CN115407047A - 一种室内模拟土体液化的实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种室内模拟土体液化的实验装置及实验方法，主水箱内放置试验土样，在主水箱的一侧箱壁上安装连接管，连接管呈L型，连接管的垂直部分主水箱底面垂直；在主水箱的底面垂直安装孔压计；橡胶管的一端与动压力水箱的封闭端连通，橡胶管的另一端伸入连接管的垂直部分内；推波板由动压力水箱的开口端嵌入，且推波板的板面平行于动压力水箱的封闭端，联动杆的一端垂直固定在推波板的中心，联动杆的另一端穿设水平滑道且通过不锈钢接头与连接杆的一端固定，连接杆的另一端固定在转轮上，转轮的中心套设在电机的电机轴上；本发明将土体液化这一抽象概念进行教学试验演示，具有可操作性、成本低、方便快捷以及可重复演示等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种室内模拟土体液化的实验装置及实验方法，属于在海洋工程设施建设和使用过程中涉及的土体液化实验模拟领域。
背景技术
我们生活的地球处于一个广泛的振动环境之中，包括海浪、地震和大气环流等自然因素产生的振动和各种人类活动引起的振动，如建筑施工、铁路和公路交通、工业和爆破等。而在海洋工程设施建设和使用中，波浪荷载引起的海床液化是容易发生的。土体液化(英语：Soil liquefaction)是指土体因外部循环荷载作用，造成土体内孔隙水压力上升，土骨架颗粒间的有效应力下降为零，土体失去剪应力强度，呈现液体形态。液化时砂与水混和成如泥浆般的液体，使土壤失去支撑力，造成房屋倾斜、地层下陷、地下管线破裂或上浮。
现有技术“一种土壤液化灾害的模拟演示装置”(CN 110534005 B)提供了一种关于对土体液化的模拟结构，但是其仅是对液化现象的表象展示，并不能真实模拟真实土体液化的发生；“一种模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置”(CN 106706266B)提出了一种模拟波浪荷载的方法，但并未包括真实波浪荷载与土体液化；“一种大比尺水槽造波机导轨滑块配合位姿自适应机构”(CN 112414670 A)提供了一种大比尺造波的导轨机构发明，虽然此种机构能够以铰轴为中心转动以适应导轨水平误差的影响，但上述装置安装结构复杂，操作较繁琐；以及“一种推波板式造波机及其工作方法”(CN 114235337 A)提出了一种造波方法，此装置虽能够平稳造波，但受场地限制较大，且对基础有一定的要求。
因此亟需一种新型的关于土体液化的模拟装置，来解决上述难题。
发明内容
本发明提供一种室内模拟土体液化的实验装置及实验方法，将土体液化这一抽象概念进行教学试验演示，具有可操作性、成本低、方便快捷以及可重复演示等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种室内模拟土体液化的实验装置，包括主水箱、动压力水箱、水平滑道、连接杆以及转轮，主水箱内放置试验土样，在主水箱的一侧箱壁上安装连接管，前述的连接管呈L型，连接管的垂直部分主水箱底面垂直；在主水箱的底面垂直安装孔压计；
橡胶管的一端与动压力水箱的封闭端连通，橡胶管的另一端伸入连接管的垂直部分内；
推波板由动压力水箱的开口端嵌入，且推波板的板面平行于动压力水箱的封闭端，联动杆(9)的一端垂直固定在推波板的中心，联动杆(9)的另一端穿设水平滑道且通过不锈钢接头与连接杆的一端固定，连接杆的另一端固定在转轮上，转轮的中心套设在电机的电机轴上；其中，连接杆的长度大于转轮的直径；
连接管内水面高度高于主水箱内水面高度，连接杆的另一端位于转轮的初始点与转轮的圆心连接线垂直于地面；
启动电机，转轮带动连接杆推拉推波板，连接管内的水面发生循环上升和下降，对试验土样表面施加荷载，模拟对试验土样的波浪压力；
基于所述室内模拟土体液化的实验装置的实验方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：打开主水箱的开口端，在主水箱的底面垂直安装孔压计；
步骤S2：将试验土样均匀放置在主水箱的底部，同时向主水箱内注入水，主水箱内水面低于连接管与箱壁的连接处，静置试验土样；
步骤S3：将连接管的横向部分粘合在主水箱的箱壁上，向连接管内注水，直至连接管内的水面高于主水箱内的水面；
步骤S4：橡胶管的一端与动压力水箱的封闭端连通，橡胶管的另一端伸入连接管内，联动杆(9)的另一端穿设水平滑道；
步骤S5：联动杆(9)的另一端安装不锈钢接头，不锈钢接头与连接杆的一端固定，连接杆的另一端固定在转轮上；
步骤S6：启动电机，转轮带动连接杆发生旋转，推波板在动压力水箱内进行往复运动，在动压力水箱内产生压力差，压力差通过橡胶管传递至连接管内，连接管内的水面发生循环的上升与下降，在主水箱内模拟形成波浪压力；
步骤S7：孔压计测量试验土样内的实时孔隙水压，观察试验土样的液化现象；
作为本发明的进一步优选，橡胶管一端距离地面的高度小于橡胶管另一端距离地面的高度；
作为本发明的进一步优选，连接杆的另一端固定在转轮上的位置不固定；
作为本发明的进一步优选，连接管垂直向的开口端高于主水箱的开口端；
作为本发明的进一步优选，所述试验土样选用砂土或者粉土；
作为本发明的进一步优选，模拟形成的波浪压力荷载计算公式为
公式(1)中，Pd为波浪对海床顶部造成的荷载，ρ为水的密度，g为重力加速度，A为波浪振幅，k为波数，h为主水箱内水面距离试验土样顶部的距离，T为波浪周期，即为转轮转动一周所需的时间；
其中，
L为波长；
作为本发明的进一步优选，前述波浪振幅A为波浪中心至波峰顶部的垂直距离，即
公式(2)中，S为转轮每转动四分之一圆周时推波板的行程，具体
l为转轮圆心到连接杆一端之间的距离，r为连接杆的另一端与转轮圆心之间的距离；
作为本发明的进一步优选，判断试验土样是否液化的公式为
σ′z＝-(γs-γw)z+(p-Pd)≤0 (3)
公式(3)中，σ′z为试验土样竖向有效应力，γs为试验土样的重度，γw为水的重度，z为试验土样的深度，p为试验土样内某点孔压，Pd为波浪对海床顶部造成的荷载。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的室内模拟土体液化的实验装置通过调节转轮的转速、连接杆与转轮固定时的几何位置，即可实现不同试验条件下的荷载作用情况，从而模拟不同波浪条件作用下土体液化的表现形式；
2、本发明提供的室内模拟土体液化的实验装置，结构简单，操作方便，将现有关于土体液化这一抽象概念通过教学试验进行演示，同时可以重复使用；
3、本发明提供的室内模拟土体液化的实验装置，能够稳定的制造出所需振幅的波浪，且受场地限制较小，移动方便，适合多场所使用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明提供的优选实施例的整体结构示意图；
图2是本发明提供的优选实施例中将连接杆的另一端安装在转轮多个位置时的示意图；
图3是本发明提供的优选实施例进行模拟是波浪荷载的计算图示。
图中：1为主水箱，2为橡胶管，3为动压力水箱，4为水平滑道，5为连接杆，6为转轮，7为试验土样，8为孔压计，9为联动杆，10为推波板。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如背景技术中阐述的，在海洋工程设施建设和使用过程中，土体液化会造成海床土壤失去支撑力，那么严重影响海洋工程设施的建设与使用。目前技术中关于模拟土体液化的设备中，存在无法真实模拟海洋土体液化的情况，或者模拟的试验装置结构复杂，或者制造所需的波浪不稳定，导致模拟结果有较大误差。基于此，本申请提供一种室内模拟土体液化的实验装置，包括主水箱1、动压力水箱3、水平滑道4、连接杆5以及转轮6，转轮转动带动动压力水箱产生压力差，动压力水箱将压力差传递至主水箱，以模拟波浪的作用，波浪力对位于主水箱内的试验土样7进行往复的荷载作用，使试验土样发生液化现象。在本申请中，还在模拟海床的主水箱内设置了孔压计8，因此可以在模拟波浪循环荷载的前提下，同时量定孔隙水压力，以更真实的模拟土体液化和液化深度测量。
本申请中，转轮是通过电机实现转动，其转动速度可控且稳定，转动速度的可控可以模拟在不同波浪条件作用下土体液化的表现形式，而转速的稳定即可保证制造出的波浪输出稳定。同时通过上述简单的介绍可知，本申请的结构较为简单，因此移动方便，受到场地的限制性也较小。
接下来对本申请的实验装置做一个详细的阐述，如图1所示，主水箱内放置试验土样，在主水箱的一侧箱壁上安装连接管，前述的连接管呈L型，连接管的垂直部分主水箱底面垂直；在主水箱的底面垂直安装孔压计；橡胶管2的一端与动压力水箱的封闭端连通，橡胶管的另一端伸入连接管的垂直部分内；推波板10由动压力水箱的开口端嵌入，且推波板的板面平行于动压力水箱的封闭端，联动杆9的一端垂直固定在推波板的中心，联动杆的另一端穿设水平滑道且通过不锈钢接头与连接杆的一端固定，连接杆的另一端固定在转轮上，转轮的中心套设在电机的电机轴上。
本申请提供的优选实施例中，需要制造较为稳定的波浪，同时又是接近真实状况的波浪，那么就需要几个限制因素，即连接杆的长度大于转轮的直径；连接管内水面高度高于主水箱内水面高度，连接杆的另一端位于转轮的初始点与转轮的圆心连接线垂直于地面。
那么试验时，启动电机，转轮带动连接杆推拉推波板，连接管内的水面即可发生循环上升和下降，对试验土样表面施加荷载，模拟对试验土样的波浪压力。也就是说本申请提供的实验装置将波浪作用和土体液化通过一个简单的装置展示出来了，相比于目前实验室内波浪水槽实验(长约30米，宽约1米，花费数十万元)，本申请的装置成本低，可操作性强，方便快捷且可重复演示。
接下来，本申请提供了基于所述室内模拟土体液化的实验装置的实验方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：打开主水箱的开口端，在主水箱的底面垂直安装孔压计；
步骤S2：将试验土样均匀放置在主水箱的底部，同时向主水箱内注入水，主水箱内水面低于连接管与箱壁的连接处，静置试验土样；
步骤S3：将连接管的横向部分粘合在主水箱的箱壁上，连接管垂直向的开口端高于主水箱的开口端，向连接管内注水，直至连接管内的水面高于主水箱内的水面；
步骤S4：橡胶管的一端与动压力水箱的封闭端连通，橡胶管的另一端伸入连接管内，橡胶管一端距离地面的高度小于橡胶管另一端距离地面的高度；联动杆的另一端穿设水平滑道，这里水平滑道主要起到对联动杆的导向作用，以保证当转轮运转时，联动杆位于图1视角水平向的稳定推拉；
步骤S5：联动杆的另一端安装不锈钢接头，不锈钢接头与连接杆的一端固定，连接杆的另一端固定在转轮上；这里连接杆另一端固定在转轮上的位置是不固定的，如图2给出了三种可能性，也就是说本申请欲达到试验目的连接杆相对转轮的位置可调性较大，导致连接杆另一端至转轮圆心的距离有多种选择，包括但不限于图2中的r1、r2和r3；
步骤S6：启动电机，转轮带动连接杆发生旋转，推波板在动压力水箱内进行往复运动，在动压力水箱内产生压力差，压力差通过橡胶管传递至连接管内，连接管内的水面发生循环的上升与下降，在主水箱内模拟形成波浪压力；
步骤S7：孔压计测量试验土样内的实时孔隙水压，观察试验土样的液化现象。
在进行试验的过程中，波浪压力荷载的施行是通过试验装置整体运行调控实现的，这里可以给出波浪荷载模拟遵循的公式
公式(1)中，Pd为波浪对海床顶部造成的荷载，ρ为水的密度，取1000kg/m，g为重力加速度，A为波浪振幅，k为波数，h为主水箱内水面距离试验土样顶部的距离，T为波浪周期，即为转轮转动一周所需的时间；其中，
L为波长，可由k与L的公式迭代获得。波浪振幅A为波浪中心至波峰顶部的垂直距离，即
公式(2)中，S为转轮每转动四分之一圆周时推波板的行程，具体
l为转轮圆心到连接杆一端之间的距离，r为连接杆的另一端与转轮圆心之间的距离，这里为了方便描述给出图3。
发生液化的土体主要有两种：砂土和粉土；因为他们的透水能力很弱，而且粘聚力也很弱。碎石、砾石、砾砂的渗透性好，抗剪强度也很高，很少发生液化。粘土和粉质粘土间有黏性亦不易液化。中、粗、砾砂也常发生液化，但比粉、细砂和粉土要少些。因此本申请中，所述试验土样选用砂土或者粉土。
在由波浪荷载对海床表面的循环波压力的作用下，海洋地基或海床土体内的有效应力场和超静孔压场都随着时间和空间的位置而变化，土体内的超静孔压可能逐渐积累，土骨架有效应力相应地逐渐较小，当土体有效应力减低为0时发生液化现象。
因此判断试验土样是否液化的公式为
σ′z＝-(γs-γw)z+(p-Pd)≤0 (3)
公式(3)中，σ′z为试验土样竖向有效应力，γs为试验土样的重度，γw为水的重度，z为试验土样的深度，p为试验土样内某点孔压，Pd为波浪对海床顶部造成的荷载。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (9)
1.一种室内模拟土体液化的实验装置，其特征在于：包括主水箱(1)、动压力水箱(3)、水平滑道(4)、连接杆(5)以及转轮(6)，主水箱(1)内放置试验土样(7)，在主水箱(1)的一侧箱壁上安装连接管，前述的连接管呈L型，连接管的垂直部分主水箱(1)底面垂直；在主水箱(1)的底面垂直安装孔压计(8)；
橡胶管(2)的一端与动压力水箱(3)的封闭端连通，橡胶管(2)的另一端伸入连接管的垂直部分内；
推波板(10)由动压力水箱(3)的开口端嵌入，且推波板(10)的板面平行于动压力水箱(3)的封闭端，联动杆(9)的一端垂直固定在推波板(10)的中心，联动杆(9)的另一端穿设水平滑道(4)且通过不锈钢接头与连接杆(5)的一端固定，连接杆(5)的另一端固定在转轮(6)上，转轮(6)的中心套设在电机的电机轴上；其中，连接杆(5)的长度大于转轮(6)的直径；
连接管内水面高度高于主水箱(1)内水面高度，连接杆(5)的另一端位于转轮(6)的初始点与转轮(6)的圆心连接线垂直于地面；
启动电机，转轮(6)带动连接杆(5)推拉推波板(10)，连接管内的水面发生循环上升和下降，对试验土样(7)表面施加荷载，模拟对试验土样(7)的波浪压力。
2.基于权利要求1所述室内模拟土体液化的实验装置的实验方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤S1：打开主水箱(1)的开口端，在主水箱(1)的底面垂直安装孔压计(8)；
步骤S2：将试验土样(7)均匀放置在主水箱(1)的底部，同时向主水箱(1)内注入水，主水箱(1)内水面低于连接管与箱壁的连接处，静置试验土样(7)；
步骤S3：将连接管的横向部分粘合在主水箱(1)的箱壁上，向连接管内注水，直至连接管内的水面高于主水箱(1)内的水面；
步骤S4：橡胶管(2)的一端与动压力水箱(3)的封闭端连通，橡胶管(2)的另一端伸入连接管内，联动杆(9)的另一端穿设水平滑道(4)；
步骤S5：联动杆(9)的另一端安装不锈钢接头，不锈钢接头与连接杆(5)的一端固定，连接杆(5)的另一端固定在转轮(6)上；
步骤S6：启动电机，转轮(6)带动连接杆(5)发生旋转，推波板(10)在动压力水箱(3)内进行往复运动，在动压力水箱(3)内产生压力差，压力差通过橡胶管(2)传递至连接管内，连接管内的水面发生循环的上升与下降，在主水箱(1)内模拟形成波浪压力；
步骤S7：孔压计(8)测量试验土样(7)内的实时孔隙水压，观察试验土样(7)的液化现象。
3.根据权利要求2所述室内模拟土体液化的实验装置的实验方法，其特征在于：橡胶管(2)一端距离地面的高度小于橡胶管(2)另一端距离地面的高度。
4.根据权利要求3所述室内模拟土体液化的实验装置的实验方法，其特征在于：连接杆(5)的另一端固定在转轮(6)上的位置不固定。
5.根据权利要求4所述室内模拟土体液化的实验装置的实验方法，其特征在于：连接管垂直向的开口端高于主水箱(1)的开口端。
6.根据权利要求5所述室内模拟土体液化的实验装置的实验方法，其特征在于：所述试验土样(7)选用砂土或者粉土。
7.根据权利要求6所述室内模拟土体液化的实验装置的实验方法，其特征在于：模拟形成的波浪压力荷载计算公式为
公式(1)中，Pd为波浪对海床顶部造成的荷载，ρ为水的密度，g为重力加速度，A为波浪振幅，k为波数，h为主水箱内水面距离试验土样顶部的距离，T为波浪周期，即为转轮(6)转动一周所需的时间；
其中，
L为波长。
8.根据权利要求7所述室内模拟土体液化的实验装置的实验方法，其特征在于：前述波浪振幅A为波浪中心至波峰顶部的垂直距离，即
公式(2)中，S为转轮每转动四分之一圆周时推波板的行程，具体
l为转轮圆心到连接杆一端之间的距离，r为连接杆的另一端与转轮圆心之间的距离。
9.根据权利要求8所述室内模拟土体液化的实验装置的实验方法，其特征在于：判断试验土样是否液化的公式为
σ′z＝-(γs-γw)z+(p-Pd)≤0 (3)
公式(3)中，σ′z为试验土样竖向有效应力，γs为试验土样的重度，γw为水的重度，z为试验土样的深度，p为试验土样内某点孔压，Pd为波浪对海床顶部造成的荷载。
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