CN108169453B - 一种地震管涌破坏时土体位移精确可视化试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

一种地震管涌破坏时土体位移精确可视化的试验装置和试验方法，装置包括：一供水装置，一透明模型箱，所述透明模型箱的高度低于所述供水装置的高度，透明模型箱的底部设有与供水装置相连通的接口；透明模型箱内等距布设有多个孔隙压力测量装置；一振动平台，用于安放所述透明模型箱；水头调节机构，用于调节所述供水装置的水头高度；数字观测系统。本发明将饱和透明土样和粒子图像处理技术相结合，解决了地震作用下土体管涌破坏时土体内部变形和位移场测量不连续和不可见的难题，从而实现了地震作用下管涌破坏过程可视化的目的。

Description

一种地震管涌破坏时土体位移精确可视化试验装置和试验 方法

技术领域

本发明涉及岩土工程可视化试验技术领域，特别涉及一种地震管涌破坏时土体位移精确可视化试验装置和试验方法。

背景技术

岩土工程是土木工程学科的分支，是一门涉及土力学、岩石力学、工程地质学等以解决各类实际工程中关于岩石、土等工程技术问题的学科，与人们的生活紧密相连。地震是指地壳快速释放能量过程中造成的振动，并且振动过程中会产生地震波的一种自然现象，地震既会引起各类建筑物、构筑物的倒塌，设备和设施的损坏，交通、通讯的中断等直接灾害，也会引起滑坡、泥石流、管涌等次生灾害，对经济社会发展带来了巨大的威胁。相关研究表明，对比于原状土，受到扰动的土体会在相对较小的渗透坡降下发生破坏，而地震管涌就是土体在地震扰动作用下最常见的一种破坏形式。地震管涌是指地震产生的地震波引起土体中应力的变化，使得在渗流作用下土体中的细土颗粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。强烈地震作用下时，地震诱发的管涌地质灾害，特别是在西南地区结构松散、岩性不连续、物理力学性质不均匀的深层覆盖层，其造成的经济损失和人员伤亡甚至比地震直接造成的还要大，因此地震所造成的管涌破坏是最为常见的、破坏力最大的次生灾害之一。

地震管涌因为其发生具有突然性和破坏性大等特点，所以对其进行研究比较困难。测量土体在各种应力状态下的变形，尤其是在地震作用下土体管涌破坏时土体内部的连续变形和位移场，一直是岩土工作者长期面临的问题。传统的方法是在原状土中预埋一些离散的传感器，但土体中的传感器不能提供土体内部的连续变形特征，而且易受到周围环境的影响，因此其结果往往是不准确的，并且由于土体的不透明性，限制了对其应力、应变的深入研究。研究人员曾经采用CT、X射线成像技术、核磁共振等方法来研究土体的连续变形和流动，但高昂的设备费和技术上的难点在很大程度上限制了这些技术的广泛应用。

目前已有学者提出将透明土技术应用到管涌试验中，但传统有关透明土的试验中，一般直接对所获得的散斑场照片进行分析，忽略了由于光线入射材料折射率的不同所导致的误差，由于管涌发生发展初期所涉及的局部颗粒运移是小变形，这种人为观测引起的误差会使得实际的土体位移与所观测到的位移相差甚远，对深入开展管涌发生发展机理的研究产生不利影响。因此基于透明土材料和数字图像处理技术，利用与透明土相同材料制成的参照格栅，提出一种既经济又切实可行的地震管涌破坏时土体位移精确可视化的试验装置和试验方法就显得尤为必要了。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足和缺陷，提出了一种地震管涌破坏时土体位移精确可视化的试验装置和试验方法，解决了地震作用下土体管涌破坏时土体内部变形、位移场测量的不连续和不可见难题，从而实现了地震作用下管涌破坏过程精确可视化模型试验的目的。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种地震管涌破坏时土体位移精确可视化的试验装置，包括：

一供水装置，供水装置的顶部设有进水口，供水装置的底部设有进水管，进水管上设有进水管水阀和流量计；

一透明模型箱，所述透明模型箱的高度低于所述供水装置的高度，透明模型箱的底部设有与供水装置上的进水管相连通的接口；透明模型箱内等距布设有多个孔隙压力测量装置；透明模型箱的底部设有预留空间，预留空间内设置多层卵石，多层卵石的上方设置有饱和透明土样；透明模型箱的顶部设有出水管，出水管上设有出水管水阀；

一振动平台，用于安放所述透明模型箱；

水头调节机构，用于调节所述供水装置的水头高度；

数字观测系统，包括CCD相机、扇面激光发射器以及参照格栅，其中，所述CCD相机安放在透明模型箱的正前方，所述扇面激光发射器安放在透明模型箱的右侧，所述参照格栅插设于所述饱和透明土样内部；

计算机，与所述流量计和CCD相机电连接。

所述水头调节机构包括：第一定滑轮、第二定滑轮、钢丝绳以及固定支架，其中，固定支架内位于固定支架顶部中间位置固定连接第一定滑轮，所述固定支架的外壁上与第一定滑轮同一高度处固定连接第二定滑轮，固定支架内部设置所述供水装置，供水装置的顶部连接钢丝绳的一端，钢丝绳另一端依次连接第一定滑轮、第二定滑轮后设置于固定支架的外部一侧。

所述的供水装置为供水箱，供水箱内设有与所述饱和透明土样具有相同折射率的孔隙液体。

所述固定支架的一侧侧边标有刻度。

一种基于所述地震管涌破坏时土体位移精确可视化的试验装置的试验方法，包括如下几个步骤：

S1、按照试验的参数要求制备好相应的饱和透明土样，将其置于透明模型箱中，并在其中插入参照格栅；

S2、在供水装置内注入与饱和透明土样具有相同折射率并添加荧光剂的孔隙流体；

S3、打开扇形激光发射器，待功率稳定后，调整激光切面的角度，使其垂直打入饱和透明土样，形成散斑场；

S4、调整CCD相机的可视范围，使其能够包含整个饱和透明土样，并设置其以振动平台荷载频率20倍以上来采集饱和透明土样图像并传送至计算机；

S5、保持供水装置内水位不变，通过水头调节机构调节供水装置水头高度，使得在试验过程中饱和透明土样的渗透水头保持不变；

S6、打开进水管水阀和出水管水阀，使得水头调节系统中与饱和透明土样具有相同折射率并添加荧光剂的孔隙流体通过多层软石进入透明模型箱，输入模拟地震荷载至振动平台，诱使饱和透明土样在地震荷载作用下发生管涌破坏，并将流量计的数据传输至计算机；

S7、渗流变形或管涌破坏过程中，饱和透明土样混合物由透明模型箱顶部的出水管排出；

S8、试验完成之后，通过粒子图像处理软件并结合参照格栅，分析所获得管涌破坏过程图片，得到在地震作用下土体管涌破坏时土体变形位移场。

所述参照格栅由熔融透明土制成。

所述的饱和透明土样采用正构烷烃类溶剂和矿物油的混合溶液与无定性硅制配形成。

所述的粒子图像处理软件采用geoPIV软件。

有益效果：

与其他研究土体管涌破坏的试验装置和试验方法相比具有以下显著的优点：

第一．试验模型简单，可操作性强，经济可行性高；

第二．本发明所采用的参照格栅，选择内置于透明土内部的安放方式，并且其组成材料与熔融透明土一致，避免了因折射率不同而导致光线穿过时存在的误差，可更直观地获得在地震管涌破坏过程中各截面与其对比的信息。

第三．本发明将振动平台引入到土体管涌破坏的研究领域，是具有开创性的，能够为开展地震荷载作用下土体管涌破坏时土体变形和运动的精确可视化研究提供一种很好的方法。

第四．本发明创新性地将透明土材料和粒子图像处理技术相结合，解决了地震作用下土体管涌破坏时土体内部变形和位移场测量不连续和不可见的难题，从而实现了地震作用下管涌破坏过程可视化的目的。

附图说明

图1为本发明一种地震管涌破坏时土体位移精确可视化的试验装置的结构示意图；

其中：1为定滑轮；2为钢丝绳；3为固定支架；4为进水口；5为供水装置；6为进水管；7为进水管水阀；8为CCD相机；9为透明模型箱；10为参照格栅；11为饱和透明土样；12为流量计；13为振动平台；14为扇面激光发射器；15为出水管水阀；16为出水管；17为多层卵石；18为计算机；19为孔隙压力测量装置。

具体实施方式

下面将结合具体实施例以及本发明实例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1所示，本发明一种地震管涌破坏时土体位移精确可视化的试验装置，包括：

一供水装置5，供水装置5的顶部设有进水口4，供水装置5的底部设有进水管6，进水管6上设有进水管水阀7和流量计12；

一透明模型箱9，所述透明模型箱9的高度低于所述供水装置5的高度，透明模型箱9的底部设有与供水装置5上的进水管6相连通的接口；透明模型箱9内等距布设有多个孔隙压力测量装置19；透明模型箱9的底部设有预留空间，预留空间内设置多层卵石17，多层卵石17的上方设置有饱和透明土样；透明模型箱9的顶部设有出水管16，出水管16上设有出水管水阀15；孔隙压力测量装置19为测压管；一振动平台13，用于安放所述透明模型箱9；水头调节机构，用于调节所述供水装置的水头高度；数字观测系统，包括CCD相机8、扇面激光发射器14以及参照格栅10，其中，所述CCD相机安放在透明模型箱的正前方，所述扇面激光发射器安放在透明模型箱的右侧，所述参照格栅插设于所述饱和透明土样内部；计算机，与所述流量计12和CCD相机8电连接。

作为本发明技术方案的一个优选实施例，所述水头调节机构包括：第一定滑轮、第二定滑轮、钢丝绳以及固定支架，其中，固定支架内位于固定支架顶部中间位置固定连接第一定滑轮，所述固定支架的外壁上与第一定滑轮同一高度处固定连接第二定滑轮，固定支架内部设置所述供水装置，供水装置的顶部连接钢丝绳的一端，钢丝绳另一端依次连接第一定滑轮、第二定滑轮后设置于固定支架的外部一侧。

作为本发明技术方案的一个优选实施例，所述的供水装置为供水箱，供水箱内设有与所述饱和透明土样具有相同折射率的孔隙液体。

作为本发明技术方案的一个优选实施例，所述固定支架的一侧侧边标有刻度。

采用本发明一种地震管涌破坏时土体位移精确可视化的试验装置进行试验的方法，包括以下几个步骤：

第一步：利用埃克森美孚公司的产品Norpar正构烷烃类溶剂和矿物油（Drakeol35）在一定温度下（本实例中为24℃）按一定质量比（本实例中为1:1）混合组成的孔隙流体与无定型硅搅拌直至均匀透明，制成饱和透明土样11，制备饱和透明土样11的过程中保持制备现场温度恒定、过程持续；在一个平整的场地内，安放振动平台13，场地内保持光线均匀，本实例中振动平台台面尺寸为1500（长）×700（宽）（单位：mm）；在振动平台上放置透明模型箱9，在本实例中透明模型箱15的尺寸为由树脂玻璃制成，透明模型箱15的尺寸为300（长）×150（宽）×450（高）（单位：mm），壁厚5mm。

透明模型箱9内等距布设的测压管19可以测得试验试样中不同渗径长度处的水头，进而可以计算出试样不同位置的压力梯度；透明模型箱9的底部预留一定空间，预留空间上设置多层卵石17，用以模拟真实条件下流体对于土体的冲击作用，透明模型箱15的顶部设置出水管16；出水管16上设有出水管水阀15；将配置好的饱和透明土样11分层放入透明模型箱9中，并在饱和透明土样11插入由熔融透明土制成的参照格栅10。

第二步：钢丝绳2通过定滑轮1利用可控自动装置调整供水装置5的高度，从而实现调节试验过程中供水水头的大小；供水装置5通过进水管6与透明模型箱9的底部相连；在供水装置5内注入与饱和透明土样11具有相同折射率并添加荧光剂的孔隙流体，供水装置5中的高度高于透明模型箱9的高度；在进水管6上设有流量计12和进水管水阀7，流量计12与计算机18相连，流量计12可以读取进水管6中的流体流量。

第三步：在透明模型箱9的正前方安放扇面激光发射器14，本实例中所采用的扇面激光发生器14是半导体片光源激光，功率为2V。打开扇面激光发生器14，调整激光切面的角度使得其垂直并对准透明模型箱9的中心轴打入饱和透明土样11，形成散斑场，扇面激光发生器14与透明模型箱9的外立面垂直相距450mm。

第四步：在透明模型箱9的左侧或者右侧安放CCD相机8，本实例中所采用的CCD相机8是德国Basler产品（scA1600-14fm），调整CCD相机8固定支架的高度和角度，使得CCD相机8的镜头对准透明模型箱9的外立面，获得较好的可视范围，使其能够包含整个饱和透明土样11，CCD相机8与计算机18相连，并设置其以振动平台荷载频率20倍来采集透明土图像并传送至计算机18，CCD相机8与透明模型箱9的外立面垂直相距250mm。

第五步：保持供水装置5内水位不变，通过调整钢丝绳1调节供水装置5的高度，使得在试验过程中饱和透明土样11的渗透水头保持不变。

第六步：打开进水管水阀7和出水管水阀15，使得供水装置5中与饱和透明土样11具有相应折射率并添加荧光剂的孔隙流体依次通过进水管6和多层卵石17进入透明模型箱9；输入模拟地震荷载至振动平台13，诱使饱和透明土样11在地震荷载作用下发生管涌破坏，CCD相机8采集在地震荷载作用土体发生管涌破坏时土体模型的激光散斑场；

第七步：饱和透明土样11在振动平台和渗透流体的双重作用下完成管涌破坏后，所得破坏后的混合物由出水管16排出，完成试验。

第八步：将采集到的饱和透明土样的激光散斑图像进行处理，在本实例中使用geoPIV软件采用图像数字相关的方法，得到土体颗粒运动的位移，然后通过geoPIV的应变求解函数，得到土体颗粒运动的应变。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种地震管涌破坏时土体位移精确可视化的试验方法，基于一种地震管涌破坏时土体位移精确可视化的试验装置，包括：

一供水装置，供水装置的顶部设有进水口，供水装置的底部设有进水管，进水管上设有进水管水阀和流量计；

一透明模型箱，所述透明模型箱的高度低于所述供水装置的高度，透明模型箱的底部设有与供水装置上的进水管相连通的接口；透明模型箱内等距布设有多个孔隙压力测量装置；透明模型箱的底部设有预留空间，预留空间内设置多层卵石，多层卵石的上方设置有饱和透明土样；透明模型箱的顶部设有出水管，出水管上设有出水管水阀；

一振动平台，用于安放所述透明模型箱；

水头调节机构，用于调节所述供水装置的水头高度；

数字观测系统，包括CCD相机、扇面激光发射器以及参照格栅，其中，所述CCD相机安放在透明模型箱的正前方，所述扇面激光发射器安放在透明模型箱的右侧，所述参照格栅插设于所述饱和透明土样内部；

计算机，与所述流量计和CCD相机电连接；

所述参照格栅由熔融透明土制成；其特征在于，包括如下几个步骤：

S1、按照试验的参数要求制备好相应的饱和透明土样，将其置于透明模型箱中，并在其中插入参照格栅；

S2、在供水装置内注入与饱和透明土样具有相同折射率并添加荧光剂的孔隙流体；

S3、打开扇形激光发射器，待功率稳定后，调整激光切面的角度，使其垂直打入饱和透明土样，形成散斑场；

S4、调整CCD相机的可视范围，使其能够包含整个饱和透明土样，并设置其以振动平台荷载频率20倍以上来采集饱和透明土样图像并传送至计算机；

S5、保持供水装置内水位不变，通过水头调节机构调节供水装置水头高度，使得在试验过程中饱和透明土样的渗透水头保持不变；

S6、打开进水管水阀和出水管水阀，使得水头调节系统中与饱和透明土样具有相同折射率并添加荧光剂的孔隙流体通过多层软石进入透明模型箱，输入模拟地震荷载至振动平台，诱使饱和透明土样在地震荷载作用下发生管涌破坏，并将流量计的数据传输至计算机；

S7、渗流变形或管涌破坏过程中，饱和透明土样混合物由透明模型箱顶部的出水管排出；

S8、试验完成之后，通过粒子图像处理软件并结合参照格栅，分析所获得管涌破坏过程图片，得到在地震作用下土体管涌破坏时土体变形位移场；

所述的供水装置为供水箱，供水箱内设有与所述饱和透明土样具有相同折射率的孔隙液体；

所述的饱和透明土样采用正构烷烃类溶剂和矿物油的混合溶液与无定性硅制配形成。

2.根据权利要求1所述的地震管涌破坏时土体位移精确可视化的试验方法，其特征在于，所述水头调节机构包括：第一定滑轮、第二定滑轮、钢丝绳以及固定支架，其中，固定支架内位于固定支架顶部中间位置固定连接第一定滑轮，所述固定支架的外壁上与第一定滑轮同一高度处固定连接第二定滑轮，固定支架内部设置所述供水装置，供水装置的顶部连接钢丝绳的一端，钢丝绳另一端依次连接第一定滑轮、第二定滑轮后设置于固定支架的外部一侧。

3.根据权利要求2所述的地震管涌破坏时土体位移精确可视化的试验方法，其特征在于，所述固定支架的一侧侧边标有刻度。

4.根据权利要求1所述的地震管涌破坏时土体位移精确可视化的试验方法，其特征在于，所述的粒子图像处理软件采用geoPIV软件。

Images