CN106769547A - 一种冲击液化试验设备及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冲击液化试验设备，包括冲击装置及控制与监测系统，冲击装置，包括套筒、制样冲击筒、底座、制样环、钢架和卷扬机，套筒与底座连接；套筒有预留孔和排气槽；制样冲击筒有筒檐，底板通过螺纹固定钢管，钢管内设有配重块，通过卡扣固定在钢管上；底座上表面有密封圈；钢架固定在地面，工字钢上有滑轮；控制与监测系统，包括控制模块和监测模块。本发明还涉及一种冲击液化试验方法。本发明的优点体现在：通过该试验可以有效测得不同体积、滑速的黄土滑坡的冲击压力与下垫层饱和砂土超孔隙水压力的关系，为计算该类型黄土的运动速度、运动距离提供理依据及计算参数。

Description

一种冲击液化试验设备及试验方法

技术领域

本发明涉及地质工程、岩土工程技术领域，具体涉及一种冲击液化试验设备及试验方法。

背景技术

黄土滑坡冲击下垫层饱和砂土的液化响应机理(下垫层系滑坡运动路径上的易侵蚀基层)：不同体积的滑坡在运动过程中会形成不同的冲击压力，在不同的冲击压力作用下，饱和砂土会形成不同的超孔隙水压力，当单位滑动面上的超孔隙水压力与滑坡压力相等时，说明饱和砂土发生了液化(即使冲击压力较小，饱和砂土不液化，但也会有超孔隙水压力产生，滑坡的滑动摩擦阻力也会降低)。因此，通过该试验设备可以确定黄土滑坡冲击压力与下垫层饱和砂土超孔隙水压力关系，这样就可以判断在多大的滑坡体积(方量)作用下，滑坡下垫层饱和砂土会发生液化。然而，当冲击压力继续增大，饱和砂土并不会发生进一步液化，因此，该试验方法也可解释为什么有些滑坡体积很大但并不会形成更远的滑动距离，而有些小体积滑坡滑动距离很远。

黄土滑坡在运动过程中会对下垫层饱和砂土造成冲击，在强烈的冲击力作用下饱和砂土瞬时液化，滑坡运动能力有效提升，致灾范围扩大，从而造成严重的人员伤亡和经济损失。在我国，由于下垫层饱和砂土受黄土滑坡冲击液化从而导致黄土滑坡形成高速远程特征并造成人员伤亡的案例已十分常见，但对于该类型黄土滑坡在运动过程中，由于冲击液化作用导致滑坡运动能力提升的力学原理研究并不多见。

目前大多数黄土滑坡滑带土液化问题研究是在振动荷载或大剪切位移条件下完成的，很少考虑饱和下垫层在滑坡冲击力作用下的液化响应。而本专利提出的冲击设备及试验方法能够较好的解释冲击液化作用下黄土滑坡的运动过程中的力学机理，为丰富黄土滑坡动力学理论和黄土滑坡致灾范围预测提供理论借鉴。

目前已有的砂土液化问题研究多是在不排水条件下通过大剪切位移或振动荷载完成的。在这种方法下，饱和砂土由于不排水，大剪切位移或振动荷载都会使砂土结构重新排列，饱和砂土中超孔隙水压力逐渐积累(有一个时间过程)，从而发生砂土液化。因此，研究排水条件下的饱和砂土冲击液化响应机制，可为研究冲击液化作用下黄土滑坡的运动机理提供力学理论基础，具有一定的理论创新。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种造价低廉，结构简单冲击液化试验设备。

为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

一种冲击液化试验设备，包括冲击装置及控制与监测系统，

冲击装置，包括套筒、制样冲击筒、底座、制样环、钢架和卷扬机，套筒透明、中空，筒壁有刻度，筒壁底部有螺口，通过螺栓与底座凸起部相连接；套筒侧壁有两排对称预留孔和排气槽；制样冲击筒单侧开口，开口处有筒檐，底板通过螺纹固定钢管，钢管上套有配重块，通过卡扣固定在钢管上，在制样过程中，套筒底部垫有压力板，压力板直径与套筒内径相同，上表面有拉绳；底座上表面有密封圈，密封圈有中缝，中缝直径宽度均与套筒相同；在制样过程中，制样环套接在制样冲击筒外部，并处于制样冲击筒檐与套筒上檐之间；钢架主体为钢管与工字钢梁，钢管上套有减震支架，减震支架加持套筒，钢架通过膨胀螺丝将钢管底座固定在地面，工字钢上有滑轮，在制样过程中，通过千斤顶为制样冲击筒施加反力；

控制与监测系统，包括控制模块和监测模块，其中控制模块连接冲击试验装置的制样冲击筒，其包括计算机和触发电路，通过计算机将信号传输至触发电路，通过触发电路控制卷扬机从而实现调整制样冲击筒的冲击落距与制样冲击筒的启动；监测模块，包括数据监测模块和影像监测模块，其中数据监测模块包括总压力传感器和孔隙水压力传感器，总压力传感器与孔隙水压力传感器分别连接数据采集器，通过A/D板连接计算机，将采集到的信息转换为模拟信号后传送回计算机；影像监测模块包括与计算机连接的高速摄像机，高速摄像机监测冲击试验过程。

进一步的，所述套筒预留孔的孔径与传感器、水箱排水管及刻度玻璃管直径相同，在制样过程中使用橡胶塞封口，在饱和试验过程中最底部两处对称预留孔分别连接水箱和刻度玻璃管，在冲击试验过程中插入传感器。

进一步的，所述制样冲击筒材质为不锈钢，设有筒檐，筒檐外径与套筒外径相同，制样冲击筒主体高度与压力板厚度之和等于套筒套入底座凸起后内部高度，在冲击试验中使用单筒，在制样过程中在筒顶盖上筒帽，在筒底垫有压力板，并配合制样环与千斤顶共同使用。

进一步的，多个所述制样环组合，配合千斤顶量程使用，制样环宽度由试样单次固结厚度决定，设计宽度不大于5cm。

进一步的，所述总压力传感器和孔隙水压力传感器交叉安装在套筒的高、中、低预留孔位置，各类传感器数量不少于5个。

进一步的，所述控制模块包括卷扬机、触发电路和计算机，通过计算机将信号传输至触发电路，通过触发电路控制卷扬机的启动、升降、停止从而实现调整制样冲击筒的落距与冲击套筒的启动。

进一步的，所述控制与监测系统还包括人机界面，用于控制卷扬机的启动、升降、停止，用于实施监测传感器数据和试验影像。

进一步的，所述孔隙压力传感器探头外部加装有网眼铜帽。

进一步的，所述压力板与套筒内径相同，材质为不锈钢，压力板上表面设有两条凹槽，凹槽中固定有帆布拉绳。

一种冲击液化试验方法，包括如下步骤：(1)使用环刀在野外取样点制取砂土试样，根据土工试验规程测得砂土干密度并测量砂土层厚度，对不同类型的砂土进行筛分处理，烘干保存，以取样点砂土试样干密度及土层厚度为计算依据，根据套筒内径和制样环宽度计算得到单层压制厚度下的砂土体积，并依据取样点砂土干密度计算出单层压制所需要的干砂质量，该公式为：

m_n＝ρ_dv_n＝ρ_dπr²h_n

式中，m_n为制样时第n层压制所需干砂质量，ρ_d为天然砂土的干密度，v_n为第n层试样压制体积，π为圆周率，r为套筒内半径，h_n为第n层压制试样控制厚度，即制样环宽度；

(2)在套筒内均匀撒入单层压制所需质量的干砂，用刷子将砂面刷平，抓住帆布拉绳将压力板放入套筒，将制样环连接在套筒上部，套在制样冲击筒外部，放入制样冲击筒，盖上筒帽，再将千斤顶固定在钢梁和筒帽之间并逐渐增加反力使得制样冲击筒不断贯入，当制样冲击筒筒檐与制样环紧密贴合时，保持千斤顶压力不变，静置不少于30min使砂土试样固结，每完成一层制样即对上表面做刨毛处理以使砂土层之间更好接触，重复上述步骤直至砂土试样厚度满足试验设计要求；

(3)卸掉套筒侧壁最下面两个对称位置预留孔的橡胶塞，分别连接水箱接管及玻璃管，将水箱溢水孔高度调节与砂土试样高度一致，使水箱、砂土试样、玻璃管形成连通器，通过水源补给缓慢注水，直至玻璃管中水头高度与砂土试样高度相同为止，维持水头平衡状态不少于30min使试样充分饱和，饱和过程中不卸制样冲击筒和千斤顶，确保砂土试样在饱和过程中既不受力也不发生变形；

(4)待饱和结束后，迅速拔去水箱接管及玻璃管，在套筒两侧预留孔中交叉插入总压力传感器和孔隙水压力传感器，传感器通过数据线依次连接数据采集器、A/D板和计算机，依次缓慢卸下千斤顶、筒帽、制样冲击筒、压力板，并通过人机界面对传感数据清零；

(5)在制样冲击筒中放入不同数量的配重块调整制样冲击筒质量，通过人机界面控制落距，并通过高速摄像机监测制样冲击筒贯入深度，通过人机界面启动制样冲击筒自由下落冲击砂土试样，待制样冲击筒稳定后即完成了一次冲击试验，按照正交试验方法完成多组冲击试验，记录荷载质量、落距和贯入深度等参数，建立能量守恒公式，推导得出套筒冲击力与荷载质量、落距、贯入深度的关系，并根据制样冲击筒面积计算得出冲击压力，相关公式如下：

推导可得：

带入压强公式：

式中，σ_d为冲击压力，A为制样冲击筒底面积，m为制样冲击筒质量，g重力加速度取9.8kg/N，h为落距，δ₀为贯入深度，k_g为冲击力常数；

(6)通过人机界面读取各埋深位置传感器探头数据，对正交试验结果进行整理分析，根据各传感器总压力峰值或孔隙水压力峰值与不同量级冲击压力理论值之比计算折减系数，拟合得到折减系数与土体埋深即探头位置相对于砂土试样表面的距离的关系式，合并得到总压力或孔隙水压力与冲击压力理论值随深度变化的关系，并根据拟合曲线在x轴上的截距确定冲击压力影响范围，相关公式如下：

u_n＝η_nσ_d

η_n＝cD+d

σ_n＝(aD+b)σ_d，u_n＝(cD+d)σ_d

式中，n为自上而下第n个预留孔编号，反映传感器埋深，σ_n为自上而下第n个预留孔位置总压力传感器压力值，u_n为自上而下第n个预留孔位置孔隙水压力传感器压力值，η_n分别为自上而下第n个预留孔位置总压力、孔隙水压的折减系数，D为传感器埋深，a、b、c、d分别为拟合参量；

(7)对不同量级冲击压力作用下各埋深位置传感器的总压力峰值和孔隙水压力峰值数值进行比较，按照有效应力原理，分析冲击作用下液化层厚度和临界冲击压力即造成该层厚度砂土完全液化的最小冲击压力，相关公式为：

σ_n′＝σ_n-u_n

式中，σ_n′第n个预留孔位置的有效应力，当等于0时即发生液化；

对不同量级冲击压力作用下的有效应力与传感器埋深进行拟合，可得到公式：

σ′＝a+be^-D/c

式中，e为自然常数，a、b、c分别为拟合参量；

按照上式，对某一量级冲击压力下的有效应力随深度变化曲线进行分析，当a>0时，说明在这一级冲击压力作用下不足以产生任何厚度的砂土层液化；当a＝0、b≠0时，根据关系曲线拐点判别冲击液化砂土层厚度，如果曲线拐点不明显，需进一步根据自上而下有效应力为0的传感器位置埋深确定冲击液化砂土层厚度；当a＝0、b＝0时，曲线与x轴重合，说明在这一级冲击压力作用下该厚度砂土层发生完全液化，对比造成砂土层完全液化的各量级冲击压力，确定临界冲击压力。

本发明公开的一种冲击液化试验设备及其试验方法，具有以下有益效果：

通过该试验可以有效测得不同体积、滑速(可能影响因素还有滑床形态和坡高等)的黄土滑坡的冲击压力与(滑坡)下垫层饱和砂土超孔隙水压力的关系，通过该关系，我们可以解释冲击液化作用下黄土滑坡的动力学原理，同时也可判断可能造成下垫层饱和砂土冲击液化的黄土滑坡体积等条件；同时也可根据冲击压力与超孔隙水压力关系，通过对单位面积滑体受力关系分析，建立冲击液化作用下黄土滑坡运动模型，为计算该类型黄土的运动速度、运动距离提供理依据及计算参数。

附图说明

图1是冲击装置的结构示意图；

图2是制样试验的结构示意图；

图3是冲击试验的结构示意图；

附图标记说明：

1-配重块，2-制样环，3-密封圈，4-制样冲击筒，5-套筒，6-底座，7-钢架，8-筒帽，9-千斤顶，10-压力板，11-橡胶塞，12-玻璃管，13-砂土试样，14-膨胀螺丝，15-减震支架，16-水箱，17-溢水口，18-水源补给，19-滑轮，20-钢绳，21-孔隙水压力传感器，22-总压力传感器，23-数据线，24-挂环，25-钢管，26-卡扣，27-排气槽。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。

实施例1

一种冲击液化试验设备，包括冲击装置及控制与监测系统，

见图1-图3，冲击装置，包括套筒5、制样冲击筒4、底座6、制样环2、钢架7和卷扬机，套筒5透明、中空，筒壁有刻度，筒壁底部有螺口，通过螺栓与底座6凸起部相连接；套筒5侧壁有两排对称预留孔和排气槽27；制样冲击筒4单侧开口，开口处有筒檐，底板通过螺纹固定钢管25，钢管上设有有配重块1，通过卡扣26固定在钢管25上，卡扣26上设有孔用来插入螺钉，卡扣26底部和配重块1接触的地方设有用于减震的橡胶，在制样过程中，套筒底部垫有压力板，压力板直径与套筒5内径相同，上表面有拉绳；底座6上表面有密封圈3，密封圈3有中缝，中缝直径宽度均与套筒5相同；在制样过程中，制样环2套接在制样冲击筒4外部，并处于制样冲击筒檐与套筒上檐之间；钢架7主体为钢管与工字钢梁，钢管上套有减震支架15，减震支架15加持套筒5，钢架7通过膨胀螺丝14将钢管底座固定在地面，工字钢上有滑轮19，在制样过程中，通过千斤顶9为制样冲击筒4施加反力；

控制与监测系统，包括控制模块和监测模块，其中控制模块连接冲击试验装置的制样冲击筒4，其包括计算机和触发电路，通过计算机将信号传输至触发电路，通过触发电路控制卷扬机从而实现调整制样冲击筒的冲击落距与制样冲击筒的启动；监测模块，包括数据监测模块和影像监测模块，其中数据监测模块包括总压力传感器22和孔隙水压力传感器21，总压力传感器22与孔隙水压力传感器21分别连接数据采集器，通过A/D板连接计算机，将采集到的信息转换为模拟信号后传送回计算机；影像监测模块包括与计算机连接的高速摄像机，高速摄像机监测冲击试验过程。

作为具体实施例，所述套筒5为有机玻璃材质，制样冲击筒4为不锈钢材质，底座6为不锈钢材质。

作为具体实施例，所述套筒预留孔的孔径与传感器、水箱排水管及刻度玻璃管12直径相同，在制样过程中使用橡胶塞11封口，在饱和试验过程中最底部两处对称预留孔分别连接水箱16和刻度玻璃管12，在冲击试验过程中插入传感器。

作为具体实施例，制样冲击筒4底板加厚。

作为具体实施例，所述制样冲击筒4材质为不锈钢，设有筒檐，筒檐外径与套筒5外径相同，制样冲击筒4主体高度与压力板厚度之和等于套筒5套入底座凸起后内部的高度，在冲击试验中使用单筒，在制样过程中在筒顶盖上筒帽8，在筒底垫有压力板，并配合制样环2与千斤顶9共同使用。

作为具体实施例，所述筒帽8的帽型、内径与制样冲击筒4外径相同，材质为不锈钢，顶部有一定厚度。

作为具体实施例，所述压力板与套筒5内径相同，材质为不锈钢，具有一定厚度，其上表面有凹槽，凹槽中有帆布拉绳。

作为具体实施例，多个所述制样环2组合，配合千斤顶9量程使用，制样环2宽度由试样单次固结厚度决定，设计宽度不大于5cm。

作为具体实施例，所述总压力传感器22和孔隙水压力传感器21交叉安装在套筒5的高、中、低预留孔位置，各类传感器数量不少于5个。

作为具体实施例，所述控制模块包括卷扬机、触发电路和计算机，通过计算机将信号传输至触发电路，通过触发电路控制卷扬机从而实现调整制样冲击筒的落距与冲击套筒的启动。本发明的钢管顶部设有螺纹，通过螺栓安装有挂环，挂环连接卷扬机的启动、升降、停止，在安装配重块的时候可直接打开螺栓安装，方便快捷。

作为具体实施例，所述影像监测模块包括毫秒级高速摄像机和与其相连的计算机。

作为具体实施例，所述控制与监测系统还包括人机界面，用于控制卷扬机的启动、升降、停止，用于实施监测传感器数据和试验影像。

作为具体实施例，所述孔隙压力传感器探头外部加装有网眼铜帽，这是与总压力传感器不同之处。

实施例2

本发明还公开了一种冲击液化试验方法，包括如下步骤：(1)使用环刀在野外取样点制取砂土试样，根据土工试验规程测得砂土干密度并测量砂土层厚度，对不同类型(级配)的砂土进行筛分处理，烘干保存，以取样点砂土试样干密度及土层厚度为计算依据，根据套筒5内径和制样环2宽度计算得到单层压制厚度下的砂土体积，并依据取样点砂土干密度计算出单层压制所需要的干砂质量，该公式为：

m_n＝ρ_dv_n＝ρ_dπr²h_n

式中，m_n为制样时第n层压制所需干砂质量，ρ_d为天然砂土的干密度，v_n为第n层试样压制体积，π为圆周率，r为套筒内半径，h_n为第n层压制试样控制厚度，即制样环宽度；

(2)在套筒5内均匀撒入单层压制所需质量的干砂，用刷子将砂面刷平，抓住帆布拉绳将压力板放入套筒5，将制样环2连接在套筒5上部，套在制样冲击筒4外部，放入制样冲击筒4，盖上筒帽8，再将千斤顶9固定在钢梁和筒帽8之间并逐渐增加反力使得制样冲击筒不断贯入，当制样冲击筒筒檐与制样环2紧密贴合时，保持千斤顶9压力不变，静置不少于30min使砂土试样13固结，每完成一层制样即对上表面做刨毛处理以使砂土层之间更好接触，重复上述步骤直至砂土试样13厚度满足试验设计要求；

(3)卸掉套筒侧壁最下面两个对称位置预留孔的橡胶塞11，分别连接水箱16接管及玻璃管12，将水箱溢水孔17高度调节与砂土试样13高度一致，使水箱16、砂土试样13、玻璃管12形成连通器，通过水源补给18缓慢注水，直至玻璃管12中水头高度与砂土试样13高度相同为止，维持水头平衡状态不少于30min使试样充分饱和，饱和过程中不卸制样冲击筒4和千斤顶9，确保砂土试样13在饱和过程中既不受力也不发生变形；

(4)待饱和结束后，迅速拔去水箱接管及玻璃管12，在套筒5两侧预留孔中交叉插入总压力传感器22和孔隙水压力传感器21，传感器通过数据线依次连接数据采集器、A/D板和计算机，依次缓慢卸下千斤顶9、筒帽8、制样冲击筒4、压力板，并通过人机界面对传感数据清零；

(5)在制样冲击筒4中放入不同数量的配重块1调整制样冲击筒4质量，通过人机界面控制落距，并通过高速摄像机监测制样冲击筒4贯入深度，通过人机界面启动制样冲击筒自由下落冲击砂土试样13，待制样冲击筒4稳定后即完成了一次冲击试验，按照正交试验方法(质量一定，调整落距，落距一定，调整质量)完成多组冲击试验，记录荷载质量、落距和贯入深度等参数，建立能量守恒公式，推导得出套筒冲击力与荷载质量、落距、贯入深度的关系，并根据制样冲击筒面积计算得出冲击压力，相关公式如下：

推导可得：

带入压强公式：

式中，σ_d为冲击压力，A为制样冲击筒底面积，m为制样冲击筒质量，g重力加速度取9.8kg/N，h为落距，δ₀为贯入深度，k_g为冲击力常数；

(6)通过人机界面读取各埋深位置传感器探头数据，对正交试验结果进行整理分析，根据各传感器总压力峰值或孔隙水压力峰值与不同量级冲击压力理论值之比计算折减系数，拟合得到折减系数与土体埋深即探头位置相对于砂土试样表面的距离的关系式，合并得到总压力或孔隙水压力与冲击压力理论值随深度变化的关系，并根据拟合曲线在x轴上的截距确定冲击压力影响范围，相关公式如下：

u_n＝η_nσ_d

η_n＝cD+d

σ_n＝(aD+b)σ_d，u_n＝(cD+d)σ_d

式中，n为自上而下第n个预留孔编号，反映传感器埋深，σ_n为自上而下第n个预留孔位置总压力传感器压力值，u_n为自上而下第n个预留孔位置孔隙水压力传感器压力值，η_n分别为自上而下第n个预留孔位置总压力、孔隙水压的折减系数，D为传感器埋深，a、b、c、d分别为拟合参量；

(7)对不同量级冲击压力作用下各埋深位置传感器的总压力峰值和孔隙水压力峰值数值进行比较，按照有效应力原理，分析冲击作用下液化层厚度和临界冲击压力即造成该层厚度砂土完全液化的最小冲击压力，相关公式为：

σ_n′＝σ_n-u_n

式中，σ_n′第n个预留孔位置的有效应力，当等于0时即发生液化；

对不同量级冲击压力作用下的有效应力与传感器埋深进行拟合，可得到公式：

σ′＝a+be^-D/c

式中，e为自然常数，a、b、c分别为拟合参量；

按照上式，对某一量级冲击压力下的有效应力随深度变化曲线进行分析，当a>0时，说明在这一级冲击压力作用下不足以产生任何厚度的砂土层液化；当a＝0、b≠0时，根据关系曲线拐点判别冲击液化砂土层厚度，如果曲线拐点不明显，需进一步根据自上而下有效应力为0的传感器位置埋深确定冲击液化砂土层厚度；当a＝0、b＝0时，曲线与x轴重合，说明在这一级冲击压力作用下该厚度砂土层发生完全液化，对比造成砂土层完全液化的各量级冲击压力，确定临界冲击压力。

本发明试验设备造价低廉，结构简单，试验方法也是基于成熟的土力学理论设计的，操作难度低，具有较强的适用性和实用性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，而非对其限制；应当指出，尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种冲击液化试验设备，其特征在于，包括冲击装置及控制与监测系统，

冲击装置，包括套筒、制样冲击筒、底座、制样环、钢架和卷扬机，套筒透明、中空，筒壁有刻度，筒壁底部有螺口，通过螺栓与底座凸起部相连接；套筒侧壁有两排对称预留孔和排气槽；制样冲击筒单侧开口，开口处有筒檐，底板通过螺纹固定钢管，钢管上套有配重块，通过卡扣固定在钢管上，在制样过程中，套筒底部垫有压力板，压力板直径与套筒内径相同，上表面有拉绳；底座上表面有密封圈，密封圈有中缝，中缝直径宽度均与套筒相同；在制样过程中，制样环套接在制样冲击筒外部，并处于制样冲击筒檐与套筒上檐之间；钢架主体为钢管与工字钢梁，钢管上套有减震支架，减震支架加持套筒，钢架通过膨胀螺丝将钢管底座固定在地面，工字钢上有滑轮，在制样过程中，通过千斤顶为制样冲击筒施加反力；

控制与监测系统，包括控制模块和监测模块，其中控制模块连接冲击试验装置的制样冲击筒，其包括计算机和触发电路，通过计算机将信号传输至触发电路，通过触发电路控制卷扬机从而实现调整制样冲击筒的冲击落距与制样冲击筒的启动；监测模块，包括数据监测模块和影像监测模块，其中数据监测模块包括总压力传感器和孔隙水压力传感器，总压力传感器与孔隙水压力传感器分别连接数据采集器，通过A/D板连接计算机，将采集到的信息转换为模拟信号后传送回计算机；影像监测模块包括与计算机连接的高速摄像机，高速摄像机监测冲击试验过程。

2.根据权利要求1所述的一种冲击液化试验设备，其特征在于，所述套筒预留孔的孔径与传感器、水箱排水管及刻度玻璃管直径相同，在制样过程中使用橡胶塞封口，在饱和试验过程中最底部两处对称预留孔分别连接水箱和刻度玻璃管，在冲击试验过程中插入传感器。

3.根据权利要求1所述的一种冲击液化试验设备，其特征在于，所述制样冲击筒材质为不锈钢，设有筒檐，筒檐外径与套筒外径相同，制样冲击筒主体高度与压力板厚度之和等于套筒套入底座凸起后内部高度，在冲击试验中使用单筒，在制样过程中在筒顶盖上筒帽，在筒底垫有压力板，并配合制样环与千斤顶共同使用。

4.根据权利要求1所述的一种冲击液化试验设备，其特征在于，多个所述制样环组合，配合千斤顶量程使用，制样环宽度由试样单次固结厚度决定，设计宽度不大于5cm。

5.根据权利要求1所述的一种冲击液化试验设备，其特征在于，所述总压力传感器和孔隙水压力传感器交叉安装在套筒的高、中、低预留孔位置，各类传感器数量不少于5个。

6.根据权利要求1所述的一种冲击液化试验设备，其特征在于，所述控制模块包括卷扬机、触发电路和计算机，通过计算机将信号传输至触发电路，通过触发电路控制卷扬机的启动、升降、停止从而实现调整制样冲击筒的落距与冲击套筒的启动。

7.根据权利要求1所述的一种冲击液化试验设备，其特征在于，所述控制与监测系统还包括人机界面，用于控制卷扬机的启动、升降、停止，用于实施监测传感器数据和试验影像。

8.根据权利要求1所述的一种冲击液化试验设备，其特征在于，所述孔隙压力传感器探头外部加装有网眼铜帽。

9.根据权利要求1所述的一种冲击液化试验设备，其特征在于，所述压力板与套筒内径相同，材质为不锈钢，压力板上表面设有两条凹槽，凹槽中固定有帆布拉绳。

10.一种冲击液化试验方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)使用环刀在野外取样点制取砂土试样，根据土工试验规程测得砂土干密度并测量砂土层厚度，对不同类型的砂土进行筛分处理，烘干保存，以取样点砂土试样干密度及土层厚度为计算依据，根据套筒内径和制样环宽度计算得到单层压制厚度下的砂土体积，并依据取样点砂土干密度计算出单层压制所需要的干砂质量，该公式为：

m_n＝ρ_dv_n＝ρ_dπr²h_n

式中，m_n为制样时第n层压制所需干砂质量，ρ_d为天然砂土的干密度，v_n为第n层试样压制体积，π为圆周率，r为套筒内半径，h_n为第n层压制试样控制厚度，即制样环宽度；

(2)在套筒内均匀撒入单层压制所需质量的干砂，用刷子将砂面刷平，抓住帆布拉绳将压力板放入套筒，将制样环连接在套筒上部，套在制样冲击筒外部，放入制样冲击筒，盖上筒帽，再将千斤顶固定在钢梁和筒帽之间并逐渐增加反力使得制样冲击筒不断贯入，当制样冲击筒筒檐与制样环紧密贴合时，保持千斤顶压力不变，静置不少于30min使砂土试样固结，每完成一层制样即对上表面做刨毛处理以使砂土层之间更好接触，重复上述步骤直至砂土试样厚度满足试验设计要求；

(3)卸掉套筒侧壁最下面两个对称位置预留孔的橡胶塞，分别连接水箱接管及玻璃管，将水箱溢水孔高度调节与砂土试样高度一致，使水箱、砂土试样、玻璃管形成连通器，通过水源补给缓慢注水，直至玻璃管中水头高度与砂土试样高度相同为止，维持水头平衡状态不少于30min使试样充分饱和，饱和过程中不卸制样冲击筒和千斤顶，确保砂土试样在饱和过程中既不受力也不发生变形；

(4)待饱和结束后，迅速拔去水箱接管及玻璃管，在套筒两侧预留孔中交叉插入总压力传感器和孔隙水压力传感器，传感器通过数据线依次连接数据采集器、A/D板和计算机，依次缓慢卸下千斤顶、筒帽、制样冲击筒、压力板，并通过人机界面对传感数据清零；

(5)在制样冲击筒中放入不同数量的配重块调整制样冲击筒质量，通过人机界面控制落距，并通过高速摄像机监测制样冲击筒贯入深度，通过人机界面启动制样冲击筒自由下落冲击砂土试样，待制样冲击筒稳定后即完成了一次冲击试验，按照正交试验方法完成多组冲击试验，记录荷载质量、落距和贯入深度等参数，建立能量守恒公式，推导得出套筒冲击力与荷载质量、落距、贯入深度的关系，并根据制样冲击筒面积计算得出冲击压力，相关公式如下：

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

推导可得：

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

带入压强公式：

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

式中，σ_d为冲击压力，A为制样冲击筒底面积，m为制样冲击筒质量，g重力加速度取9.8kg/N，h为落距，δ₀为贯入深度，k_g为冲击力常数；

(6)通过人机界面读取各埋深位置传感器探头数据，对正交试验结果进行整理分析，根据各传感器总压力峰值或孔隙水压力峰值与不同量级冲击压力理论值之比计算折减系数，拟合得到折减系数与土体埋深即探头位置相对于砂土试样表面的距离的关系式，合并得到总压力或孔隙水压力与冲击压力理论值随深度变化的关系，并根据拟合曲线在x轴上的截距确定冲击压力影响范围，相关公式如下：

u_n＝η_nσ_d

η_n＝cD+d

σ_n＝(aD+b)σ_d，u_n＝(cD+d)σ_d

式中，n为自上而下第n个预留孔编号，反映传感器埋深，σ_n为自上而下第n个预留孔位置总压力传感器压力值，u_n为自上而下第n个预留孔位置孔隙水压力传感器压力值，η_n分别为自上而下第n个预留孔位置总压力、孔隙水压的折减系数，D为传感器埋深，a、b、c、d分别为拟合参量；

(7)对不同量级冲击压力作用下各埋深位置传感器的总压力峰值和孔隙水压力峰值数值进行比较，按照有效应力原理，分析冲击作用下液化层厚度和临界冲击压力即造成该层厚度砂土完全液化的最小冲击压力，相关公式为：

σ′_n＝σ_n-u_n

式中，σ′_n第n个预留孔位置的有效应力，当等于0时即发生液化；

对不同量级冲击压力作用下的有效应力与传感器埋深进行拟合，可得到公式：

σ′＝a+be^-D/c

式中，e为自然常数，a、b、c分别为拟合参量；

按照上式，对某一量级冲击压力下的有效应力随深度变化曲线进行分析，当a>0时，说明在这一级冲击压力作用下不足以产生任何厚度的砂土层液化；当a＝0、b≠0时，根据关系曲线拐点判别冲击液化砂土层厚度，如果曲线拐点不明显，需进一步根据自上而下有效应力为0的传感器位置埋深确定冲击液化砂土层厚度；当a＝0、b＝0时，曲线与x轴重合，说明在这一级冲击压力作用下该厚度砂土层发生完全液化，对比造成砂土层完全液化的各量级冲击压力，确定临界冲击压力。