[發明專利]一種飽和砂土高孔壓比狀態下的表觀黏度測量裝置和方法

有效

• 申請號: 201010299125.0
• 申請日: 2010-09-27
• 公開（公告）號: CN102012353A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發明（設計）人: 陳育民;劉漢龍;丁選明;沙小兵;林奔
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01N11/10
• 分類號: G01N11/10;G01N11/12
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及一種黏度測量裝置和方法，特別涉及一種飽和砂土高孔壓比狀態下的表觀黏度的測量裝置和方法。

背景技術

砂土液化特性是土動力學的研究熱點。飽和砂土的總應力由有效應力和孔隙水壓力兩部分組成，一般情況下，由于有效應力的存在，砂土的孔隙水壓力小于總應力。然而，在地震、爆炸等動荷載作用下，飽和砂土中的孔隙水壓力會不斷升高，當孔隙水壓力增大到與總應力相等時，砂土中的有效應力等于零，砂土骨架喪失了作用力，砂土顆粒“懸浮”在水中，這時砂土變成像流體一樣的物質，喪失抗剪強度和承載能力，這就是飽和砂土的液化現象。而飽和砂土在發生“完全液化”之前會達到一種“高孔壓比狀態”，在這種狀態下，砂土中的超孔隙水壓力逐漸上升，而消散緩慢，土體的有效應力很小，但是并沒有達到完全液化的零有效應力狀態。砂土在高孔壓比狀態，砂土的抗剪強度極低，在剪應力作用下也會發生流動大變形，其中高孔壓比指某時刻的孔壓值與砂土液化時的孔壓值之比高于0.5。因此，有必要對這種介于未液化和完全液化狀態之間的高孔壓比狀態中的飽和砂土開展其表觀黏度的測量，為砂土液化流動變形計算提供參數。

在高孔壓比狀態下砂土的變形分析中，表觀黏度是重要的參數，它是表示流體的內摩擦的物理量，是一層流體對另一層流體作相對運動的阻力，定義為剪應力與剪應變率的比值。

本發明之前，一般流體的表觀黏度測量常采用黏度計，包括旋轉黏度計、毛細管黏度計和落球黏度計以及液化后流動特性裝置等。旋轉黏度計的原理是使流體在狹縫間產生剪切流動，測量流動過程中的扭矩來計算流體的表觀黏度。毛細管黏度計是使流體在重力作用下緩慢流過一個標定好的玻璃毛細管黏度計，通過測量流體流過黏度計的時間來反映流體的黏度。落球黏度計的原理是，將一剛性球放入盛滿流體的透明量筒，剛性球憑重力下落，測量剛性球在流體中勻速通過時的速度來計算流體的表觀黏度。然而，上述黏度測量方法均不能有效測量飽和砂土液化前高孔壓比狀態下的表觀黏度，原因為：

(1)落球黏度計測量時是剛性球憑重力下落，測量剛性球在流體中勻速通過時的速度來計算流體的表觀黏度，而飽和砂土在高孔壓比狀態下，砂土顆粒之間還存在著一定的相互作用力，僅憑剛性球重力無法實現在流體中勻速通過，因此傳統的落球黏度計不適用于飽和砂土高孔壓狀態下的表觀黏度測量。

(2)毛細管黏度計需要采用細長的玻璃管，旋轉黏度計要求流體在狹縫中剪切流動，而砂土是具有一定粒徑的材料，不能在細長玻璃管或狹縫中順利流動，因此液化砂土的表觀黏度不適合用毛細管黏度計和旋轉黏度計測量。

(3)液化后流動特性裝置采用振動臺來模擬液化狀態，在振動臺的作用下，孔壓急速上升，瞬間達到液化，在實驗室很難得到液化前的高孔壓比狀態。

(4)已有試驗證明，飽和砂土液化前的表觀黏度非常高，超出常規黏度計的測量范圍。

(5)飽和砂土在高孔壓比狀態下發生流動變形時的速率較低，而常規黏度計測量時流體運動的速率較大，不能合理反映飽和砂土液化前高孔壓比狀態流動變形時的特點。

發明內容

本發明的目的就在于克服上述傳統黏度計不適用于測量飽和砂土高孔壓比狀態下的表觀黏度的缺陷，提出一種飽和砂土高孔壓比狀態下的表觀黏度的測量裝置和方法。

本發明采用的技術方案是：

一種飽和砂土高孔壓比狀態下的表觀黏度測量裝置，包括固定的模型箱以及與模型箱連接的外接水箱，其特征在于：外接水箱側面底部設置一個控水閥門，其底部高度與模型箱內試樣頂部高度一致，水箱底部引出軟管，軟管穿過模型箱底部開孔與模型箱內的出水管連接。模型箱內下部放置開孔硬板，且在水平設置兩根平行的導桿形成軌道，剛性球置在軌道上，剛性球兩端由牽引繩牽引，牽引繩穿過定滑輪保護盒，并通過定滑輪組引出模型箱外與兩只動位移傳感器相連，兩只動位移傳感器分別連接動拉力傳感器，再連接到正反轉的調速電機上。

所述的出水管由3通連接，引出5個出水口，保證均勻出水。

所述的裝置還包括模型箱中與剛性球同等高度處設置的動孔壓傳感器。

所述的硬板開有均勻圓孔，圓孔直徑5mm，孔間距為20mm，硬板尺寸比模型箱內尺寸稍小。硬板距離模型箱底部8mm，在底部四角處焊接鋼筋支撐，以此搭放在模型箱底部。硬板正對模型箱焊接的定滑輪處開一口，方便硬板取出。硬板整體用編織布包裹，防止砂土堵塞圓孔且防止砂土掉入硬板下方堵住進水口。

所述的外接水箱外壁垂直布置一根刻度尺，以此讀出水位高度，外接水箱側面底部設置一個控水閥門，通過開關閥門，使水位達到試驗所需要求。