同直径的钢球都能够在轨道上稳定运动，从而比较不同钢球直径对试验结果的影响。

(6)振动台激振方向与钢球运动方向垂直，避免了振动过程中的惯性力对试验结果的影响。

(7)钢球两侧设置的动拉力传感器，直接测量钢球受到的拉力，可以避免钢球运动时钢丝绳与定滑轮之间的摩擦引起的测量误差。

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。

附图说明

图1本发明表观粘度测量装置结构示意图；

图2本发明装置模型箱俯视图；

图3轨道支架俯视图；

图4轨道支架主视图；

图5模型箱内定滑轮组位置示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种饱和砂土液化后表观粘度测量装置，包括振动台13和固定在振动台13上的模型箱5，还包括低速可调电机1、动位移传感器2、定滑轮4、钢球7、钢丝绳8、轨道支架9、动孔压传感器10、动拉力传感器11、轨道12和定滑轮14。振动台13的激振方向与轨道12方向垂直。

轨道12由模型箱内水平设置的两根平行的直径5mm的光滑钢筋形成，可由两个对称的轨道支架9固定。一种固定方式是在钢筋两端车出螺纹，穿过轨道支架9中的圆孔或槽，用螺母进行固定。轨道支架9上可设置一组距离不等的孔，用来固定并调整两根平行钢筋之间的距离。如图3所示，轨道支架9采用5mm厚度钢条弯折成“几”字形状，两脚用来固定轨道支架9；在钢条平面上钻出8个直径为5mm的圆孔和1个半圆孔，使轨道12可以通过圆孔。不同的圆孔的位置如图4所示，半圆孔的圆心与轨道12上的钢球球心的投影始终重叠，钢丝绳8从此穿过；8个圆孔分为4组，每组两个圆孔其圆心高度相同，距离小于(一组不同尺寸的钢球中某一)钢球直径，并与该钢球的投影(图中以虚线表示的一组同心圆)相切，这样能保证不同直径的钢球都能够在轨道上稳定运动。轨道支架9焊接或以其它方式固定在模型箱5的两个侧面。

钢球7放置在轨道12上，钢球7的直径可以用10mm、20mm、30mm和40mm，从而达到不同的剪切速率。钢球7两端自其中心分别由钢丝绳8连接动拉力传感器11，动拉力传感器11再由钢丝绳8牵引。钢丝绳8由定滑轮组引出模型箱5外，如图5所示，钢丝绳8先经过两只定滑轮4引出，两只定滑轮4分别固定在轨道12两端的模型箱5的侧面上，位于轨道支架9上方等高处，且两只定滑轮4间，钢丝绳8与轨道12平行；钢丝绳8再经两只定滑轮14引出模型箱5外，与两只动位移传感器2相连后，再连接到正反转的调速电机1上。调速电机1固定安置在铁架3上。

所述的装置中还包括模型箱5中与钢球7同等高度处设置的动孔压传感器10。

所述的装置还可以在振动台13或模型箱5上添加水平仪。

一种使用上述装置测量液化砂土表观粘度的方法，具体步骤包括：

(1)将钢筋穿过焊接在模型箱5侧壁上的轨道支架9上的圆孔，并用螺母将其两端固定，形成水平轨道12。

(2)将钢球7放置在轨道12的中间位置，将钢丝绳8与钢球7、动拉力传感器11连接，并穿过轨道支架9上方的定滑轮4，再经定滑轮14引出模型箱5。

(3)将动孔压传感器10放置在钢球7同等高度位置。

(4)在模型箱5中制备饱和砂土6，可采用空中砂雨法制备。

(5)待饱和砂土6固结完成(一般需要24h)后，将模型箱5抬至振动台13并用螺栓固定，模型箱5中轨道12方向与振动台13激振方向垂直。

(6)将钢丝绳8与动位移传感器2连接后连接到低速可调电机1的出轴上。

(7)启动振动台13开始激振，在振动过程中观察动孔压传感器10的读数。

(8)当动孔压传感器10的读数达到饱和砂土6的竖直向总应力时，饱和砂土6达到液化状态，启动低速可调电机1开始拉动钢球7运动。

(9)记录钢球7匀速运动时的动位移传感器2和动拉力传感器11的读数。

(10)当钢球7完成一定位移后将低速可调电机1反转，使钢球7向相反的方向运动。

(11)通过改变低速可调电机1的转速获得钢球7的不同运动速度，按式(1)计算不同运动速度下液化砂土的表观粘度：

$\mathrm{\η}=\frac{F}{6\mathrm{\πav}}---\left(1\right)$

式中，F为动拉力传感器11的读数，即钢球7所受的阻力，a为钢球7的直径，v为钢球7匀速运动的速度，可通过动位移传感器2记录的位移时间曲线求得。

本发明的保护范围并不仅仅局限于具体实施方式的描述，比如对于轨道支架或滑轮组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 (10)

1.一种液化砂土表观粘度测量装置，包括振动台和固定在振动台上的模型箱，其特征在于：在模型箱内水平设置两根平行的导杆形成轨道，刚性球放置在轨道上，刚性球两端分别由连接动拉力传感器的牵引绳牵引；牵引绳与轨道平行并通过定滑轮组引出模型箱外，分别与动位移传感器相连后，再连接到正反转的调速电机上；所述的装置还包括模型箱中与刚性球同等高度处设置的动孔压传感器。

2.根据权利要求1所述的表观粘度测试装置，其特征在于：所述振动台激振方向与轨道方向垂直。

3.根据权利要求1或2所述的表观粘度测试装置，其特征在于：所述的导杆表面平整光滑，与刚性球形成点接触。

4.根据权利要求1或2所述的表观粘度测试装置，其特征在于：所述的导杆之间的距离可调节。

5.根据权利要求1或2所述的表观粘度测试装置，其特征在于：所述的导杆由轨道支架固定在模型箱内。

6.根据权利要求5所述的表观粘度测试装置，其特征在于：所述的轨道支架分别固定在模型箱的两个侧面上，轨道支架上设置一组距离不等的孔，导杆固定在等高的孔中。

7.根据权利要求1或2所述的表观粘度测试装置，其特征在于：所述的刚性球包括一组不同直径的钢球。

8.根据权利要求1或2所述的表观粘度测试装置，其特征在于：所述的定滑轮组至少包括分别固定在轨道两端等高处的两只定滑轮。

9.根据权利要求1或2所述的表观粘度测试装置，其特征在于：所述的调速电机最大转速为8r/min。

10.一种使用权利要求1所述装置测量饱和砂土液化后表观粘度的方法，包括以下步骤：

(1)刚性球放置在轨道支架上，在刚性球两端分别用牵引绳将刚性球与动拉力传感器连接，并将牵引绳穿过定滑轮组引至模型箱外，分别连接动位移传感器后固定在调速电机的出轴上；

(2)在模型箱内部铺设砂土，砂土铺设后使之达到饱和，使砂土固结；

(3)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；

(4)开启调速电机，电机转动带动牵引绳运动，使得刚性球在轨道上作水平运动，并测量刚性球匀速运动过程中的位移和所受到的阻力；

(5)将电机反转，使刚性球向相反的方向运动，测量刚性球匀速运动过程中的位移和所受到的阻力；

(6)根据下式，计算液化后砂土的表观粘度：

$\mathrm{\η}=\frac{F}{6\mathrm{\πav}}---\left(1\right)$

式中，F为刚性球所受的阻力，a为刚性球的直径，v为刚性球匀速运动的速度。

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