[發明專利]一種觀測高孔壓比液化砂土流動特性的試驗裝置和方法

有效

• 申請號: 201310208881.1
• 申請日: 2013-05-30
• 公開（公告）號: CN103293081A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發明（設計）人: 王睿;周葛;陳育民;丁選明;徐呈祥;劉漢龍
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01N11/10
• 分類號: G01N11/10
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 虞希光

技術領域

本發明屬于巖土地震工程技術領域，特別涉及一種觀測高孔壓比液化砂土流動特性的試驗裝置和試驗方法。

背景技術

液化問題是巖土地震工程研究的重要課題之一，我國目前在地震液化領域的研究相對較少。2008年5月12日，四川汶川發生了里氏8級特大地震，本次地震中就出現了很多由于砂土液化造成的震害，如冒水噴砂、地面沉降、地表裂縫等。此外，由于地震液化，供水、排水系統以及燃氣、石油管線等可能發生上升、錯位等現象，公路、鐵路等交通網絡也存在破壞的風險，因此研究砂土液化問題在響應“生命線工程”這一議題上也有著重大的意義。

本發明之前，在研究砂土液化問題時，一般是通過動力荷載使得砂土液化，如振動臺模型箱試驗、動三軸試驗等。通過這種方式產生的液化狀態不能保證液化后的砂土處于穩定液化狀態，而且受制于動力傳感器的精度，研究所得的數據誤差較大，具體缺陷表現為：

（1）通過振動臺提供動力荷載，受限于振動臺的發展技術，無法準確的模擬真實的地震波產生的動力荷載。

（2）由于只有在動力荷載加載后才能獲得砂土的液化狀態，因此試驗的重復率較低。

（3）動力荷載的加載設備靈活性較差，不易拆卸、搬運，而且一次試驗將耗費大量的電能，試驗成本高。

（4）試樣易受動荷載的擾動，由于動力傳感器精度較低，測出的數據準確性較差。

發明內容

本發明旨在克服上述傳統模擬液化后狀態的試驗裝置費用高、穩定性差、精度低等缺陷，提出了一種觀測高孔壓比液化砂土流動特性的試驗裝置和試驗方法。

本發明采用的技術方案是：

一種觀測高孔壓比液化砂土流動特性的試驗裝置，包括：模型箱、調速電機、支架、水平工作臺以及PIV系統，其特征在于：模型箱貼有橫縱坐標網格的一側內壁由透明有機玻璃材料制成；模型箱的基座上設有等距的螺栓孔，通過螺栓將模型箱固定在水平工作臺上；模型箱底部安裝有一個定滑輪；支架立于模型箱外，調速電機安裝在支架頂部，通過調速電機的軸承引出一根牽引拉力傳感器和一個半球體的鋼絲線；模型箱內放置塑料砂和氯化鈉溶液；塑料砂顆粒密度為1.14g/cm³，氯化鈉溶液密度根據試驗所需要的高孔壓比狀態來配置；PIV系統由可移動工作臺以及CCD數字相機組成。

所述橫縱坐標網格的分度值采用1mm，通過橫縱坐標網格，PIV系統可以清晰地捕捉到塑料砂顆粒的運動狀態。

所述模型箱底部的定滑輪，可以實現由鋼絲線牽引的半球體的雙向運動。

所述半球體由有機玻璃材料制成，半球體底面圓心和弧面頂端的連線部位鉆有孔洞，鋼絲線可以從孔洞穿過，使得半球體可以和鋼絲線較好的連接。

所述連接半球體、拉力傳感器以及調速電機軸承的鋼絲線，是一種具有韌性好，受力分布均勻，不易變形等特點的材料。

所述塑料砂由0.25?mm、0.3?mm、0.4?mm、0.5?mm、0.75?mm、1.0?mm、1.2?mm以及1.5?mm八種規格的顆粒根據試驗所模擬的普通砂顆粒級配配置而成。

一種觀測高孔壓比液化砂土流動特性的試驗裝置的試驗方法，包括以下步驟：

??1、調速電機通過軸承引出鋼絲線，將鋼絲線的另一端連接在動拉力傳感器的上端圓環，動???拉力傳感器下端圓環牽引另一根鋼絲線連接半球體，半球體緊貼模型箱帶有橫縱坐標網????格一側的內壁置于模型箱底部；通過半球體和動拉力傳感器的自重作用豎向拉直鋼絲線。

?2、在模型箱中均勻裝入配置好的塑料砂，裝樣到模型箱橫縱坐標網格指定分度處停止，在???該層塑料砂上表面放置土壓力盒和孔壓力計；將配置好的指定濃度的氯化鈉溶液緩緩倒???入模型箱中，在塑料砂和氯化鈉溶液組成的試樣中均勻通入一定量的二氧化碳，放置試???樣一段時間，直到塑料砂液化穩定。

3、打開CCD數字相機，并調整其高度，記錄半球體在模型箱橫縱坐標網格一側的初始位置，并通過數據采集系統檢測動拉力傳感器、土壓力盒和孔壓力計的讀數是否正常。運行調速電機，拉動鋼絲線使得半球體以一定的速度豎直向上運動，數據采集系統同時記錄動拉力傳感器、土壓力盒和孔壓力計的讀數的變化，CCD數字相機拍攝半球體的運動過程。

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本發明的優點和效果在于：

（1）利用塑料砂以及氯化鈉溶液模擬砂土的液化狀態，能夠獲得穩定、持久和任意的高孔壓比液化狀態。

（2）裝置的造價成本低，易于操作，方便拆卸。

（3）試驗過程中不易受到外部擾動影響，通過PIV系統采集試驗數據，精度較高。