CN103293082A - 一种测量不同液化度下砂土运动状态的试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种测量不同液化度下砂土运动状态的试验装置和方法。所述装置包括：模型箱、工作台、支架、调速电动机和PIV平台，模型箱内设有定滑轮组和钢丝绳，PIV平台安装在模型箱上贴有透明刻度网格纸的面板外一侧，PIV平台由CCD数字相机和相机支架两部分组成。所述装置的使用方法，包括：采用不同级配的塑料砂加以特定密度的氯化钠溶液来模拟不同液化度下的液化砂土，由调速电动机牵引碳素线，通过定滑轮组带动半球体滑块沿着水平方向运动，在竖向运动段安装一个拉力传感器，利用PIV平台以及拉力传感器测量半球体滑块运动过程中周围塑料砂颗粒的运动状态。本发明具有可以根据实际需要模拟不同孔压比状态下的液化砂土、测量精度高、操作简易等优点。

Description

一种测量不同液化度下砂土运动状态的试验装置和方法

技术领域

本发明属于岩土地震工程技术领域，特别涉及一种测量不同液化度下砂土运动状态的试验装置和方法。

背景技术

地震是人类面临的主要自然灾害之一，近20年来，世界范围内地震活动频繁，特别是在2004年印度洋地震海啸、2008年中国“5.12”汶川大地震和2011年日本“3.11”大地震中，均存在着大量因砂土液化而引起的震害，具体表现为许多建筑物因地基中饱和砂土层液化导致抵抗变形的能力显著降低，造成地基和土层附加沉降、结构和基础的倾覆、倾斜、开裂、滑动等，导致各类基础设施和建筑不能正常运行，功能部分甚至完全丧失，危害极大。

液化是指物质由固体状态转变为液体状态的行为和过程。根据有效应力原理可知，饱和砂土中的总应力主要由有效应力和孔隙水压力两部分构成。在地震发生之前，饱和砂土中的孔隙水压力比较小，地基荷载主要由有效应力承担。当地震发生时，由于地震波产生的动荷载使得饱和砂土中的孔隙水压力迅速上升，为保持地基所承受的总应力大小不变，有效应力就会不断减小甚至为零，当有效应力为零时，饱和砂土的总应力完全由孔隙水压力承担，土骨架将不再承受任何应力，此时土颗粒处于悬浮状态，这种现象称为饱和砂土的完全液化。

本发明之前，传统模拟饱和砂土液化试验，先采用水沉法制饱和砂，在模型箱里注入一定量的蒸馏水，经过砂筛均匀的往箱内撒砂，保持砂筛在水面上10cm左右，在预先定好的位置上埋设相应传感器，静置一段时间使之饱和。将装有饱和砂土的模型箱移至大型振动台上，实验室通过振动台提供的动力荷载使饱和砂土达到液化状态，试验中利用位移传感器和拉力传感器采集数据。

但这种方法得到的液化状态不稳定，且为一瞬间的，为室内试验研究带来了诸多不便。传统装置和方法的具体缺点表现为：

（1） 过去通过动荷载模拟出饱和砂土的液化状态，只能看到表面的一些液化现象，不能清晰地观察到砂颗粒内部的运动状态。

（2） 利用动荷载使得饱和砂土达到液化状态，由于动荷载加载时间较短暂，砂土液化后不同的孔压比状态很难区分，此外高孔压比状态由于产生的条件苛刻，也很难捕捉。

（3） 由于砂土的渗透系数较大，利用动荷载达到的饱和砂土液化状态持续时间较短，动力荷载停止后，超静孔隙水应力很快消散，有效应力得到恢复，不利于长时间观察研究。

（4） 受制于动态测量技术的局限性，试验过程中得测得的变形数据以及颗粒运动特性的误差都比较大。

（5） 振动台试验装置比较庞大，价格昂贵，且受制于动荷载装置发展技术，难以精准模拟出地震荷载，且试验时噪音比较大，对数据的采集干扰较大，。

发明内容

本发明的目的在于克服上述传统试验方法费用高、稳定性差、时间短、精度低等缺陷，提出了一种新型的测量不同液化度下砂土运动状态的试验装置和方法。

本发明采用的技术方案是：

一种测量不同液化度下砂土运动状态的试验装置，包括：模型箱、工作台、支架、调速电动机和PIV平台，其特征在于：模型箱内采用塑料砂模拟普通砂土，氯化钠溶液模拟颗粒间的孔隙流体。模型箱采用透明有机玻璃面板制成，PIV平台所对模型箱的一侧为贴有透明刻度网格纸的面板，模型箱内水平设置一根钢丝绳，使半球体滑块刚好卡在模型箱内壁与钢丝绳之间，在碳素线牵引下作水平运动，通过定滑轮组与支架上的调速电动机相连，在竖向运动段安装一个拉力传感器。

所述用来模拟普通砂的塑料砂为一种低密度的散粒体材料，颗粒密度为1.14g/cm³，塑料砂由0.25 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.75 mm、1.0 mm、1.2 mm以及1.5 mm八种规格的颗粒根据试验所模拟的普通砂颗粒级配配置而成。

所述模型箱一侧为贴有透明刻度网格纸的面板，所用网格纸的横纵坐标分度值可以根据试验需求选取不同的精度，通过PIV平台成像后，能够定量测出塑料砂颗粒的运动状态。

所述模型箱内壁设置的一根水平的钢丝绳作为轨道，与模型箱内壁间的距离根据半球体滑块半径的大小而确定。

所述模型箱内壁安置定滑轮组，可以实现在运动过程中碳素线上力的等值转向，避免在水平方向测力（即若拉力传感器在塑料砂中运动受阻，传感器数据会受到影响），在竖向运动段安置拉力传感器测拉力。

从半球体滑块中心向两侧对称引出两根碳素线，可以实现半球体滑块的双向运动，提高试验效率，同时确保半球体滑块在运动过程中只发生平动不发生转动。

所述氯化钠溶液的密度按照所需液化度来配置，计算公式如下：

式中：ρ _l表示氯化钠溶液的密度，ρ _m表示塑料砂颗粒的密度，ρ _w表示纯水的密度，Δu表示超孔隙水应力，σ′表示土骨架的有效应力。

一种测量不同液化度下砂土运动状态的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1、将半球体滑块放在钢丝绳上，紧贴模型箱贴有透明刻度网格纸的一侧内壁；

2、从半球体滑块中心向两侧对称引出两根碳素线，通过定滑轮组连接到调速电动机上的转动轴上；

3、打开调速电动机和CCD数字相机，使半球体滑块在碳素线的牵引下保持匀速运动，同时电脑上采集拉力传感器上所受的拉力；

4、按照试验级配需要将不同大小的塑料砂颗粒混合搅匀后，缓慢倒入模型箱内，直至没过半球体滑块顶部一定距离；

5、沿模型箱内壁缓慢倒入事先配置好密度的氯化钠溶液，静置一段时间，然后通入二氧化碳，使得塑料砂达到试验要求的饱和度；

6、在工作台上固定好相机支架，再次打开调速电动机和CCD数字相机，使半球体滑块在碳素线的牵引下进行匀速运动，速度与空模型箱时保持一致，同时CCD数字相机高速拍摄记录下半球体滑块周围塑料砂颗粒的运动状态，电脑上采集拉力传感器上测的半球体滑块在运动过程中所受的拉力。

 

本发明装置能够模拟液化后的状态并对颗粒运动特性进行数据采集。具体优点和效果在于：

（1） 采用塑料砂悬浮状态模拟砂土液化后的状态，由于塑料砂的形状与普通砂相似，密度与水较为接近，且遇水不相融，可重复使用，极易实现稳定的悬浮状态。

（2） 采用塑料砂悬浮状态模拟砂土液化后的状态，可以通过直接添加氯化钠调整溶液密度来实现不同液化度下的液化砂土，方法简单，操作方便。

（3） 采用塑料砂悬浮状态模拟砂土液化后的状态，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） 采用钢丝绳作为水平轨道，可以有效减小轨道尺寸，避免尺寸效应和拍照时局部塑料砂运动趋势被遮挡等因素，对试验结果的精确性造成影响。

（5） 采用调速电动机驱动，可以使半球体滑块在模型箱壁和钢丝绳之间上缓慢运动，使液化后的塑料砂颗粒产生缓慢剪切，从而更加接近饱和砂土液化流动时的运动特征。

（6） 在模型箱内壁安置定滑轮组，可以实现碳素线上拉力的等值转向，便于在竖向运动段安置拉力传感器测拉力。

（7） 从半球体滑块中心向两侧对称引出两根碳素线，可以实现半球体滑块的双向运动，提高试验效率，同时确保半球体滑块在运动过程中只发生平动不发生转动。

（8） 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，可以提高测量精度，而且受动荷载的影响很小。

（9） 与半球体滑块平行位置处，分别布置三个土压力盒和孔压力盒，可以准确测量出半球体滑块在运动时该深度不同位置处液化后砂土的孔压比状态。

（10） 模型箱的一侧为贴有透明刻度网格纸的面板，可以在照相时更加准确清晰的观察半球体滑块周围塑料砂的流动情况，能够定量测出塑料砂颗粒的运动状态。

附图说明

图1 本发明试验装置的正视图

图2 本发明实验装置的局部详图

图3本发明试验装置的俯视图

图4本发明试验装置的侧视图

图中：（1）调速电动机（2）拉力传感器（3）碳素线（4）模型箱（5）定滑轮（6）半球体滑块（7）土压力盒（8）孔压力盒（9）钢丝绳（10）防水橡胶圈（11）钢支架（12）钢桁架（13）支架基座（14）模型箱基座（15）工作台（16）螺栓（17）饱和塑料砂溶液（18）CCD数字相机（19）支座（20）底座（21）相机支架（22）透明刻度网格纸。

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、图3和图4所示，一种测量不同液化度下砂土运动状态的试验装置，包括（1）调速电动机（2）拉力传感器（3）碳素线（4）模型箱（5）定滑轮（6）半球体滑块（7）土压力盒（8）孔压力盒（9）钢丝绳（10）防水橡胶圈（11）钢支架（12）钢桁架（13）支架基座（14）模型箱基座（15）工作台（16）螺栓（17）饱和塑料砂溶液（18）CCD数字相机（19）支座（20）底座（21）相机支架（22）透明刻度网格纸。

模型箱（4）采用透明的有机玻璃面板制成，靠近半球体滑块的模型箱一侧为外表面贴2cm×2cm透明刻度网格纸的面板。在模型箱侧面面板上钻有两个小孔，钢丝绳（9）穿过小孔拉直连接作为水平轨道，小孔处采用防水橡胶圈（10）密封处理。钢丝绳（9）与模型箱（4）壁之间水平放置半球体滑块（6），半球体两侧均对称的引出两根碳素线（3），每根碳素线（3）通过定滑轮组（5）实现转向，再通过拉力传感器连接到由正反转的调速电动机（1）控制的轴承两端。模型箱基座（14）上开有螺纹孔，试验前通过螺栓（16）将模型箱（4）固定在工作台（15）上。

如图3和图4所示，在贴有透明刻度网格纸的模型箱（4）面板一侧置有相机支架（21），将CCD数字相机（18）放置在相机支架（21）的支座（19）上，并与计算机图像采集与分析系统相连接。

一种测量不同液化度下砂土运动状态的试验装置的使用方法，包括以下步骤：

（1） 将半球体滑块（6）紧贴模型箱内壁安放在水平钢丝绳上；

（2） 从半球体滑块（6）中心向两侧对称引出两根碳素线（3），通过定滑轮（5）组连接到调速电动机（1）上的转动轴上；

（3） 打开调速电动机（1）和CCD数字相机（18），使半球体滑块（6）在碳素线（3）的牵引下保持匀速运动，同时电脑上采集拉力传感器（2）上所受的拉力；

（4） 按照试验级配需要将不同大小的塑料砂颗粒混合搅匀后，缓慢倒入模型箱（4）内，直至没过半球体滑块（6）顶部一定距离；

（5） 沿模型箱（4）内壁缓慢倒入事先配置好密度的氯化钠溶液，静置一段时间，然后通入二氧化碳，使得塑料砂达到试验要求的饱和度；

（6） 在工作台（15）上固定好相机支架（17），再次打开调速电动机（1）和CCD数字相机（18），使半球体滑块（6）在碳素线（3）的牵引下进行匀速运动，速度与空模型箱（4）时保持一致，同时CCD数字相机（18）高速拍摄记录下半球体滑块（6）周围塑料砂颗粒的运动状态，电脑上采集拉力传感器（2）上测的半球体滑块（6）在运动过程中所受的拉力。

Claims (5)

1.一种测量不同液化度下砂土运动状态的试验装置，包括模型箱、工作台、支架、调速电动机和PIV平台，其特征在于：模型箱内采用塑料砂模拟普通砂土，氯化钠溶液模拟颗粒间的孔隙流体，模型箱采用透明有机玻璃面板制成，PIV平台所对模型箱的一侧为贴有透明刻度网格纸的面板，模型箱内水平设置一根钢丝绳，使半球体滑块刚好卡在模型箱内壁与钢丝绳之间，在碳素线牵引下作水平运动，通过定滑轮组与支架上的调速电动机相连，在竖向运动段安装一个拉力传感器。

2.根据权利要求1所述的测量不同液化度下砂土运动状态的试验装置，其特征在于：所述用来模拟普通砂的塑料砂为一种低密度的散粒体材料，颗粒密度为1.14g/cm³，塑料砂由0.25 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.75 mm、1.0 mm、1.2 mm以及1.5 mm八种规格的颗粒根据试验所模拟的普通砂颗粒级配配置而成。

3.根据权利要求1所述的测量不同液化度下砂土运动状态的试验装置，其特征在于：所述模型箱一侧为贴有透明刻度网格纸的面板，所用网格纸的横纵坐标分度值可以根据试验需求选取不同的精度，通过PIV平台成像后，能够定量测出塑料砂颗粒的运动状态。

4.根据权利要求1所述的测量不同液化度下砂土运动状态的试验装置，其特征在于：所述模型箱内壁设置的一根水平的钢丝绳作为轨道，与模型箱内壁间的距离根据半球体滑块半径的大小而确定

根据权利要求1所述的测量不同液化度下砂土运动状态的试验装置，其特征在于：所述氯化钠溶液的密度按照所需液化度来配置，计算公式如下：

式中：ρ _l表示氯化钠溶液的密度，ρ _m表示塑料砂颗粒的密度，ρ _w表示纯水的密度，Δu表示超孔隙水应力，σ′表示土骨架的有效应力。

5.一种基于权利要求1所述的测量不同液化度下砂土运动状态的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

（1） 将半球体滑块放在钢丝绳上，紧贴模型箱贴有透明刻度网格纸的一侧内壁；

（2） 从半球体滑块中心向两侧对称引出两根碳素线，通过定滑轮组连接到调速电动机上的转动轴上；

（3） 打开调速电动机和CCD数字相机，使半球体滑块在碳素线的牵引下保持匀速运动，同时电脑上采集拉力传感器上所受的拉力；

（4） 按照试验级配需要将不同大小的塑料砂颗粒混合搅匀后，缓慢倒入模型箱内，直至没过半球体滑块顶部一定距离；

（5） 沿模型箱内壁缓慢倒入事先配置好密度的氯化钠溶液，静置一段时间，然后通入二氧化碳，使得塑料砂达到试验要求的饱和度；

（6） 在工作台上固定好相机支架，再次打开调速电动机和CCD数字相机，使半球体滑块在碳素线的牵引下进行匀速运动，速度与空模型箱时保持一致，同时CCD数字相机高速拍摄记录下半球体滑块周围塑料砂颗粒的运动状态，电脑上采集拉力传感器上测的半球体滑块在运动过程中所受的拉力。

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