本发明公开了一种观测高孔压比液化砂土流动特性的试验装置，包括：模型箱、调速电机、支架、水平工作台以及PIV系统，模型箱与PIV系统放置于水平工作台，调速电机安装于支承平台。模型箱内放置塑料砂和氯化钠溶液；塑料砂颗粒密度为1.14g/cm3，氯化钠溶液密度根据试验所需要的高孔压比状态来配置；PIV系统由可移动工作台以及CCD数字相机组成。本发明还公开了其测试方法，包括：利用调速电机中引出的钢丝线牵引一个半球体，紧贴模型箱（外壁贴有横纵坐标网格一侧）的内壁做竖向运动，运动过程中利用动拉力传感器以及PIV系统测量半球体周围塑料砂颗粒的运动状态，获得液化砂土高孔压比状态时的流动特性。本发明具有操作简单、测量精度高、液化状态稳定等优点。
1.一种观测高孔压比液化砂土流动特性的试验装置，包括：模型箱、调速电机、支架、水平工作台以及PIV系统，其特征在于：模型箱贴有横纵坐标网格的一侧内壁由透明有机玻璃材料制成；模型箱的基座上设有等距的螺栓孔，通过螺栓将模型箱固定在水平工作台上；模型箱底部安装有一个定滑轮；支架立于模型箱外，调速电机安装在支架顶部，通过调速电机的轴承引出一根牵引动拉力传感器和一个半球体的钢丝线；模型箱内放置塑料砂和氯化钠溶液；塑料砂颗粒密度为1.14g/cm3，氯化钠溶液密度根据试验所需要的高孔压比状态来配置；PIV系统由可移动工作台以及CCD数字相机组成。
2.根据权利要求1所述的观测高孔压比液化砂土流动特性的试验装置，其特征在于：所述横纵坐标网格的分度值为1mm。
3.根据权利要求1所述的观测高孔压比液化砂土流动特性的试验装置，其特征在于：所述半球体由有机玻璃材料制成，半球体底面圆心和弧面顶端的连线部位钻有孔洞，钢丝线从孔洞穿过，使得半球体可以和钢丝线较好的连接。
4.根据权利要求1所述的观测高孔压比液化砂土流动特性的试验装置，其特征在于：所述通过调速电机的轴承引出一根牵引动拉力传感器和一个半球体的钢丝线，是一种具有韧性好，受力分布均匀，不易变形特点的材料。
5.根据权利要求1所述的观测高孔压比液化砂土流动特性的试验装置，其特征在于：所述塑料砂由0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.2mm以及1.5mm八种规格的颗粒根据试验所模拟的普通砂颗粒级配配置而成。
6.一种基于权利要求1所述的观测高孔压比液化砂土流动特性的试验装置的试验方法，包括以下步骤：
(1)、调速电机通过轴承引出钢丝线，将钢丝线的另一端连接在动拉力传感器的上端圆环，动拉力传感器下端圆环牵引另一根钢丝线连接半球体，半球体紧贴模型箱带有横纵坐标网格一侧的内壁置于模型箱底部；通过半球体和动拉力传感器的自重作用竖向拉直钢丝线；
(2)、在模型箱中均匀装入配置好的塑料砂，装样到模型箱横纵坐标网格指定分度处停止，在该塑料砂上表面放置土压力盒和孔压力计；将配置好的指定浓度的氯化钠溶液缓缓倒入模型箱中，在塑料砂和氯化钠溶液组成的试样中均匀通入一定量的二氧化碳，放置试样一段时间，直到塑料砂液化稳定；
(3)、打开CCD数字相机，并调整其高度，记录半球体在模型箱横纵坐标网格一侧的初始位置，并通过数据采集系统检测动拉力传感器、土压力盒和孔压力计的读数是否正常，运行调速电机，拉动钢丝线使得半球体以一定的速度竖直向上运动，数据采集系统同时记录动拉力传感器、土压力盒和孔压力计的读数的变化，CCD数字相机拍摄半球体的运动过程。
一种观测高孔压比液化砂土流动特性的试验装置和方法
技术领域
[0001] 本发明属于岩土地震工程技术领域，特别涉及一种观测高孔压比液化砂土流动特性的试验装置和试验方法。
背景技术
[0002] 液化问题是岩土地震工程研究的重要课题之一，我国目前在地震液化领域的研究相对较少。2008年5月12日，四川汶川发生了里氏8级特大地震，本次地震中就出现了很多由于砂土液化造成的震害，如冒水喷砂、地面沉降、地表裂缝等。此外，由于地震液化，供水、排水系统以及燃气、石油管线等可能发生上升、错位等现象，公路、铁路等交通网络也存在破坏的风险，因此研究砂土液化问题在响应“生命线工程”这一议题上也有着重大的意义。
[0003] 本发明之前，在研究砂土液化问题时，一般是通过动力荷载使得砂土液化，如振动台模型箱试验、动三轴试验等。通过这种方式产生的液化状态不能保证液化后的砂土处于稳定液化状态，而且受制于动力传感器的精度，研究所得的数据误差较大，具体缺陷表现为：
[0004] (1)通过振动台提供动力荷载，受限于振动台的发展技术，无法准确的模拟真实的地震波产生的动力荷载。
[0005] (2)由于只有在动力荷载加载后才能获得砂土的液化状态，因此试验的重复率较低。
[0006] (3)动力荷载的加载设备灵活性较差，不易拆卸、搬运，而且一次试验将耗费大量的电能，试验成本高。
[0007] (4)试样易受动荷载的扰动，由于动力传感器精度较低，测出的数据准确性较差。
发明内容
[0008] 本发明旨在克服上述传统模拟液化后状态的试验装置费用高、稳定性差、精度低等缺陷，提出了一种观测高孔压比液化砂土流动特性的试验装置和试验方法。
[0009] 本发明采用的技术方案是：
[0010] 一种观测高孔压比液化砂土流动特性的试验装置，包括：模型箱、调速电机、支架、水平工作台以及PIV系统，其特征在于：模型箱贴有横纵坐标网格的一侧内壁由透明有机玻璃材料制成；模型箱的基座上设有等距的螺栓孔，通过螺栓将模型箱固定在水平工作台上；模型箱底部安装有一个定滑轮；支架立于模型箱外，调速电机安装在支架顶部，通过调速电机的轴承引出一根牵引动拉力传感器和一个半球体的钢丝线；模型箱内放置塑料砂和氯化钠溶液；塑料砂颗粒密度为1.14g/cm3，氯化钠溶液密度根据试验所需要的高孔压比状态来配置；PIV系统由可移动工作台以及CCD数字相机组成。
[0011] 所述横纵坐标网格的分度值采用1mm，通过横纵坐标网格，PIV系统可以清晰地捕捉到塑料砂颗粒的运动状态。
[0012] 所述模型箱底部的定滑轮，可以实现由钢丝线牵引的半球体的双向运动。
[0013] 所述半球体由有机玻璃材料制成，半球体底面圆心和弧面顶端的连线部位钻有孔洞，钢丝线可以从孔洞穿过，使得半球体可以和钢丝线较好的连接。
[0014] 所述连接半球体、动拉力传感器以及调速电机轴承的钢丝线，是一种具有韧性好，受力分布均匀，不易变形等特点的材料。
[0015] 所述塑料砂由0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.2mm以及1.5mm八种规格的颗粒根据试验所模拟的普通砂颗粒级配配置而成。
[0016] 一种观测高孔压比液化砂土流动特性的试验装置的试验方法，包括以下步骤：
[0017] 1、调速电机通过轴承引出钢丝线，将钢丝线的另一端连接在动拉力传感器的上端圆环，动拉力传感器下端圆环牵引另一根钢丝线连接半球体，半球体紧贴模型箱带有横纵坐标网格一侧的内壁置于模型箱底部；通过半球体和动拉力传感器的自重作用竖向拉直钢丝线。
[0018] 2、在模型箱中均匀装入配置好的塑料砂，装样到模型箱横纵坐标网格指定分度处停止，在该层塑料砂上表面放置土压力盒和孔压力计；将配置好的指定浓度的氯化钠溶液缓缓倒入模型箱中，在塑料砂和氯化钠溶液组成的试样中均匀通入一定量的二氧化碳，放置试样一段时间，直到塑料砂液化稳定。
[0019] 3、打开CCD数字相机，并调整其高度，记录半球体在模型箱横纵坐标网格一侧的初始位置，并通过数据采集系统检测动拉力传感器、土压力盒和孔压力计的读数是否正常。运行调速电机，拉动钢丝线使得半球体以一定的速度竖直向上运动，数据采集系统同时记录动拉力传感器、土压力盒和孔压力计的读数的变化，CCD数字相机拍摄半球体的运动过程。
[0020] 本发明的优点和效果在于：
[0021] (1)利用塑料砂以及氯化钠溶液模拟砂土的液化状态，能够获得稳定、持久和任意的高孔压比液化状态。
[0022] (2)装置的造价成本低，易于操作，方便拆卸。
[0023] (3)试验过程中不易受到外部扰动影响，通过PIV系统采集试验数据，精度较高。
[0024] (4)定滑轮的设计使得有机玻璃半球可以进行双向运动，从而进行平行试验，大大提高试验效率。
附图说明
[0025] 图1本发明试验装置的正视图
[0026] 图2本发明试验装置的俯视图
[0027] 图3 PIV系统正视图
[0028] 图中：1、模型箱，2、水平工作台、3、螺栓，4、基座，5、支座，6、支承平台，7、支架，8、调速电机，9、轴承，10、钢丝线，11、动拉力传感器，12、半球体，13、定滑轮，14、土压力盒，15、孔压力计，16、移动基座，17、升降平台，18、支架，19、CCD数字相机，20、氯化钠溶液，21、塑料砂。
[0029] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。具体实施方式：
[0030] 如图1、图2及图3所示，一种观测高孔压比液化砂土流动特性的试验装置,包括模型箱(1)、水平工作台(2)、螺栓(3)、基座(4)、支座(5)、支承平台(6)、支架(7)、调速电机(8)、轴承(9)、钢丝线(10)、动拉力传感器(11)、半球体(12)、定滑轮(13)、土压力盒(14)、孔压力计(15)、移动基座(16)、升降平台(17)、支架(18)、CCD数字相机(19)、氯化钠溶液(20)、塑料砂(21)。
[0031] 如图1和图2所示，模型箱(1)采用透明有机玻璃材料制成；模型箱(1)的基座(4)和外部支座(5)上设有等距的螺栓(3)孔，通过螺栓(3)将模型箱(1)底部的基座(4)和支座(5)固定在水平工作台(2)。通过有机玻璃胶水将定滑轮(13)紧贴模型箱(1)侧壁固定在模型箱(1)底部；将支承平台(6)安装于支架(7)上，带轴承(9)的调速电机(8)固定于支承平台(6)；支架(7)立于模型箱(1)外；调速电机(8)通过轴承(9)牵引钢丝线(10)连接动拉力传感器(11)，动拉力传感器(11)另一端牵引钢丝线(10)连接半球体，半球体(12)紧贴模型箱(1)侧壁置于模型箱(1)底部；模型箱(1)内置有塑料砂(21)和氯化钠溶液(20)。
[0032] 如图3所示，PIV系统由可移动工作台以及CCD数字相机(19)两部分组成。可移动工作台包括移动基座(16)、升降平台(17)和支架(18)三个部分；移动基座(16)上开有等距的螺栓(3)孔，通过螺栓(3)按照图2的位置固定在水平工作台(2)；升降平台(17)可以在移动基座(16)的支架(18)上竖向运动。CCD数字相机(19)固定在升降平台(17)上。
[0033] 一种观测高孔压比液化砂土流动特性的试验方法，其主要技术步骤在于：
[0034] 1、调速电机(8)通过轴承(9)引出钢丝线(10)，将钢丝线的另一端连接在动拉力传感器(11)的上端圆环，动拉力传感器(11)下端圆环牵引另一根钢丝线(10)连接半球体(12)，半球体(12)紧贴模型箱(1)带有横纵坐标网格一侧的内壁置于模型箱(1)底部；通过半球体(12)和动拉力传感器(11)的自重作用竖向拉直钢丝线(10)。
[0035] 2、在模型箱(1)中均匀装入配置好的塑料砂(21)，装样到模型箱(1)横纵坐标网格指定分度处停止，在该层塑料砂(21)上表面放置土压力盒(14)和孔压力计(15)；将配置好的指定浓度的氯化钠溶液(20)缓缓倒入模型箱(1)中，在塑料砂(21)和氯化钠溶液(20)组成的试样中均匀通入一定量的二氧化碳，放置试样一段时间，直到塑料砂(21)液化稳定。
[0036] 3、打开CCD数字相机(19)，并调整其高度，记录半球体(12)在模型箱(1)横纵坐标网格一侧的初始位置，并通过数据采集系统检测动拉力传感器(11)、土压力盒(14)和孔压力计(15)的读数是否正常。运行调速电机(8)，拉动钢丝线(10)使得半球体(12)以一定的速度竖直向上运动，数据采集系统同时记录动拉力传感器(11)、土压力盒(14)和孔压力计(15)的读数的变化，CCD数字相机(19)拍摄半球体(12)的运动过程。
