CN102735594A

CN102735594A - 一种模拟液化后颗粒运动特性的试验装置和方法

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Publication number: CN102735594A
Application number: CN2012101914769A
Authority: CN
Inventors: 周葛; 陈育民; 刘汉龙; 丁选明
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-06-12
Also published as: CN102735594B

Abstract

本发明公开了一种模拟液化后颗粒运动特性的试验装置和方法。所述装置包括：模型箱、模型箱密封盖、工作台和PIV光学测试平台，模型箱采用透明有机玻璃材料制成，侧面设有注水孔，密封盖上设有抽真空孔，内部布置两根轨道，外部连接定滑轮组和正反转电动机。所述测试方法包括：通过在特定密度氯化钠溶液中悬浮的塑料砂来模拟液化后的砂土，然后由电动机牵引钢丝绳，带动实心圆柱体在轨道上作水平运动，采用PIV光学测试平台测量其运动过程中圆柱体周围塑料砂颗粒的运动状态，并利用拉力传感器测量圆柱体运动过程中所受的水平拉力。本发明具有精确度高、操作简单、模拟液化后状态稳定等优点。

Description

一种模拟液化后颗粒运动特性的试验装置和方法

技术领域

本发明属于岩土地震工程技术领域，特别涉及一种模拟液化后颗粒运动特性的试验装置和方法。

背景技术

地震是人类面临的主要自认灾害之一，饱和砂土在地震作用下会发生液化，从而引起岩土构筑物的破坏，据统计，各种岩土工程震害几乎都是由砂性土液化或粘性土弱化所致。近年来，世界范围内地震活动频繁，特别是在2008年中国“5.12”汶川大地震、2011年日本“3.11”大地震中，均存在因砂土液化引起的震害。

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的液化现象。

部分学者把不排水循环剪切试验中有效应力第一次为0的状态称为“初始液化”，从而将液化过程分为“液化前（初始液化前）”和“液化后（初始液化后）”两个阶段。过去关于饱和砂土液化问题的绝大多数研究都集中在“初始液化”的产生条件、影响因素、评判准则以及液化前的应力应变响应，对于液化后的应力应变响应的研究则相对较少，特别是对饱和砂土液化后大变形产生机理的深入研究则更少，迄今为止提出的绝大多数砂土的循环本构模型均不能够模拟液化后的应力应变响应。有些学者提出了饱和砂土液化后大变形的一种机理解释，并据此建立了描述饱和砂土液化后不排水单调剪切大变形的本构模型，发展了一套相对比较完整的可统一预测液化后地面侧向变形和竖向沉降的实用方法。

随着液化研究的深入，人们关注土体液化领域的热点也在由液化前的预报和强度计算向液化后土体大变形的问题转移。液化后土体大变形研究方法是基于性态抗震设计的思想，以位移为准则来衡量土工构筑物的抗震性能，这种方法考虑的是构筑物在地基液化中发生的位移量，依此来进行抗震设计。因此研究砂土液化后大变形问题的重点就是研究颗粒运动的特性。

本发明之前，饱和砂土液化后的状态一般都是通过振动台提供的动力荷载，使得饱和砂土液化来实现的，这样的液化后状态既短暂又不稳定，对于室内试验研究造成了诸多障碍，而且受制于动态测量技术的局限性，试验过程中得到的变形数据以及颗粒运动特性的误差都比较大，具体缺点表现为：

（1）通过振动台提供的动力荷载来模拟地震荷载，受制于振动台发展技术落后等因素，不能够准确地模拟出地震荷载，此外该试验过程所需要的费用昂贵，试验重复率和容错较低。

（2）利用振动台提供的动荷载使得饱和砂土达到液化状态后，一旦撤去动荷载后，由于砂土的渗透系数较大，超静孔隙水应力将会很快消散，有效应力得到恢复，因此这种试验模拟出的液化后状态持续时间很短，不利于长时间的试验研究。

（3）受制于动态测量装置技术的局限性和昂贵的价格，如果采用静态测量装置，当振动台处于激震状态时，安装在饱和砂土中测量装置的精度将受到严重影响。

（4）过去通过振动台模拟出饱和砂土的液化后状态很难清晰地观察到砂颗粒的运动状态。

（5）利用位移传感器等非可视化装置测量砂颗粒的运动状态，不能直接看到颗粒内部的实际运动状态，精度低，且受到动荷载的影响大。

（6）利用振动台试验模拟的饱和砂土液化后状态难以捕捉到高孔压比状态。

发明内容

本发明的目的在于克服上述传统模拟液化后状态的实验装置费用高、稳定性差、时间短、精度低等缺陷。提出了一种新型的模拟液化后颗粒运动特性的试验装置。

本发明采用的技术方案是：

一种模拟液化后颗粒运动特性的试验装置，包括模型箱、模型箱密封盖、工作台和PIV光学测试平台，其特征在于：模型箱采用透明的有机玻璃面板制成，模型箱密封盖周围包有密封圈，在模型箱密封盖中间开有一个圆孔，孔径大小为刚好可以塞入抽真空管，圆孔的盖子采用密封设计；模型箱底部的一个侧面上设有注水孔，孔径大小为刚好可以塞入进水管，注水孔的盖子也采用密封设计；模型箱四周的有机玻璃面板与基座之间每隔一定距离设置一块连接块，模型箱基座上开有螺纹孔，试验过程中通过螺栓固定在工作台。

所述模型箱内设置两根水平轨道，轨道采用刚性材料制成，轨道上水平放置一根实心圆柱体，圆柱体采用刚性材料制成，长度大于两根轨道之间的距离，半径可以采用不同的尺寸，便于比较在不同尺寸下，塑料砂颗粒绕管流动特性的区别。圆柱体两侧均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，然后通过模型箱侧面套有密封圈的小孔引出模型箱，动拉力传感器的导线也通过模型箱侧面套有密封圈的小孔引出。然后钢丝绳通过定滑轮组连接到由正反转的调速电机控制的轴承两端。轴承的两端对称连接由模型箱中引出的两根钢丝绳，从而在电机带动轴承转动之后，两根钢丝绳可以同步带动实心圆柱体在轨道上运动。

所述模型箱底部的注水孔上方设置一块透水板，透水板可以采用在刚性面板上打孔的方法制成，要求孔径大小可以顺利通过溶液但又不会造成塑料砂颗粒从中滑落堵塞透水孔，透水板上铺一层透水材料，透水材料尽可能覆盖住全部的透水板，目的在于阻止塑料砂颗粒通过透水板上的小孔掉落下去，然后在透水材料上装入级配近似标准砂的塑料砂。

所述实心圆柱体采用两根对称分布的钢丝绳引导，从而保证圆柱体在运动过程中可以一直都垂直于两侧轨道的方向而不发生倾斜。圆柱体与钢丝绳之间拉紧，在轨道上保持平动，不发生转动。

所述PIV光学测试平台由CCD数字相机和激光成像器两部分组成，CCD数字相机固定在模型箱与实心圆柱体相垂直的侧面的一侧，并与计算机图像采集与分析系统相连接；激光成像器中的光源安放在模型箱与实心圆柱体相平行的侧面的一侧，并架设在一条轨道上，光源发出的单束激光通过透镜组形成垂直的平面状光束，该平面光束可以将塑料砂土层切片，通过轨道移动激光成像器可以得到不同的土层切片位置。

本发明还涉及模拟液化后颗粒运动特性的试验方法，其主要技术步骤在于：

（1）取下模型箱密封盖，将透水材料铺在透水面板上，使得透水材料完全覆盖住整个透水面板，将配置好的塑料砂装入模型箱，通过装样高度来控制塑料砂的相对密度，当高度达到接近两根轨道时暂时停止装样。

（2）将实心圆柱体安放在轨道一侧，两侧分别连接好钢丝绳后，将钢丝绳通过模型箱密封圈上的小孔引出模型箱，再通过定滑轮组连接到由正反转的调速电机控制的轴承两端，并拉紧钢丝绳。

（3）在钢丝绳上装好拉力传感器。

（4）继续加入塑料砂，直至达到指定密实度对应的高度，结束装样。

（5）盖上模型箱密封盖，取下模型箱密封盖上抽真空孔的盖子，装入真空泵的抽真空管对模型箱内进行抽真空，当抽真空操作结束后，盖上抽真空孔的盖子。

（6）打开模型箱侧面的注水孔，将调整好密度的无气氯化钠溶液注缓缓注入模型箱中，在注入的过程中注意尽量减少水面扰动，并保持水面的水平上升，直至水面刚好完全没过塑料砂，停止注水，关闭注水孔，让模型箱中的塑料砂进行饱和，一段时间后，当液面低于塑料砂后再继续注水到刚好淹没位置，停止注水，继续饱和，重复以上操作直至液面稳定，此时的塑料砂将基本处于饱和悬浮状态，即模拟的液化后状态。

（7）安装好PIV光学平台，打开激光成像器，切割出一个土层和实心圆柱体的剖面，打开调速电机和CCD数字相机，实心圆柱体在钢丝绳的牵引下开始运动，CCD数字相机通过高速拍摄采集激光切面上塑料砂颗粒的运动状态以及圆柱体周围塑料砂土层的变形情况，拉力传感器测量圆柱体运动过程中所受的拉力。

（8）试验过程中，通过移动激光成像器的位置可以测量不同位置塑料砂土层的变形和颗粒运动状态。

（9）采用互相关方法进行PIV图像分析，从而获得变形参数和颗粒运动状态。设两帧图像之间的标准相关函数为C,可由下式给出:

式（2）为式（1）的离散形式，式中:A是Interrogation块。I0和I1分别是两帧图像的灰度集度。N是Interrogation块窗口的像素尺寸。将第二帧图像中Interrogation 块沿图像坐标平移Δx和Δy,计算相应的相关系数,进而构成空间相关平面。若两帧图像之间有位移,那么就可以用相关面中相关系数的峰值坐标表示图像位移的方向和大小。计算每一个Interrogation块的位移可构成整个图像的位移场，进而获得变形参数和颗粒运动状态。

本发明的具体优点和效果在于：

（1）采用调速电机驱动，可以使实心圆柱体在水平轨道上缓慢运动，使液化后的塑料砂颗粒产生缓慢剪切，从而接近饱和砂土液化流动时的运动特征。

（2）滑轮系统的设计能够让实心圆柱体进行双向运动，从而进行平行试验，大大提高试验效率。

（3）采用了塑料砂悬浮状态模拟液化后的状态，避免了振动台激振方式提供动力荷载造成的时间短暂、状态不稳定、价格昂贵、操作复杂、可重复率低下等问题。

（4）采用实心圆柱体作为运动的对象，圆柱体与周围塑料密切接触可以模拟出绕柱体流动的状态，使得接触更充分，避免了边界效应和局部效应的影响。

（5）采用入水口在透水板底部加入溶液的方式相较于直接加入溶液，水面可以保持水平缓慢上升，这样可以减少水利劈裂、水面波动等因素对塑料砂悬浮状态的影响。

（6）抽真空的过程可以尽可能排除塑料砂颗粒内部以及颗粒之间空隙中的空气，从而保证塑料砂颗粒的密度处在一个较小的范围内，这样便于配置出使得塑料砂悬浮的氯化钠溶液，并且在后期通入无气溶液后可以使得塑料砂充分饱和。

（7）采用一根轴承来带动两根钢丝绳运动，可以保证实心圆柱体在钢丝绳牵引下，运动的同步性。

（8）对称的采用两根钢丝绳来牵引钢管运动，可以使得实心圆柱体在运动过程中保持平动而不发生偏移。

（9）实心圆柱体两侧设置的动拉力传感器，直接测量钢管受到的拉力，可以避免实心圆柱体运动时钢丝绳与定滑轮之间的摩擦引起的测量误差。

（10）采用PIV光学平台代替传统的位移传感器来测量砂颗粒的运动状态，可以大大提高测量精度，而且受动荷载的影响很小。

（11）采用塑料砂悬浮状态模拟液化后的状态可以方便的控制饱和砂土液化后的孔压，能够捕捉到高孔压比状态。

附图说明

图1 本发明的正视图

图2 本发明的俯视图

图3 本发明的侧视图

图4 PIV光学平台工作原理示意图

图中：1、模型箱，2、工作台，3、螺栓，4、基座，5、连接块，6、正反转电动机，7、转轴，8、定滑轮，9、注水孔，10、透水板，11、透水材料，12、钢丝绳，13、实心圆柱体，14、轨道，15、拉力传感器，16、塑料砂，17、模型箱密封盖，18、抽真空孔，19、土层切片，20、CCD数字相机，21、装有塑料砂的模型箱，22、透镜组，23、轨道，24、激光成像器。

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和图3所示，一种模拟液化后颗粒运动特性的试验装置，包括模型箱（1）工作台（2）螺栓（3）基座（4）连接块（5）正反转电动机（6）转轴（7）定滑轮（8）注水孔（9）透水板（10）透水材料（11）钢丝绳（12）实心圆柱体（13）轨道（14）拉力传感器（15）塑料砂（16）模型箱密封盖（17）抽真空孔（18）和PIV光学测试平台。

模型箱（1）采用透明的有机玻璃面板制成，模型箱密封盖（17）周围包有密封圈，在模型箱密封盖（17）中间开有一个抽真空孔（18），模型箱（1）底部的一个侧面上设有注水孔（9），注水孔（9）的盖子也采用密封设计，模型箱（1）四周的有机玻璃面板与基座（4）之间每隔一定距离设置一块连接块（5），模型箱（1）基座（4）上开有螺纹孔，试验过程中通过螺栓（3）固定在工作台（2）。模型箱（1）内设置两根水平轨道（14），轨道（14）上水平放置实心圆柱体（13），圆柱体两侧均对称的引出两根钢丝绳（12），每根钢丝绳（12）各连接一个动拉力传感器（15），然后通过模型箱（1）侧面套有密封圈的小孔引出模型箱（1），再通过定滑轮（8）组连接到由正反转的调速电机（6）控制的轴承（7）两端。模型箱（1）底部的注水孔（9）上方设置一块透水板（10），透水板（10）上铺一层透水材料（11），在透水材料（11）上装入级配近似标准砂的塑料砂（16）。

如图4所示，PIV光学测试平台包括CCD数字相机（20）和激光成像器（24）两部分组成，CCD数字相机（20）固定在模型箱（1）与实心圆柱体（13）相垂直的侧面的一侧，并与计算机图像采集与分析系统相连接；激光成像器（24）中的光源安放在模型箱（1）与实心圆柱体（13）相平行的侧面的一侧，并架设在一条轨道（23）上，光源发出的单束激光通过透镜组（22）形成垂直的平面状光束，该平面光束可以将塑料砂（16）土层切片（19），通过轨道移动激光成像器（24）可以得到不同的土层切片（19）位置。

一种模拟液化后颗粒运动特性的试验方法，其主要技术步骤在于：

（1）取下模型箱密封盖（17），将透水材料（11）铺在透水板（10）上，使得透水材料（11）完全覆盖住整个透水板（10），将配置好的塑料砂（16）装入模型箱（1），通过装样高度来控制塑料砂（16）的相对密度，当高度达到接近两根轨道（14）时暂时停止装样。

（2）将实心圆柱体（13）安放在轨道（14）一侧，两侧分别连接好钢丝绳（12）后，将钢丝绳（12）通过模型箱（1）密封圈上的小孔引出模型箱（1），再通过定滑轮（8）组连接到由正反转的调速电机（6）控制的轴承（7）两端，并拉紧钢丝绳（12）。

（3）在钢丝绳（12）上装好拉力传感器（15）。

（4）继续加入塑料砂（16），直至达到指定密实度对应的高度，结束装样。

（5）盖上模型箱密封盖（17），取下模型箱密封盖（17）上抽真空孔（18）的盖子，装入真空泵的抽真空管对模型箱（1）内进行抽真空，当抽真空操作结束后，盖上抽真空孔（18）的盖子。

（6）打开模型箱（1）侧面的注水孔（9），将调整好密度的无气氯化钠溶液注缓缓注入模型箱（1）中，在注入的过程中注意尽量减少水面扰动，并保持水面的水平上升，直至水面刚好完全没过塑料砂（16），停止注水，关闭注水孔，让模型箱（1）中的塑料砂（16）进行饱和，一段时间后，当液面低于塑料砂（16）后再继续注水到刚好淹没位置，停止注水，继续饱和，重复以上操作直至液面稳定，此时的塑料砂（16）将基本处于饱和悬浮状态，即模拟的液化后状态。

（7）安装好PIV光学平台，打开激光成像器（24），切割出一个土层和实心圆柱体的剖面即土层切面（19），打开正反转调速电机（6）和CCD数字相机（20），实心圆柱体（13）在钢丝绳（12）的牵引下开始运动，CCD数字相机（20）通过高速拍摄采集土层切面（19）上塑料砂（16）颗粒的运动状态以及实心圆柱体（13）周围塑料砂（16）土层的变形情况，拉力传感器（15）测量圆柱体运动过程中所受的拉力。

（8）试验过程中，通过轨道（23）移动激光成像器（24）的位置可以测量不同位置塑料砂（16）土层的变形和颗粒运动状态。

Claims

1. 一种模拟液化后颗粒运动特性的试验装置，包括模型箱、模型箱密封盖、工作台和PIV光学测试平台、氯化钠溶液、塑料砂、实心圆柱体，其特征在于：模型箱采用透明的有机玻璃面板制成，模型箱密封盖周围包有密封圈，在模型箱密封盖中间开有一个圆孔，孔径大小与真空管外径相等，在圆孔盖子周围套上防水橡皮圈进行密封；模型箱底部的一个侧面上设有注水孔，孔径大小与进水管外径相等，在注水孔的盖子周围套上防水橡皮圈进行密封；模型箱四周的有机玻璃面板与基座之间每隔一定距离设置一块连接块，模型箱基座上开有螺纹孔，试验过程中通过螺栓固定在工作台上；模型箱内设置两根水平轨道，轨道上水平放置实心圆柱体；采用的塑料砂为一种低密度材料，密度为1.14g/cm³，氯化钠溶液浓度按照塑料砂的密度来配置；外接电动机上连接一根轴承；PIV光学测试平台由CCD数字相机和激光成像器两部分组成。

2. 根据权利要求1所述的模拟液化后颗粒运动特性的试验装置，其特征在于：模型箱内的实心圆柱体两侧，均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，然后通过模型箱侧面套有密封圈的小孔引出模型箱，再通过定滑轮组连接到由正反转的调速电机控制的轴承两端。

3. 根据权利要求1所述的模拟液化后颗粒运动特性的试验装置，其特征在于：模型箱底部的注水孔上方设置一块透水板，透水板上铺一层透水材料，在透水材料上装入级配近似标准砂的塑料砂。

4. 根据权利要求1所述的模拟液化后颗粒运动特性的试验装置，其特征在于：实心圆柱体采用两根对称分布的钢丝绳引导。

5. 根据权利要求1所述的模拟液化后颗粒运动特性的试验装置，其特征在于：CCD数字相机固定在模型箱与实心圆柱体相垂直的侧面的一侧，并与计算机图像采集与分析系统相连接；激光成像器中的光源安放在模型箱与实心圆柱体相平行的侧面的一侧，并架设在一条轨道上，光源发出的单束激光通过透镜组形成垂直的平面状光束，该平面光束可以将塑料砂土层切片，通过轨道移动激光成像器可以得到不同的土层切片位置。

6. 根据权利要求1所述的模拟液化后颗粒运动特性的试验装置，其特征在于：轴承的两端对称链接由模型箱中引出的两根钢丝绳，从而在电机带动轴承转动之后，两根钢丝绳可以同步带动实心圆柱体在轨道上运动。

7. 一种基于权利要求1所述的模拟液化后颗粒运动特性的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

（1）取下模型箱密封盖，将透水材料铺在透水面板上，使得透水材料完全覆盖住整个透水面板，将配置好的塑料砂装入模型箱，当高度接近两根轨道时暂时停止装样；

（2）将实心圆柱体安放在轨道一侧，两侧分别连接钢丝绳后，将钢丝绳通过模型箱密封圈上的小孔引出模型箱，再通过定滑轮组连接到由正反转的调速电机控制的轴承两端，并拉紧钢丝绳；在钢丝绳上装好拉力传感器；

其特征是还包括以下步骤：

（3）继续加入塑料砂，直至完全没过实心圆柱体，结束装样；

（4）盖上模型箱密封盖，利用真空泵通过抽真空管对模型箱内进行抽真空；

（5）打开模型箱侧面的注水孔，将调整好密度的无气氯化钠溶液缓缓注入模型箱中，直至水面完全没过塑料砂，停止注水，让模型箱中的塑料砂静置饱和，一段时间后，当液面低于塑料砂后，再继续注水到淹没塑料砂，继续静置饱和，重复以上操作直至液面稳定，即认为此时的塑料砂基本处于饱和悬浮状态，即模拟的砂土液化后状态；

（6）安装好PIV光学平台，打开激光成像器，切割出一个土层和实心圆柱体的剖面，打开调速电机和CCD数字相机，实心圆柱体在钢丝绳的牵引下开始运动，CCD数字相机通过高速拍摄采集激光切面上塑料砂颗粒的运动状态以及圆柱体周围塑料砂土层的变形情况，拉力传感器测量圆柱体运动过程中所受的拉力；通过移动激光成像器的位置测量不同位置塑料砂土层的变形和颗粒运动状态；

（7）采用互相关方法进行PIV图像分析，从而获得变形参数和颗粒运动状态；两帧图像之间的标准相关函数为C,按下式计算:

Figure 2012101914769100001DEST_PATH_IMAGE001

式（2）为式（1）的离散形式，式中:A是Interrogation块,

I0和I1分别是两帧图像的灰度集度,

N是Interrogation块窗口的像素尺寸；将第二帧图像中Interrogation 块沿图像坐标平移Δx和Δy,计算相应的相关系数,进而构成空间相关平面；若两帧图像之间有位移,那么就可以用相关面中相关系数的峰值坐标表示图像位移的方向和大小；计算每一个Interrogation块的位移可构成整个图像的位移场，进而获得变形参数和颗粒运动状态。