[发明专利]一种测试液化砂土流动特性的试验装置和测试方法

说明书

技术领域

本发明属于岩土地震工程技术领域，特别涉及一种测试液化砂土流动特性的试验装置和测试方法。

背景技术

地震是人类面临的主要自然灾害之一，在地震灾害中，由于砂土液化而造成的工程危害正越来越引起人们的关注，这就使得砂土液化的动力特性成为了岩土领域新的研究热点。饱和砂土的总应力由有效应力和孔隙水压力两部分组成，在一般情况下，地基的荷载主要由总应力中的有效应力来承担，然而，当发生地震时，饱和砂土中的孔隙水压力在地震动荷载的作用下会不断上升，而在总应力大小不变的前提下，有效应力就会不断减小，直到有效应力为零的时候，砂土的总应力完全由孔隙水压力组成，土骨架丧失了承载力，土颗粒就像“悬浮在水中”一样，此时的状态就被称为砂土完全液化状态，这种现象就是饱和砂土液化现象。在液化砂土的变形分析中，表观黏度是重要的参数，它是表示流体内摩擦的物理量，是一层流体对另一层流体作相对运动的阻力，定义为剪应力与剪应变率的比值。

本发明之前，一般流体的表观黏度测量常采用黏度计，包括旋转黏度计、毛细管黏度计和落球黏度计等。旋转黏度计的原理是使流体在狭缝间产生剪切流动，测量流动过程中的扭矩来计算流体的表观黏度。毛细管黏度计是使流体在重力作用下缓慢流过一个标定好的玻璃毛细管黏度计，通过测量流体流过黏度计的时间来反映流体的黏度。落球黏度计的原理是，将一钢球放入盛满流体的透明量筒，钢球凭重力下落，测量钢球在流体中匀速通过时的速度来计算流体的表观黏度。然而，上述黏度测量方法均不能有效测量液化砂土的表观黏度，而且在测量过程中也无法观察到砂土颗粒的运动状态，原因为：

（1） 落球黏度计测量时要求流体保持静止状态，而饱和砂土的液化是在动荷载作用下产生的，液化砂土处于运动状态，因此传统的落球黏度计不适用于饱和砂土液化状态下的表观黏度的测量。

（2） 毛细管黏度计需要采用细长的玻璃管，旋转黏度计要求流体在狭缝中剪切流动，而砂土是具有一定粒径的材料，不能在细长玻璃管或狭缝中顺利流动，因此液化砂土的表观黏度不适合用毛细管黏度计和旋转黏度计测量。

（3） 已有试验证明，液化砂土的表观黏度非常高，超出常规黏度计的测量范围。

（4） 液化砂土发生流动变形时的速率较低，而常规黏度计测量时流体运动的速率较大，

不能合理反映液化砂土流动变形时的特点。

（5） 过去的饱和砂土液化表观黏度装置在测量过程中无法观测到砂颗粒的运动状态。

（6） 由于砂土液化的孔压在一个测量截面上并不一定相等，因此采用点接触测量的孔压值无法反映一个截面上的情况。

 

发明内容

本发明的目的在于克服上述传统黏度计不适用于测量液化砂土表观黏度的缺陷，提出了一种测试液化砂土流动特性的试验装置和测试方法。

本发明采用的技术方案是：

一种测试液化砂土流动特性的试验装置，包括振动台和固定在振动台上的模型箱，其特征在于：模型箱的两个侧面采用可塑性面板制成，在两块可塑性面板上对称的位置，各开挖出一条水平轨道，将一根与模型箱宽度一致的刚性圆管安放在两条轨道之间，并在刚性圆管的两个端面上各安装一个小滑轮，使得滑轮刚好落在轨道中而刚性圆管也刚好卡在两块可塑性面板之间。刚性圆管中间分别对称的连接两个动拉力传感器，动拉力传感器由钢丝绳牵引，钢丝绳通过定滑轮引出模型箱外，再与两只动位移传感器相连，然后将两根引出的钢丝绳对称的连接到由正反转的调速电机控制的一根轴承的两端；在模型箱中，刚性圆管的中心以及两侧等高处分别设置动孔压传感器。

       所述的可塑性面板可采用有机玻璃制成，可塑性面板上的轨道深度要求使得刚性圆管两端面上的小滑轮刚好可以完全放入轨道中。轨道表面要求打磨光滑，使得小滑轮与轨道之间产生的滑动摩擦力大小可以忽略不计。