CN111257135A - 离心场中测量可液化土剪切流变性质的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种剪切流变性质测量试验装置及方法，用于在离心场中测量可液化土在高速剪切条件下剪切流变性质，其中装置包括：包括第一计算机、第二计算机、伺服驱动器、剪切流变模块、模型箱和数据采集模块，第一计算机位于控制室中，并通过通信模块连接位于离心机室中的第二计算机，伺服驱动器的输入端连接第二计算机，输出端连接剪切流变模块中的伺服电机，剪切流变模块通过连接支架安装在模型箱上，数据采集模块连接模型箱；第一计算机通过通信模块远程访问第二计算机，进而控制伺服驱动器驱动剪切流变模块中的伺服电机以不同的转速工作，由数据采集模块记录伺服电机不同工作转速下的试验数据。与现有技术相比，本发明具有可以高速试验等优点。

Description

离心场中测量可液化土剪切流变性质的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及土工离心机技术领域，尤其是涉及一种离心场中测量可液化土剪切流变性质的试验装置及方法。

背景技术

我国地处环太平洋地震带和地中海-喜马拉雅地震带的交界，地震频发。地震诱发的无黏性土液化是指超孔隙水压力在地震荷载作用下急剧上升，土体强度丧失，在外荷载作用下剧烈变形的岩土灾害。其中可液化边坡的破坏过程具有变形速率快，最终变形大等显著特点。模拟土体地震液化破坏过程中的高速、远程特点，对其力学性质展开研究极其必要。

国内外学者对地震液化展开了较多的研究，其中一种常用的研究手段即为岩土离心模型试验技术。离心模拟的原理是利用离心机自转产生的离心力模拟N倍于地球重力加速度的g值(N为缩尺比例)，使得模型土体承受与真实环境相当的应力水平，因此岩土离心模拟实验较常规重力模型试验能够更好地反映真实工程条件下液化土体的高速远程剪切流变性质。

近年来，基于岩土离心模拟技术展开的土体液化相关的研究越来越多，相关的离心模型试验附属设备的性能也得到了较快的提高。但是在高速旋转、电磁干扰较大、人员无法直接操作的离心场中，常规重力条件下操作简单的剪切流变测试不具备可操作性。

例如中国专利CN 103543098 B公开了一种用于高速远程滑坡裹气流变特性研究的剪切流变装置，主要包括风机、输风管线、支架、动力装置、风室、第一布风板、第二布风板、内筒、外筒、称重传感器、扭矩传感器、转速传感器及摄像装置。该流变装置通过传感器所监测试样在裹气下剪切流变的定量化数据，实现对不同风量和转速下试样的剪切流变特性的定量化研究，为高速远程滑坡的动力学特性提供力学支持参数。该试验系统实现了常规重力条件下裹气岩土体剪切流变性质的测试，但受到系统密封性的影响，该系统在较难应用于饱和土体领域；同时，该系统仅考虑给岩土体施加单一剪切荷载，而无法模拟地震作用下土体力学性质的改变。

再如中国专利CN 103543098 B则公开了一种海底沉积物液化后流变特性原位测量装置，包括十字板头、连杆、扭矩传感器、电机、角位移传感器和控制模块。该发明可将十字板探头直接插入到待测土体中，用于对待测土体的液化流变特性展开原位测试，该测量装置实现了在现场对液化土体的剪切流变性质展开原位测量。但是该系统操作较为复杂，较难预测到地震的来临，并同时开启测量系统；同时，测试现场的地层条件复杂多变，难以对单一变量的影响展开精细的研究。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种离心场中测量可液化土剪切流变性质的试验装置及方法，结合液化土体破坏的高速远程特点，提出了一套离心场中液化土体高速剪切流变性质的测试装置及其操作方法，以填补土工离心模型试验在地震液化高速远程致灾方面的空白。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种离心场中测量可液化土剪切流变性质的试验装置，用于在离心场中测量可液化土在高速剪切条件下剪切流变性质，包括第一计算机、第二计算机、伺服驱动器、剪切流变模块、模型箱和数据采集模块，所述第一计算机位于控制室中，并通过通信模块连接位于离心机室中的第二计算机，所述伺服驱动器的输入端连接第二计算机，输出端连接剪切流变模块中的伺服电机，所述剪切流变模块通过连接支架安装在模型箱上，所述数据采集模块连接模型箱；

第一计算机通过通信模块远程访问第二计算机，进而控制伺服驱动器驱动剪切流变模块中的伺服电机以不同的转速工作，由所述数据采集模块记录伺服电机不同工作转速下的试验数据。

所述剪切流变模块还包括金属外壳，以及依次连接减速器、上联轴器、动态扭矩传感器、下联轴器和旋转探头，所述减速器的输入端连接伺服电机，所述动态扭矩传感器通过扭矩传感器固定支架安装于金属外壳中，所述旋转探头通过轴承支座安装于金属外壳外表面，所述上联轴器、动态扭矩传感器和下联轴器均位于金属外壳中，所述减速器固定于金属外壳外表面，且输出轴穿过金属外壳与上联轴器连接，所述金属外壳通过连接支架安装在模型箱上。

所述旋转探头的端部为金属球。

所述旋转探头通过轴键与下联轴器连接。

所述通信模块包括：

第一电力线通讯调制解调器，其输入端通过第一网线与第一计算机连接，输出端通过第一电力线与控制室内的电滑环接线端口相连接，用于将第一计算机产生的弱电信号转换为交流电力信号，

第二电力线通讯调制解调器，其输入端通过第二电力线与位于离心机室中的离心机主轴电滑环和航空插头连接，输出端通过第二网线与第二计算机连接，用于将交流电力信号转换为弱电信号，其中，所述离心机主轴电滑环和航空插头与穿过墙壁的连接器与电滑环接线端口连接；

所述第二电力线通讯调制解调器、第二计算机和伺服驱动器均通过螺栓和连接件固定于近离心机中心转轴处的安装平台上，与安装模型箱的振动台绕离心机中心轴同步旋转。

所述伺服驱动器的供电口依次通过第四电力线离心机主轴电滑环和航空插头、电滑环接线端口和第三电力线、电源开关连接供电电源。

所述模型箱包括模型箱主体、模型箱底座和四根支撑立柱，所述模型箱主体为金属长方体箱，内部为设有孔隙水压力传感器、加速度传感器和土压力传感器的饱和水平可液化土地基模型，该模型箱主体固定于模型箱底座上，四根支撑立柱位于模型箱主体四周，且底端安装在模型箱底座，顶端通过连接支架固定剪切流变模块，所述水平可液化土地基模型中的各传感器均与数据采集模块连接。

所述模型箱主体为层状剪切箱。

一种如上述的离心场中测量可液化土剪切流变性质的试验装置的试验方法，包括：

步骤S1：在模型箱主体内制备模型地基，将剪切流变模块通过连接支架固定在模型箱上，再将模型箱吊装至离心机振动台的台面；

步骤S2：在离心机室内，将伺服电机驱动器、第二计算机、第二电力线通讯调制解调器固定在离心机上；

步骤S3：建立第一计算机至第二计算机的通信连接；

步骤S4：启动离心机，启动数据采集模块，设定好伺服电机的工作转速，启动剪切流变模块，施加振动使地基模型达到液化状态，记录各传感器采集到的试验数据；

步骤S5：通过在第一计算机上发送控制命令来更改伺服电机的工作转速来实现不同剪切速率下土体剪切流变性质的研究。

步骤S6：分析数据采集模块所采集到的孔压、加速度、土压力和扭矩数据，计算土体在不同剪切速率下的剪切流变性质。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)填补了离心场中土体高速剪切流变特性测试领域的空白，试验系统具有自动化程度高，性能可靠等特点，可在高离心场环境下正常工作。

2)利用通讯系统向伺服电机驱动器发送命令，可将伺服电机设置为扭矩控制模式或速度控制模式，进而可研究常剪切应力控制或常剪切速率控制模式下土体的剪切流变性质。

3)剪切流变系统在速度伺服模式下的转速可在较大范围调节，从而实现较大剪切速率变化幅度内剪切流变性质的测试与研究；

4)通讯模块和控制模块的抗电磁干扰能力强，能够较好地克服离心场中存在的强电磁干扰，进而保证整个系统的工作可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的实验装置总体示意图

图2为本发明实施例的模型箱与剪切流变装置三维示意图

图3为本发明实施例的剪切流变装置的三维示意图

图4为本发明实施例的剪切流变装置的左视图

图5为本发明实施例的剪切流变装置正视图

图6为本发明实施例的动态扭矩传感器固定支架三维示意图

图7为本发明实施例的旋转剪切流变探头三维示意图

其中：3、剪切流变模块，4、连接支架，5、模型箱，6、数据采集模块，101、第一计算机，102、第一网线，103、第一电力线通讯调制解调器，104、第一电力线，105、第二电力线，106、第二电力线通讯调制解调器，107、第二网线，108、第二计算机，109、电滑环接线端口，1010、离心机主轴电滑环和航空插头，201、电源开关，202、第三电力线，203、第四电力线，204、伺服电机驱动器，205、伺服电机电力线和编码线，206、USB线，301、伺服电机，302、减速器，303、金属外壳，304、上联轴器，305、动态扭矩传感器，306、下联轴器，307、轴承支座，308、旋转探头，309、扭矩传感器固定支架，501、模型箱主体，502、模型箱底座，503-1，503-2，503-3，503-4均为支撑立柱，

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种离心场中测量可液化土剪切流变性质的试验装置，用于在离心场中测量可液化土在高速剪切条件下剪切流变性质，如图1～图7所示，包括第一计算机101、第二计算机108、伺服驱动器204、剪切流变模块3、模型箱5和数据采集模块6，第一计算机101位于控制室中，并通过通信模块连接位于离心机室中的第二计算机108，伺服驱动器204的输入端通过USB线206连接第二计算机108，输出端通过伺服电机电力线和编码线205连接剪切流变模块3中的伺服电机301，剪切流变模块3通过连接支架4安装在模型箱5上，数据采集模块6连接模型箱5；

第一计算机101通过通信模块远程访问第二计算机108，进而控制伺服驱动器204驱动剪切流变模块3中的伺服电机301以不同的转速工作，由数据采集模块6记录伺服电机301不同工作转速下的试验数据。

剪切流变模块3还包括金属外壳303，以及依次连接减速器302、上联轴器304、动态扭矩传感器305、下联轴器306和旋转探头308，减速器302的输入端连接伺服电机301，且伺服电机301通过螺栓固定在减速器302上，动态扭矩传感器305通过扭矩传感器固定支架309安装于金属外壳303中，旋转探头308通过轴承支座307安装于金属外壳303外表面，上联轴器304、动态扭矩传感器305和下联轴器306均位于金属外壳303中，用于监测实验过程中扭矩情况，上联轴器304的上端与减速器302的转轴相连接，上联轴器304的下端与动态扭矩传感器305的上转轴通过轴键相连接，减速器302通过螺栓固定于金属外壳303外表面，且输出轴穿过金属外壳303与上联轴器304连接，金属外壳303通过连接支架4安装在模型箱5上。

旋转探头308材质为金属，端部为金属球。进一步地，旋转探头308通过螺栓固定于轴承支座307上，且能保证灵活转动。轴承支座307通过螺栓固定于剪切流变模块金属外壳303上。旋转探头308通过轴键与下联轴器306的下端相连接。进一步，钢球的规格可更改，以满足不同试验的需求。

通信模块包括：

第一电力线通讯调制解调器103，其输入端通过第一网线102与第一计算机101连接，输出端通过第一电力线104与控制室内的电滑环接线端口109相连接，用于将第一计算机101产生的弱电信号转换为交流电力信号，

第二电力线通讯调制解调器106，其输入端通过第二电力线105与位于离心机室中的离心机主轴电滑环和航空插头1010连接，输出端通过第二网线107与第二计算机108连接，用于将交流电力信号转换为弱电信号，其中，离心机主轴电滑环和航空插头1010与穿过墙壁的连接器与电滑环接线端口109连接；

第二电力线通讯调制解调器106、第二计算机108和伺服驱动器204均通过螺栓和连接件固定于近离心机中心转轴处的安装平台上，与安装模型箱5的振动台绕离心机中心轴同步旋转。

伺服驱动器204的供电口依次通过第四电力线203离心机主轴电滑环和航空插头1010、电滑环接线端口109和第三电力线202、电源开关201连接供电电源。

连接支架4包括两根金属条和四件L型金属构件。作为举例而非限定，可以在本实施例中将L型构件的边长设置为120mm，高度40mm，厚度20mm；金属条的长度500mm，厚度为20mm，高度40mm。螺纹孔规格M10。

进一步，金属条401-1、401-2和L型构件402-1、402-2、402-3、402-4的适当位置设置有螺纹孔。作为举例而非限定，可以在本实施例中将螺纹孔规格设置为M10。

模型箱5包括模型箱主体501、模型箱底座502和四根支撑立柱，模型箱主体501为金属长方体箱，内部为设有孔隙水压力传感器、加速度传感器和土压力传感器的饱和水平可液化土地基模型，该模型箱主体501固定于模型箱底座502上，四根支撑立柱位于模型箱主体501四周，且底端安装在模型箱底座502，顶端通过连接支架4固定剪切流变模块3，水平可液化土地基模型中的各传感器均与数据采集模块6连接。模型箱主体501的材质可设置为高强度铝合金，作为举例而非限定，可以在本实施例中将模型箱底座502的宽度设置为800mm，长度600mm，厚度50mm，圆孔的直径20mm，四根支撑立柱503-1、503-2、503-3、503-4在模型箱主体501的顶面延伸出一定的高度，其内侧设有与连接支架4相匹配的螺纹孔。作为举例而非限定，可以在本实施例中将螺纹孔的规格设置为M10。

模型箱主体501为层状剪切箱。

模型地基应为具有一定密实度的水平饱和可液化土地基。进一步地，模型地基内部设有加速度传感器、孔隙水压力传感器、土压力传感器等测试原件。

进一步，数据采集模块6可以采集并储存实验过程中模型地基的孔隙水压力、土压力、加速度和扭矩传感器所采集到的实验数据，并将其储存，便于后续对试验结果的进一步处理与分析。

一种如上述的离心场中测量可液化土剪切流变性质的试验装置的试验方法，包括：

步骤S1：在模型箱主体501内制备模型地基，将剪切流变模块3通过连接支架4固定在模型箱支撑立柱503-1、503-2、503-3、503-4上，再将模型箱5吊装至离心机振动台的台面；

步骤S2：在离心机室内，将伺服电机驱动器204、第二计算机108、第二电力线通讯调制解调器106固定在离心机上；利用USB线206连接伺服电机驱动器204与第二计算机108，利用第二电力线105、第二网线107连接离心机主轴电滑环和航空插头1010、第二计算机108、第二电力线通讯调制解调器106；利用电力线和编码线205连接伺服电机驱动器204和伺服电机30；

步骤S3：在控制室内，利用第一网线102和第一电力线104连接第一计算机101和电滑环接线端口109。局域网通讯建立成功之后，建立第一计算机101与第二计算机108之间的远程控制，进而向伺服电机驱动器发送设备调试的控制代码。优选地，控制代码符合Modbus通讯协议；

步骤S4：启动离心机，启动数据采集模块6，设定好伺服电机的工作转速，启动剪切流变模块3，施加振动使地基模型达到液化状态，记录各传感器采集到的试验数据；

步骤S5：通过在第一计算机101上发送控制命令来更改伺服电机301的工作转速来实现不同剪切速率下土体剪切流变性质的研究。

步骤S6：分析数据采集模块6所采集到的孔压、加速度、土压力和扭矩数据，计算土体在不同剪切速率下的剪切流变性质。

Claims (9)

1.一种离心场中测量可液化土剪切流变性质的试验装置，其特征在于，用于在离心场中测量可液化土在高速剪切条件下剪切流变性质，包括第一计算机(101)、第二计算机(108)、伺服驱动器(204)、剪切流变模块(3)、模型箱(5)和数据采集模块(6)，所述第一计算机(101)位于控制室中，并通过通信模块连接位于离心机室中的第二计算机(108)，所述伺服驱动器(204)的输入端连接第二计算机(108)，输出端连接剪切流变模块(3)中的伺服电机(301)，所述剪切流变模块(3)通过连接支架(4)安装在模型箱(5)上，所述数据采集模块(6)连接模型箱(5)；

第一计算机(101)通过通信模块远程访问第二计算机(108)，进而控制伺服驱动器(204)驱动剪切流变模块(3)中的伺服电机(301)以不同的转速工作，由所述数据采集模块(6)记录伺服电机(301)不同工作转速下的试验数据。

2.根据权利要求1所述的一种离心场中测量可液化土剪切流变性质的试验装置，其特征在于，所述剪切流变模块(3)还包括金属外壳(303)，以及依次连接减速器(302)、上联轴器(304)、动态扭矩传感器(305)、下联轴器(306)和旋转探头(308)，所述减速器(302)的输入端连接伺服电机(301)，所述动态扭矩传感器(305)通过扭矩传感器固定支架(309)安装于金属外壳(303)中，所述旋转探头(308)通过轴承支座(307)安装于金属外壳(303)外表面，所述上联轴器(304)、动态扭矩传感器(305)和下联轴器(306)均位于金属外壳(303)中，所述减速器(302)固定于金属外壳(303)外表面，且输出轴穿过金属外壳(303)与上联轴器(304)连接，所述金属外壳(303)通过连接支架(4)安装在模型箱(5)上。

3.根据权利要求2所述的一种离心场中测量可液化土剪切流变性质的试验装置，其特征在于，所述旋转探头(308)的端部为金属球。

4.根据权利要求2所述的一种离心场中测量可液化土剪切流变性质的试验装置其特征在于，所述旋转探头(308)通过轴键与下联轴器(304)连接。

5.根据权利要求1所述的一种离心场中测量可液化土剪切流变性质的试验装置，其特征在于，所述通信模块包括：

第一电力线通讯调制解调器(103)，其输入端通过第一网线(102)与第一计算机(101)连接，输出端通过第一电力线(104)与控制室内的电滑环接线端口(109)相连接，用于将第一计算机(101)产生的弱电信号转换为交流电力信号，

第二电力线通讯调制解调器(106)，其输入端通过第二电力线(105)与位于离心机室中的离心机主轴电滑环和航空插头(1010)连接，输出端通过第二网线(107)与第二计算机(108)连接，用于将交流电力信号转换为弱电信号，其中，所述离心机主轴电滑环和航空插头(1010)与穿过墙壁的连接器与电滑环接线端口(109)连接；

所述第二电力线通讯调制解调器(106)、第二计算机(108)和伺服驱动器(204)均通过螺栓和连接件固定于近离心机中心转轴处的安装平台上，与安装模型箱(5)的振动台绕离心机中心轴同步旋转。

6.根据权利要求5所述的一种离心场中测量可液化土剪切流变性质的试验装置，其特征在于，所述伺服驱动器(204)的供电口依次通过第四电力线(203)离心机主轴电滑环和航空插头(1010)、电滑环接线端口(109)和第三电力线(202)、电源开关(201)连接供电电源。

7.根据权利要求5所述的一种离心场中测量可液化土剪切流变性质的试验装置，其特征在于，所述模型箱(5)包括模型箱主体(501)、模型箱底座(502)和四根支撑立柱，所述模型箱主体(501)为金属长方体箱，内部为设有孔隙水压力传感器、加速度传感器和土压力传感器的饱和水平可液化土地基模型，该模型箱主体(501)固定于模型箱底座(502)上，四根支撑立柱位于模型箱主体(501)四周，且底端安装在模型箱底座(502)，顶端通过连接支架(4)固定剪切流变模块(3)，所述水平可液化土地基模型中的各传感器均与数据采集模块(6)连接。

8.根据权利要求7所述的一种离心场中测量可液化土剪切流变性质的试验装置，其特征在于，所述模型箱主体(501)为层状剪切箱。

9.一种如权利要求7中任一所述的离心场中测量可液化土剪切流变性质的试验方法，其特征在于，包括：

步骤S1：在模型箱主体(501)内制备模型地基，将剪切流变模块(3)通过连接支架(4)固定在模型箱(5)上，再将模型箱(5)吊装至离心机振动台的台面；

步骤S2：在离心机室内，将伺服电机驱动器(204)、第二计算机(108)、第二电力线通讯调制解调器(106)固定在离心机上；

步骤S3：建立第一计算机(101)至第二计算机(108)的通信连接；

步骤S4：启动离心机，启动数据采集模块(6)，设定好伺服电机的工作转速，启动剪切流变模块(3)，施加振动使地基模型达到液化状态，记录各传感器采集到的试验数据；

步骤S5：通过在第一计算机(101)上发送控制命令来更改伺服电机(301)的工作转速来实现不同剪切速率下土体剪切流变性质的研究。

步骤S6：分析数据采集模块(6)所采集到的孔压、加速度、土压力和扭矩数据，计算土体在不同剪切速率下的剪切流变性质。

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