CN112557168B - 一种叠环式空心扭剪设备及其压力补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叠环式空心扭剪设备及其压力补偿方法，设备包括叠环盒与空心扭剪系统，叠环盒包括薄膜、顶帽、基座、测力传感器以及多个内叠环、外叠环和限制柱；多个内叠环的外侧壁与多个外叠环的内侧壁之间形成放置空心圆柱土样的空腔，薄膜包裹于空心圆柱土样的内外侧；顶帽上设有进水口，基座上设有通水阀门。压力补偿方法包括试验过程中同步调整内、外压力室水压至设定水压以抵消空心圆柱土样因受反压与施加的轴力而对内、外叠环产生的压力，且保证测力传感器所测压力值与所施加轴向压力值的比值不小于90％。本发明可使土样在不产生大变形的不同饱和状态下进行多重液化试验，最大限度消除土样与叠环间因接触摩擦而产生的边壁效应。

Description

一种叠环式空心扭剪设备及其压力补偿方法

技术领域

本发明涉及室内扭剪试验装置及其试验方法，特别涉及一种具有叠环的空心扭剪设备及其压力补偿方法。

背景技术

液化是指在地震中土壤刚度和强度急剧损失的现象。在过去的地震中，土壤液化造成了严重的结构破坏和地面破坏。1971年圣费尔南多地震中，下圣费尔南多大坝的溃坝就是由于土壤液化。在过去的50年里，大量的研究致力于通过实地观察、室内试验和数值模拟来理解复杂的土壤液化行为。

关于室内试验部分，目前已有的仪器(如三轴试验仪与扭剪试验仪)并不能进行多重液化试验，因为试验中所用于包裹试样的高弹性膜并不能保证试样在液化中不产生扭曲与大变形。为了克服该难题，2016年东京大学Wahyudi研发出了一款叠环剪切仪器，该仪器中叠环可以在进行扭剪试验时固定试样。刚性的叠环边界约束试样四周，保证了试样不会在加载液化的过程中发生大变形，于是同一试样可以在液化试验中进行反复加载固结。

但是，东京大学研发的叠环剪切装置仍旧存在一些较大的不足。特别是：

(1)试样与叠环之间由于直接接触而产生的摩擦会导致试件内部应力不均匀化。经测试，试验中试件的垂直方向摩擦角与四周摩擦角分别为1°与20°。大的摩擦角会大大的降低试样上所施加的轴向力，如果在试样顶部施加200KPa的有效垂直轴向应力，那么仅有约100KPa会传递到试样底部。

(2)液化试验土样是常体积量的干土，由于叠环设备透水，该试验土样均为干土，无法进行实际工程真实含水土样的液化试验。

发明内容

针对上述背景技术中现有技术的不足之处，本发明提出一种叠环式空心扭剪设备及其压力补偿方法，本发明的空心扭剪设备所述设备的薄膜1将空心圆柱状土样7内外壁分别包裹并与顶帽4、可排水基座5扎进密封，故可以使用不同含水量状态的土样进行试验；通过空心扭剪系统按照规定的压力补偿方法补偿土样与叠环间的压力，能最大限度的消除土样7与叠环因接触摩擦而产生的边壁效应，使得试验结果更准确根据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种叠环式空心扭剪设备，其特征在于，包括叠环盒与空心扭剪系统；

所述叠环盒包括薄膜、顶帽、基座、测力传感器以及多个内叠环、外叠环和限制柱，多个所述内叠环和外叠环分层叠放于基座和顶帽之间，且基座、顶帽和多个内叠环、外叠环均共圆心设置，多个内叠环的外侧壁与多个外叠环的内侧壁之间形成放置空心圆柱土样的空腔，薄膜包裹于空心圆柱土样的内外侧，且薄膜的上下端分别与顶帽和基座固定密封；顶帽上设有用于向空心圆柱土样充水的进水口，基座上设有控制叠环盒排水的通水阀门；多个限位柱圆周均布于基座和顶帽之间且与相应外叠环的外侧壁相接触，用于限制多个内叠环和外叠环的径向运动，相邻的内叠环和外叠环之间、顶部的内叠环和外叠环与顶帽之间、以及底部的内叠环和外叠环与基座之间均可沿空心圆柱土样轴线转动；测力传感器固定于基座上且位于空心圆柱土样底部；

所述空心扭剪系统，包括外压控制器、内压控制器、反压控制器、轴力扭矩控制单元、加载装置、压力室、反力架、数据采集单元和计算机控制单元；压力室内放置容纳有所述空心圆柱土样的叠环盒，空心圆柱土样将压力室划分为空心圆柱土样内外侧的内压力室与外压力室，内、外压力室均充满水；加载装置设置于压力室顶部，由通过反力架支撑的轴力扭矩控制单元控制，向叠环盒内的空心圆柱土样施加轴力和扭矩；内、外压控制器分别与内、外压力室连通，用于控制内、外压力室的水压，反压控制器与空心圆柱土样连通，用于控制施加给空心圆柱土样的反压，以便于空心圆柱土样在饱和固结的过程中排出内部空气；数据采集单元与外压控制器、内压控制器、反压控制器和轴力扭矩控制单元连接，将采集的外压力室和内压力室的水压、施加给空心圆柱土样的反压以及施加给空心圆柱土样的轴力和扭矩传输至计算机控制单元，计算机控制单元根据接收到的数据对叠环式空心扭剪设备进行压力补偿。

本发明还提出上述叠环式空心扭剪设备叠环式空心扭剪设备的压力补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)试验过程中通过外压控制器、内压控制器同步调整内、外压力室水压至设定水压P₀以抵消空心圆柱土样因受由反压控制器提供的反压P_反与由加载装置施加的轴力P_轴而对内、外叠环产生的压力；

设定水压P₀应随反压P_反与轴力P_轴的施加同步施加，计算公式为：

P₀＝K₀P_轴+P_反

其中，K₀为空心圆柱土样的横向固结系数，K₀＝1-sinθ，θ为空心圆柱土样的内摩擦角；

2)当同步调整内、外压力室水压至设定压力后，确保测力传感器所测压力值与所施加轴向压力值P_轴的比值不小于90％。

本发明的特点及有益效果：

1、本发明在空心扭剪中引入叠环，通过叠环固定支撑土样，使得土样不发生大变形，可反复进行扭剪液化试验；

2、本发明在有叠环的空心扭剪设备中引入橡皮膜，可进行不同饱和程度土样的扭剪液化试验；

3、本发明通过压力补偿，抵消因为引入叠环而产生的边壁效应，使得试验结果更为准确。

附图说明

图1为本发明实施例的一种叠环式空心扭剪设备的整体结构示意图；

图2为图1中叠环盒的结构示意图；

图3为叠环层与层间连接细部结构示意图；

图4为带孔的叠环细部结构示意图。

附图标记：

01：叠环盒；1：薄膜；2：内叠环；3：外叠环；4：顶帽；5：基座；6：测压传感器；7：土样；8：键槽；9：滚珠；10：限位柱；11：外压控制器；12：内压控制器；13：反压控制器；14：内压力室；15：外压力室；16：数据采集单元；17：轴力扭矩控制单元；18：计算机控制单元；19：孔；20：加载装置；21：进水口；22：通水阀门；23：压力室；24：反力架。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种叠环式空心扭剪设备及其压力补偿方法的应用实例。

参见图1，本发明实施例的一种叠环式空心扭剪设备，包括叠环盒01与空心扭剪系统。其中，

参见图2，叠环盒01包括薄膜1、顶帽4、基座5、测力传感器6以及多个内叠环2、外叠环3和限位柱10；多个内叠环2和外叠环3分层叠放于基座5和顶帽4之间，总体高度相同，且基座5、顶帽4和多个内叠环2、外叠环3均共圆心设置，多个内叠环2的外侧壁与多个外叠环3的内侧壁之间形成放置空心圆柱土样7的空腔，薄膜1包裹于空心圆柱土样7的内外侧，且薄膜1的上下端分别与顶帽4和基座5固定密封；顶帽4上设有第一进水口21，通过该进水口21向顶帽下方的空心圆柱土样7充水，基座5上设有通水阀门22，由该通水阀门22排出叠环盒01内的水，顶帽4和基座5的中心还设有圆孔，作为内压室的进出水口；多个限位柱10圆周均布于基座5和顶帽4之间且与相应外叠环3的外侧壁相接触，用于限制多个内叠环2和外叠环3的径向运动，相邻的内叠环2和外叠环3之间、顶部的内叠环2和外叠环3与顶帽4之间、以及底部的内叠环2和外叠环3与基座5之间均可沿空心圆柱土样7轴线转动；测力传感器6固定于基座5上且位于空心圆柱土样7底部，用于测量施加在土样7顶部的轴压力传递到土样7底部后的大小。

空心扭剪系统，本实施例采用型号为2Hz/20kN/200Nm GDS-HCA的空心圆柱/叠环循环剪切系统，该系统包括外压控制器11、内压控制器12、反压控制器13、轴力扭矩控制单元()17、加载装置20、压力室23、反力架24、数据采集单元16和计算机控制单元18。压力室23内放置容纳有空心圆柱土样7的叠环盒01，空心圆柱土样7将压力室23划分为空心圆柱土样7内侧的内压力室14与空心圆柱土样7外侧的外压力室15，内、外压力室均充满水。加载装置20设置于压力室23顶部，加载装置20由通过反力架24支撑的轴力扭矩控制单元17控制，向叠环盒01内的空心圆柱土样7施加轴力和扭矩；外压控制器11和内压控制器12分别与外压力室15和内压力室14连通，用于控制外压力室15和内压力室14的水压，反压控制器13与空心圆柱土样7连通，用于控制施加给空心圆柱土样7的反压，以便于空心圆柱土样7在饱和固结的过程中排出内部空气。数据采集单元16与外压控制器11、内压控制器12、反压控制器13和轴力扭矩控制单元17连接，将采集的外压力室15和内压力室14的水压、施加给空心圆柱土样7的反压以及施加给空心圆柱土样7的轴力和扭矩传输至计算机控制单元18，计算机控制单元18根据接收到的数据对叠环式空心扭剪设备进行压力补偿。

进一步地，参见图3，各内叠环2与外叠环3的上下表面均分别设置有键槽8(图3中示意的为外叠环3上表面设置的键槽8及滚珠9)，键槽8中放置滚珠9，使得分层叠放好的叠环之间互不接触且能在空心扭剪系统控制下随空心圆柱土样7发生扭剪。

进一步地，分层叠环间的层间空隙不应大于0.1mm保证在给空心圆柱土样7施加压力的时候土样会变形不会卡进叠环的空隙中。

进一步地，参见图4的(a)、(b)，可在分层叠放好的内、外叠环的每一层叠环开设穿透叠环内外两侧的水平孔19，有利于将压力室15的水压传递至土样的薄膜1上，以便更好地进行(水)压力补偿。

本发明实施例还提出上述叠环式空心扭剪设备的压力补偿方法，包括以下步骤：

1)试验过程中通过外压控制器11、内压控制器12同步调整内、外压力室水压(内、外压力室的水压始终保持相同)至设定水压P₀以抵消空心圆柱土样7因受由反压控制器13提供的反压P_反与由加载装置20施加的轴力P_轴而对内、外叠环产生的压力，达到最大程度消除边壁效应。

设定水压P₀应随反压P_反与轴力P_轴的施加同步施加，具体按照以下公式计算大小为：

P₀＝K₀P_轴+P_反

其中，K₀为空心圆柱土样7的横向固结系数，大小为：K₀＝1-sinθ，θ为空心圆柱土样7的内摩擦角。反压P_反大小一般为50～100kPa。

2)当同步调整内、外压力室水压至设定压力后，需观察测力传感器6的数值，确保测力传感器6所测压力值与所施加轴向压力值P_轴的比值不小于90％，得到固结的空心圆柱土样，而用于后续的液化试验。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于叠环式空心扭剪设备的压力补偿方法，其特征在于，所述叠环式空心扭剪设备包括叠环盒与空心扭剪系统；

所述叠环盒包括薄膜、顶帽、基座、测力传感器以及多个内叠环、外叠环和限制柱，多个所述内叠环和外叠环分层叠放于基座和顶帽之间，且基座、顶帽和多个内叠环、外叠环均共圆心设置，多个内叠环的外侧壁与多个外叠环的内侧壁之间形成放置空心圆柱土样的空腔，薄膜包裹于空心圆柱土样的内外侧，且薄膜的上下端分别与顶帽和基座固定密封；顶帽上设有用于向空心圆柱土样充水的进水口，基座上设有控制叠环盒排水的通水阀门；多个限位柱圆周均布于基座和顶帽之间且与相应外叠环的外侧壁相接触，用于限制多个内叠环和外叠环的径向运动，相邻的内叠环和外叠环之间、顶部的内叠环和外叠环与顶帽之间、以及底部的内叠环和外叠环与基座之间均可沿空心圆柱土样轴线转动；测力传感器固定于基座上且位于空心圆柱土样底部；

所述空心扭剪系统，包括外压控制器、内压控制器、反压控制器、轴力扭矩控制单元、加载装置、压力室、反力架、数据采集单元和计算机控制单元；压力室内放置容纳有所述空心圆柱土样的叠环盒，空心圆柱土样将压力室划分为空心圆柱土样内外侧的内压力室与外压力室，内、外压力室均充满水；加载装置设置于压力室顶部，由通过反力架支撑的轴力扭矩控制单元控制，向叠环盒内的空心圆柱土样施加轴力和扭矩；内、外压控制器分别与内、外压力室连通，用于控制内、外压力室的水压，反压控制器与空心圆柱土样连通，用于控制施加给空心圆柱土样的反压，以便于空心圆柱土样在饱和固结的过程中排出内部空气；数据采集单元与外压控制器、内压控制器、反压控制器和轴力扭矩控制单元连接，将采集的外压力室和内压力室的水压、施加给空心圆柱土样的反压以及施加给空心圆柱土样的轴力和扭矩传输至计算机控制单元，计算机控制单元根据接收到的数据对叠环式空心扭剪设备进行压力补偿；

所述压力补偿方法包括以下步骤：

1)试验过程中通过外压控制器、内压控制器同步调整内、外压力室水压至设定水压P₀以抵消空心圆柱土样因受由反压控制器提供的反压P_反与由加载装置施加的轴力P_轴而对内、外叠环产生的压力；

设定水压P₀应随反压P_反与轴力P_轴的施加同步施加，计算公式为：

P₀＝K₀P_轴+P_反

其中，K₀为空心圆柱土样的横向固结系数，K₀＝1-sinθ，θ为空心圆柱土样的内摩擦角；

2)当同步调整内、外压力室水压至设定压力后，确保测力传感器所测压力值与所施加轴向压力值P_轴的比值不小于90％。

2.根据权利要求1所述的压力补偿方法，其特征在于，所述反压P_反取为50～100kPa。

3.根据权利要求1所述的压力补偿方法，其特征在于，各内叠环与外叠环的上下表面均分别设置有键槽，键槽中放置滚珠。

4.根据权利要求1所述的压力补偿方法，其特征在于，相邻叠环间的层间空隙不大于0.1mm。

5.根据权利要求1所述的压力补偿方法，其特征在于，各叠环上均开设穿透相应叠环内外两侧的水平孔。

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