CN108107190A - 一种饱水土体局部振动液化试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种饱水土体局部振动液化试验装置和方法，用于检测饱水土体层液化程度的试验方法，该装置至少包括土体环境模拟箱、振动装置、加速度传感器，其中土体环境模拟箱包括开口朝上的箱体，箱体内从下往上依次设置有石子层、饱水土体层，至少一个振动装置设置在饱水土体层中，至少一加速度传感器设置在饱水土体层中，振动装置与振动频率控制装置电连接，加速度传感器与加速度信号采集装置电连接。本发明结构简单、操作方便、试验准确。

Description

一种饱水土体局部振动液化试验装置和方法

技术领域

本发明涉及一种土木工程试验检测设备，特别涉及一种饱水土体液化试验装置及方法。

背景技术

液化是指饱水的疏松粉、细砂土在振动作用下突然破坏而呈现液态的现象，由于孔隙水压力上升，有效应力减小所导致的砂土从固态到液态的变化现象。其机制是饱和的疏松粉、细砂土体在振动作用下有颗粒移动和变密的趋势，对应力的承受从砂土骨架转向水，由于粉和细砂土的渗透力不良，孔隙水压力会急剧增大，当孔隙水压力大到总应力值时，有效应力就降到0，颗粒悬浮在水中，砂土体即发生液化。在实际施工中，打桩、夯实、机械振动等局部振动会扰乱土体的平衡作用，导致土体发生液化。为研究土体因局部振动引起的液化现象，模拟机械引起局部振动的试验设备有待于开发。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、操作方便的土体局部振动液化试验装置及方法。

一种饱水土体局部振动液化试验装置，包括土体环境模拟箱、振动装置、加速度传感器、振动频率控制装置、加速度信号采集装置，土体环境模拟箱包括开口朝上的箱体，箱体内从下往上依次设置有石子层、饱水土体层，至少一个振动装置设置在饱水土体层中，至少一加速度传感器设置在饱水土体层中，振动装置与振动频率控制装置电连接，加速度传感器与加速度信号采集装置电连接。

优选地：振动装置包括振动器、第一中空螺纹杆，振动器安装在第一中空螺纹杆的底部，振动器位于饱水土体层中。

优选地：振动装置还包括第一导线，第一导线一端与振动器连接，另一端与振动频率控制装置连接。

优选地：还包括第二中空螺纹杆，加速度传感器中设置有第二导线，加速度传感器安装在第二中空螺纹杆的底部，第二导线的一端穿过第二中空螺纹杆与加速度信号采集装置电连接。

优选地：还包括第一顶部螺帽、第一底部螺帽、第二顶部螺帽、第二底部螺帽，土体环境模拟箱还包括顶盖，顶盖盖在箱体上，顶盖上设置有横向或者纵向的槽，第一中空螺纹杆、第二中空螺纹杆位于槽中，第一顶部螺帽、第一底部螺帽与第一中空螺纹杆螺纹连接，第一顶部螺帽位于顶盖的顶面上，第一底部螺帽位于顶盖的底面上，第二顶部螺帽、第二底部螺帽与第二中空螺纹杆螺纹连接，第二顶部螺帽位于顶盖的顶面上，第二底部螺帽位于顶盖的底面上。

优选地：振动器还包括底座、外壳、电机、偏心轮，外壳与底座密封连接形成一密封腔，电机、偏心轮位于密封腔内部，电机顶部与底座的底面固定连接，电机传动轴与偏心轮连接，底座上设置有第一通孔，第一中空螺纹杆的中空部分与第一通孔对齐，第一中空螺纹杆与底座的顶面固定密封连接，第一导线的一端与电机电连接，另一端依次穿过第一通孔、第一中空螺纹杆与振动频率控制装置电连接。

优选地：振动频率控制装置包括变压器、电源导线、频率控制器，变压器通过电源导线与频率控制器连接，频率控制器包括至少一个频率控制单元，频率控制单元包括依次电连接的接线柱、频率显示表、滑动变阻器，接线柱与第一导线的另一端电连接。

优选地：还包括固定装置，固定装置使箱体与顶盖固定连接。

优选地：固定装置为铁夹。

一种饱水土体局部振动液化试验方法，

第一步：土体环境模拟箱中铺一层石子层，在石子层上再铺一层饱水土体层；

第二步：在带有振动器的第一中空螺纹杆上旋上第一底部螺帽，将第一中空螺纹杆放入槽中，并使第一底部螺帽位于顶盖的底面上，在第一中空螺纹杆上旋上第一顶部螺帽，使第一顶部螺帽位于顶盖的顶面上，通过第一顶部螺帽、第一底部螺帽调节振动器至顶盖底面的距离，并使第一中空螺纹杆与顶盖固定连接，在带有加速度传感器的第二中空螺纹杆上旋上第二底部螺帽，将第二中空螺纹杆放入槽中，并使第二底部螺帽位于顶盖的底面上，在第二中空螺纹杆上旋上第二顶部螺帽，使第二顶部螺帽位于顶盖的顶面上，通过第二顶部螺帽、第二底部螺帽调节加速度传感器至顶盖底面的距离，并使第二中空螺纹杆与顶盖固定连接；

第三步：将顶盖与箱体对齐，将顶盖往下压，使振动器及加速度传感器插入饱水土体层中，直至顶盖与箱体相接触，使用铁夹将顶盖与箱体夹紧；

第四步：使第一导线与振动频率控制装置电连接，第二导线与加速度信号采集装置电连接；

第五步：使加速度信号采集装置开始采集信号，调节滑动变阻器至电阻最大位置，接通频率控制器电源，调节滑动变阻器，将振动器的振动频率调节至设计频率。

有益效果：本发明结构简单、操作方便、试验准确。

附图说明

图1是试验装置的示意图。

图2是土体环境模拟箱的立体示意图。

图3是振动器及加速度传感器的安装示意图。

图4是顶盖示意图。

图5是振动器示意图。

图6是本发明电路示意图。

附图标记名称如下：1、土体环境模拟箱；2、振动装置；3、加速度传感器；4、振动频率控制装置；5、加速度信号采集装置；6、第一导线；7、变压器；8、电源导线；9、接线柱；10、频率显示表；11、滑动变阻器；12、第一顶部螺帽；13、第一底部螺帽；14、顶盖；15、电机；16、偏心轮；17、外壳；18、底座；19、螺丝；20、第一中空螺纹杆；21、箱体；22、石子层；23、饱水土体层；24、第二中空螺纹杆；25、第二顶部螺帽；26、第二底部螺帽；27、第二导线。

具体实施方式

如图1-6所示。一种饱水土体局部振动液化试验装置包括土体环境模拟箱1、振动装置2、加速度传感器3、振动频率控制装置4、加速度信号采集装置5、固定装置。

土体环境模拟箱1包括开口朝上的箱体21、顶盖14、固定装置，顶盖14盖在箱体21上，固定装置使箱体1与顶盖14固定连接，固定装置可以是铁夹等。顶盖14为钢材质平板。顶盖14上开有多个横向槽或纵向槽。箱体21内设置有石子层22、饱水土体层23，其中石子层22位于箱体21的底部，饱水土体层23设置在石子层22的上方。至少一个振动装置2设置在饱水土体层23中，用于振动饱水土体，使饱水土体液化。振动装置2通过第一导线6与振动频率控制装置4电连接。箱体21的四个竖直边框采用角钢，其中至少一个竖直边框上刻有刻度，以方便观察石子层22及饱水土体层23的厚度，四个侧面采用透明钢化玻璃以方便观察饱水土体的变化，底面采用钢材质底面。

振动装置2包括振动器、第一中空螺纹杆20、第一导线6。振动器安装在第一中空螺纹杆20的底部，振动器位于饱水土体层23中。振动器包括钢底座18、金属外壳17、电机15、偏心轮16。金属外壳17通过高强防水胶粘结在钢底座18上，金属外壳17与钢底座18密封连接形成一密封腔，为其内部的设备提供防护，电机15、偏心轮16位于密封腔内部。电机15的顶部通过螺丝19与钢底座18的底面固定连接。电机15底部的传动轴与偏心轮16连接固定，由于偏心轮16的重心在电机15传动轴的中心外侧，电机15转动会引起振动器的振动，振动频率f=p/60(Hz)，p为转速单位为（转/分钟）。钢底座18上设置有第一通孔，第一中空螺纹杆20的中空部分与第一通孔对齐，第一中空螺纹杆20与钢底座18的顶面固定密封连接。第一导线6的一端与电机15电连接，另一端依次穿过第一通孔、第一中空螺纹杆20与振动频率控制装置4电连接。第一中空螺纹杆20位于顶盖14的横向槽或纵向槽中。第一顶部螺帽12、第一底部螺帽13与第一中空螺纹杆20螺纹连接，第一顶部螺帽12位于顶盖14的顶面上，第一底部螺帽13位于顶盖14的底面上。第一中空螺纹杆20通过第一顶部螺帽12、第一底部螺帽13固定在顶盖14上。通过调节第一顶部螺帽12、第一底部螺帽13可以调节第一中空螺纹杆20插入饱水土体层23的深度，也就是说可以调节振动器插入饱水土体层23的深度。

至少一加速度传感器3设置在饱水土体层23中，用于采集饱水土体振动的变化。加速度传感器3为标准压电加速度传感器。第二中空螺纹杆24位于横向或纵向槽中。第二顶部螺帽25、第二底部螺帽26与第二中空螺纹杆螺纹连接，第二顶部螺帽25位于顶盖的顶面上，第二底部螺帽26位于顶盖的底面上。第二中空螺纹杆24通过第二顶部螺帽25、第二底部螺帽26固定在顶盖14上。加速度传感器3与第二中空螺纹杆24的底部固定连接。加速度传感器3中设置有第二导线27，第二导线27的一端穿过第二中空螺纹杆24与加速度信号采集装置5电连接。通过调节第二顶部螺帽25、第二底部螺帽26可以调节第二中空螺纹杆24插入饱水土体层23的深度，也就是说可以调节加速度传感器3插入饱水土体层23的深度。

振动频率控制装置4包括变压器7、电源导线8、频率控制器。其中变压器7用于将220v交流电转换为50v直流电，并通过电源导线8为频率控制器提供电源。频率控制器包括至少一个频率控制单元。在频率控制器包括两个以上的频率控制单元时，频率控制单元之间采用并联连接。频率控制单元包括依次电连接的接线柱9、频率显示表10、滑动变阻器11。接线柱9与第一导线6的另一端电连接。滑动变阻器11用以控制振动器的振动程度。

本实施例中电机15为直流电机。其转速与电流的关系遵守公式：

p=(U-IR)/Kφ 其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数系数。而振动频率f=p/60(Hz)。根据上述公式，可以得出振动频率的数据，可以将该振动频率的数据显示在频率显示表10上。通过拨动滑动变阻器可以改变振动频率，从而改变振动器的振动程度。

一种饱水土体局部振动液化试验的方法如下。

第一步：土体环境模拟箱1中铺一层石子层22，在石子层22再铺一层饱水土体层23，石子层22、饱水土体层23的厚度可以根据竖直边框上刻度确定。

第二步：在带有振动器的第一中空螺纹杆20上旋上第一底部螺帽13，将第一中空螺纹杆20放入横向槽或纵向槽中，并使第一底部螺帽13位于顶盖14的底面上，在第一中空螺纹杆20上旋上第一顶部螺帽12，使第一顶部螺帽12位于顶盖14的顶面上，通过第一顶部螺帽12、第一底部螺帽13调节振动器至顶盖14底面的距离，也就是调节振动器插入饱水土体层23的深度，并使第一中空螺纹杆20与顶盖14固定连接；在带有加速度传感器3的第二中空螺纹杆24上旋上第二底部螺帽26，将第二中空螺纹杆24放入横向槽或纵向槽中，并使第二底部螺帽26位于顶盖14的底面上，在第二中空螺纹杆24上旋上第二顶部螺帽25，使第二顶部螺帽25位于顶盖14的顶面上，通过第二顶部螺帽25、第二底部螺帽26调节加速度传感器3至顶盖14底面的距离，也就是调节加速度传感器3插入饱水土体层23的深度，并使第二中空螺纹杆24与顶盖14固定连接。

第三步：将顶盖14与箱体21对齐，将顶盖14往下压，使振动器及加速度传感器3插入饱水土体层23中，直至顶盖14与箱体21相接触，其目的在于使振动器及加速度传感器3在饱水土体中的深度达到设计要求。使用铁夹将顶盖14与箱体21夹紧，也可以使用其它已知的固定装置使顶盖14与箱体21固定连接。

第四步：使第一导线6与振动频率控制装置4连接，第二导线27与加速度信号采集装置5电连接。

第五步：使加速度信号采集装置5开始采集信号，调节滑动变阻器11至电阻最大值，接通振动频率控制装置4电源，调节滑动变阻器11使振动器的振动频率达到设计频率后开始试验。

第六步：试验结束后，断开振动频率控制装置4和加速度信号采集装置5的电源，使第一导线6与振动频率控制装置4断开连接，第二导线27与加速度信号采集装置5断开连接，最后松开铁夹，打开顶盖14取出振动装置2和加速度传感器3。

Claims (10)

1.一种饱水土体局部振动液化试验装置，其特征在于：包括土体环境模拟箱、振动装置、加速度传感器、振动频率控制装置、加速度信号采集装置，土体环境模拟箱包括开口朝上的箱体，箱体内从下往上依次设置有石子层、饱水土体层，至少一个振动装置设置在饱水土体层中，至少一加速度传感器设置在饱水土体层中，振动装置与振动频率控制装置电连接，加速度传感器与加速度信号采集装置电连接。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：振动装置包括振动器、第一中空螺纹杆，振动器安装在第一中空螺纹杆的底部，振动器位于饱水土体层中。

3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于：振动装置还包括第一导线，第一导线一端与振动器连接，另一端与振动频率控制装置连接。

4.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于：还包括第二中空螺纹杆，加速度传感器中设置有第二导线，加速度传感器安装在第二中空螺纹杆的底部，第二导线的一端穿过第二中空螺纹杆与加速度信号采集装置电连接。

5.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于：还包括第一顶部螺帽、第一底部螺帽、第二顶部螺帽、第二底部螺帽，土体环境模拟箱还包括顶盖，顶盖盖在箱体上，顶盖上设置有横向或者纵向的槽，第一中空螺纹杆、第二中空螺纹杆位于槽中，第一顶部螺帽、第一底部螺帽与第一中空螺纹杆螺纹连接，第一顶部螺帽位于顶盖的顶面上，第一底部螺帽位于顶盖的底面上，第二顶部螺帽、第二底部螺帽与第二中空螺纹杆螺纹连接，第二顶部螺帽位于顶盖的顶面上，第二底部螺帽位于顶盖的底面上。

6.根据权利要求5所述的试验装置，其特征在于：振动器还包括底座、外壳、电机、偏心轮，外壳与底座密封连接形成一密封腔，电机、偏心轮位于密封腔内部，电机顶部与底座的底面固定连接，电机传动轴与偏心轮连接，底座上设置有第一通孔，第一中空螺纹杆的中空部分与第一通孔对齐，第一中空螺纹杆与底座的顶面固定密封连接，第一导线的一端与电机电连接，另一端依次穿过第一通孔、第一中空螺纹杆与振动频率控制装置电连接。

7.根据权利要求6所述的试验装置，其特征在于：振动频率控制装置包括变压器、电源导线、频率控制器，变压器通过电源导线与频率控制器连接，频率控制器包括至少一个频率控制单元，频率控制单元包括依次电连接的接线柱、频率显示表、滑动变阻器，接线柱与第一导线的另一端电连接。

8.根据权利要求7所述的试验装置，其特征在于：还包括固定装置，固定装置使箱体与顶盖固定连接。

9.根据权利要求8所述的试验装置，其特征在于：固定装置为铁夹。

10.根据权利要求9所述装置的试验方法，其特征在于，

第一步：土体环境模拟箱中铺一层石子层，在石子层上再铺一层饱水土体层；

第二步：在带有振动器的第一中空螺纹杆上旋上第一底部螺帽，将第一中空螺纹杆放入槽中，并使第一底部螺帽位于顶盖的底面上，在第一中空螺纹杆上旋上第一顶部螺帽，使第一顶部螺帽位于顶盖的顶面上，通过第一顶部螺帽、第一底部螺帽调节振动器至顶盖底面的距离，并使第一中空螺纹杆与顶盖固定连接，在带有加速度传感器的第二中空螺纹杆上旋上第二底部螺帽，将第二中空螺纹杆放入槽中，并使第二底部螺帽位于顶盖的底面上，在第二中空螺纹杆上旋上第二顶部螺帽，使第二顶部螺帽位于顶盖的顶面上，通过第二顶部螺帽、第二底部螺帽调节加速度传感器至顶盖底面的距离，并使第二中空螺纹杆与顶盖固定连接；

第三步：将顶盖与箱体对齐，将顶盖往下压，使振动器及加速度传感器插入饱水土体层中，直至顶盖与箱体相接触，使用铁夹将顶盖与箱体夹紧；

第四步：使第一导线与振动频率控制装置电连接，第二导线与加速度信号采集装置电连接；

第五步：使加速度信号采集装置开始采集信号，调节滑动变阻器至电阻最大位置，接通频率控制器电源，调节滑动变阻器，将振动器的振动频率调节至设计频率。