專利名稱：一種模擬液化后顆粒運動特性的試驗裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于巖土地震工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種模擬液化后顆粒運動特性的試驗裝置和方法。
背景技術(shù)：
地震是人類面臨的主要自認災(zāi)害之一，飽和砂土在地震作用下會發(fā)生液化，從而引起巖土構(gòu)筑物的破壞，據(jù)統(tǒng)計，各種巖土工程震害幾乎都是由砂性土液化或粘性土弱化所致。近年來，世界范圍內(nèi)地震活動頻繁，特別是在2008年中國“5. 12”汶川大地震、2011年日本“ 3. 11”大地震中，均存在因砂土液化弓丨起的震害。 飽和砂土的總應(yīng)力由有效應(yīng)力和孔隙水壓力兩部分組成，在一般情況下，地基的荷載主要由總應(yīng)力中的有效應(yīng)力來承擔(dān)，然而，當(dāng)發(fā)生地震時，飽和砂土中的孔隙水壓力在地震動荷載的作用下會不斷上升，而在總應(yīng)力大小不變的前提下，有效應(yīng)力就會不斷減小，直到有效應(yīng)力為零的時候，砂土的總應(yīng)力完全由孔隙水壓力組成，土骨架喪失了承載力，土顆粒就像“懸浮在水中” 一樣，此時的狀態(tài)就被稱為砂土完全液化狀態(tài)，這種現(xiàn)象就是飽和砂土的液化現(xiàn)象。部分學(xué)者把不排水循環(huán)剪切試驗中有效應(yīng)力第一次為0的狀態(tài)稱為“初始液化”，從而將液化過程分為“液化前(初始液化前)”和“液化后(初始液化后)”兩個階段。過去關(guān)于飽和砂土液化問題的絕大多數(shù)研究都集中在“初始液化”的產(chǎn)生條件、影響因素、評判準則以及液化前的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，對于液化后的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的研究則相對較少，特別是對飽和砂土液化后大變形產(chǎn)生機理的深入研究則更少，迄今為止提出的絕大多數(shù)砂土的循環(huán)本構(gòu)模型均不能夠模擬液化后的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。有些學(xué)者提出了飽和砂土液化后大變形的一種機理解釋，并據(jù)此建立了描述飽和砂土液化后不排水單調(diào)剪切大變形的本構(gòu)模型，發(fā)展了一套相對比較完整的可統(tǒng)一預(yù)測液化后地面?zhèn)认蜃冃魏拓Q向沉降的實用方法。隨著液化研究的深入，人們關(guān)注土體液化領(lǐng)域的熱點也在由液化前的預(yù)報和強度計算向液化后土體大變形的問題轉(zhuǎn)移。液化后土體大變形研究方法是基于性態(tài)抗震設(shè)計的思想，以位移為準則來衡量土工構(gòu)筑物的抗震性能，這種方法考慮的是構(gòu)筑物在地基液化中發(fā)生的位移量，依此來進行抗震設(shè)計。因此研究砂土液化后大變形問題的重點就是研究顆粒運動的特性。本發(fā)明之前，飽和砂土液化后的狀態(tài)一般都是通過振動臺提供的動力荷載，使得飽和砂土液化來實現(xiàn)的，這樣的液化后狀態(tài)既短暫又不穩(wěn)定，對于室內(nèi)試驗研究造成了諸多障礙，而且受制于動態(tài)測量技術(shù)的局限性，試驗過程中得到的變形數(shù)據(jù)以及顆粒運動特性的誤差都比較大，具體缺點表現(xiàn)為
(I)通過振動臺提供的動力荷載來模擬地震荷載，受制于振動臺發(fā)展技術(shù)落后等因素，不能夠準確地模擬出地震荷載，此外該試驗過程所需要的費用昂貴，試驗重復(fù)率和容錯較低。
(2)利用振動臺提供的動荷載使得飽和砂土達到液化狀態(tài)后，一旦撤去動荷載后，由于砂土的滲透系數(shù)較大，超靜孔隙水應(yīng)力將會很快消散，有效應(yīng)力得到恢復(fù)，因此這種試驗?zāi)M出的液化后狀態(tài)持續(xù)時間很短，不利于長時間的試驗研究。(3)受制于動態(tài)測量裝置技術(shù)的局限性和昂貴的價格，如果采用靜態(tài)測量裝置，當(dāng)振動臺處于激震狀態(tài)時，安裝在飽和砂土中測量裝置的精度將受到嚴重影響。(4)過去通過振動臺模擬出飽和砂土的液化后狀態(tài)很難清晰地觀察到砂顆粒的運動狀態(tài)。(5)利用位移傳感器等非可視化裝置測量砂顆粒的運動狀態(tài)，不能直接看到顆粒內(nèi)部的實際運動狀態(tài)，精度低，且受到動荷載的影響大。 (6)利用振動臺試驗?zāi)M的飽和砂土液化后狀態(tài)難以捕捉到高孔壓比狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述傳統(tǒng)模擬液化后狀態(tài)的實驗裝置費用高、穩(wěn)定性差、時間短、精度低等缺陷。提出了一種新型的模擬液化后顆粒運動特性的試驗裝置。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種模擬液化后顆粒運動特性的試驗裝置，包括模型箱、模型箱密封蓋、工作臺和PIV光學(xué)測試平臺，其特征在于模型箱采用透明的有機玻璃面板制成，模型箱密封蓋周圍包有密封圈，在模型箱密封蓋中間開有一個圓孔，孔徑大小為剛好可以塞入抽真空管，圓孔的蓋子采用密封設(shè)計；模型箱底部的一個側(cè)面上設(shè)有注水孔，孔徑大小為剛好可以塞入進水管，注水孔的蓋子也采用密封設(shè)計；模型箱四周的有機玻璃面板與基座之間每隔一定距離設(shè)置一塊連接塊，模型箱基座上開有螺紋孔，試驗過程中通過螺栓固定在工作臺。所述模型箱內(nèi)設(shè)置兩根水平軌道，軌道采用剛性材料制成，軌道上水平放置一根實心圓柱體，圓柱體采用剛性材料制成，長度大于兩根軌道之間的距離，半徑可以采用不同的尺寸，便于比較在不同尺寸下，塑料砂顆粒繞管流動特性的區(qū)別。圓柱體兩側(cè)均對稱的引出兩根鋼絲繩，每根鋼絲繩各連接一個動拉力傳感器，然后通過模型箱側(cè)面套有密封圈的小孔引出模型箱，動拉力傳感器的導(dǎo)線也通過模型箱側(cè)面套有密封圈的小孔引出。然后鋼絲繩通過定滑輪組連接到由正反轉(zhuǎn)的調(diào)速電機控制的軸承兩端。軸承的兩端對稱連接由模型箱中引出的兩根鋼絲繩，從而在電機帶動軸承轉(zhuǎn)動之后，兩根鋼絲繩可以同步帶動實心圓柱體在軌道上運動。所述模型箱底部的注水孔上方設(shè)置一塊透水板，透水板可以采用在剛性面板上打孔的方法制成，要求孔徑大小可以順利通過溶液但又不會造成塑料砂顆粒從中滑落堵塞透水孔，透水板上鋪一層透水材料，透水材料盡可能覆蓋住全部的透水板，目的在于阻止塑料砂顆粒通過透水板上的小孔掉落下去，然后在透水材料上裝入級配近似標準砂的塑料砂。所述實心圓柱體采用兩根對稱分布的鋼絲繩引導(dǎo)，從而保證圓柱體在運動過程中可以一直都垂直于兩側(cè)軌道的方向而不發(fā)生傾斜。圓柱體與鋼絲繩之間拉緊，在軌道上保持平動，不發(fā)生轉(zhuǎn)動。所述PIV光學(xué)測試平臺由C⑶數(shù)字相機和激光成像器兩部分組成，C⑶數(shù)字相機固定在模型箱與實心圓柱體相垂直的側(cè)面的一側(cè)，并與計算機圖像采集與分析系統(tǒng)相連接；激光成像器中的光源安放在模型箱與實心圓柱體相平行的側(cè)面的一側(cè)，并架設(shè)在一條軌道上，光源發(fā)出的單束激光通過透鏡組形成垂直的平面狀光束，該平面光束可以將塑料砂土層切片，通過軌道移動激光成像器可以得到不同的土層切片位置。本發(fā)明還涉及模擬液化后顆粒運動特性的試驗方法，其主要技術(shù)步驟在于
(I)取下模型箱 密封蓋，將透水材料鋪在透水面板上，使得透水材料完全覆蓋住整個透水面板，將配置好的塑料砂裝入模型箱，通過裝樣高度來控制塑料砂的相對密度，當(dāng)高度達到接近兩根軌道時暫時停止裝樣。(2)將實心圓柱體安放在軌道一側(cè)，兩側(cè)分別連接好鋼絲繩后，將鋼絲繩通過模型箱密封圈上的小孔引出模型箱，再通過定滑輪組連接到由正反轉(zhuǎn)的調(diào)速電機控制的軸承兩端，并拉緊鋼絲繩。(3)在鋼絲繩上裝好拉力傳感器。(4)繼續(xù)加入塑料砂，直至達到指定密實度對應(yīng)的高度，結(jié)束裝樣。(5)蓋上模型箱密封蓋，取下模型箱密封蓋上抽真空孔的蓋子，裝入真空泵的抽真空管對模型箱內(nèi)進行抽真空，當(dāng)抽真空操作結(jié)束后，蓋上抽真空孔的蓋子。(6)打開模型箱側(cè)面的注水孔，將調(diào)整好密度的無氣氯化鈉溶液注緩緩注入模型箱中，在注入的過程中注意盡量減少水面擾動，并保持水面的水平上升，直至水面剛好完全沒過塑料砂，停止注水，關(guān)閉注水孔，讓模型箱中的塑料砂進行飽和，一段時間后，當(dāng)液面低于塑料砂后再繼續(xù)注水到剛好淹沒位置，停止注水，繼續(xù)飽和，重復(fù)以上操作直至液面穩(wěn)定，此時的塑料砂將基本處于飽和懸浮狀態(tài)，即模擬的液化后狀態(tài)。(7)安裝好PIV光學(xué)平臺，打開激光成像器，切割出一個土層和實心圓柱體的剖面，打開調(diào)速電機和CCD數(shù)字相機，實心圓柱體在鋼絲繩的牽引下開始運動，CCD數(shù)字相機通過高速拍攝采集激光切面上塑料砂顆粒的運動狀態(tài)以及圓柱體周圍塑料砂土層的變形情況，拉力傳感器測量圓柱體運動過程中所受的拉力。(8)試驗過程中，通過移動激光成像器的位置可以測量不同位置塑料砂土層的變形和顆粒運動狀態(tài)。(9)采用互相關(guān)方法進行PIV圖像分析，從而獲得變形參數(shù)和顆粒運動狀態(tài)。設(shè)兩幀圖像之間的標準相關(guān)函數(shù)為C，可由下式給出
權(quán)利要求
1.一種模擬液化后顆粒運動特性的試驗裝置，包括模型箱、模型箱密封蓋、工作臺和PIV光學(xué)測試平臺、氯化鈉溶液、塑料砂、實心圓柱體，其特征在于模型箱采用透明的有機玻璃面板制成，模型箱密封蓋周圍包有密封圈，在模型箱密封蓋中間開有一個圓孔，孔徑大小與真空管外徑相等，在圓孔蓋子周圍套上防水橡皮圈進行密封；模型箱底部的一個側(cè)面上設(shè)有注水孔，孔徑大小與進水管外徑相等，在注水孔的蓋子周圍套上防水橡皮圈進行密封；模型箱四周的有機玻璃面板與基座之間每隔一定距離設(shè)置一塊連接塊，模型箱基座上開有螺紋孔，試驗過程中通過螺栓固定在工作臺上；模型箱內(nèi)設(shè)置兩根水平軌道，軌道上水平放置實心圓柱體；采用的塑料砂為一種低密度材料，密度為I. 14g/cm3，氯化鈉溶液濃度按照塑料砂的密度來配置；外接電動機上連接一根軸承；PIV光學(xué)測試平臺由CCD數(shù)字相機和激光成像器兩部分組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬液化后顆粒運動特性的試驗裝置，其特征在于模型箱內(nèi)的實心圓柱體兩側(cè)，均對稱的引出兩根鋼絲繩，每根鋼絲繩各連接一個動拉力傳感器，然后通過模型箱側(cè)面套有密封圈的小孔引出模型箱，再通過定滑輪組連接到由正反轉(zhuǎn)的調(diào)速電機控制的軸承兩端。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬液化后顆粒運動特性的試驗裝置，其特征在于模型箱底部的注水孔上方設(shè)置一塊透水板，透水板上鋪一層透水材料，在透水材料上裝入級配近似標準砂的塑料砂。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬液化后顆粒運動特性的試驗裝置，其特征在于實心圓柱體采用兩根對稱分布的鋼絲繩引導(dǎo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬液化后顆粒運動特性的試驗裝置，其特征在于CCD數(shù)字相機固定在模型箱與實心圓柱體相垂直的側(cè)面的一側(cè)，并與計算機圖像采集與分析系統(tǒng)相連接；激光成像器中的光源安放在模型箱與實心圓柱體相平行的側(cè)面的一側(cè)，并架設(shè)在一條軌道上，光源發(fā)出的單束激光通過透鏡組形成垂直的平面狀光束，該平面光束可以將塑料砂土層切片，通過軌道移動激光成像器可以得到不同的土層切片位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的模擬液化后顆粒運動特性的試驗裝置，其特征在于軸承的兩端對稱鏈接由模型箱中引出的兩根鋼絲繩，從而在電機帶動軸承轉(zhuǎn)動之后，兩根鋼絲繩可以同步帶動實心圓柱體在軌道上運動。
7.一種基于權(quán)利要求I所述的模擬液化后顆粒運動特性的試驗裝置的試驗方法，包括以下步驟 (1)取下模型箱密封蓋，將透水材料鋪在透水面板上，使得透水材料完全覆蓋住整個透水面板，將配置好的塑料砂裝入模型箱，當(dāng)高度接近兩根軌道時暫時停止裝樣； (2)將實心圓柱體安放在軌道一側(cè)，兩側(cè)分別連接鋼絲繩后，將鋼絲繩通過模型箱密封圈上的小孔引出模型箱，再通過定滑輪組連接到由正反轉(zhuǎn)的調(diào)速電機控制的軸承兩端，并拉緊鋼絲繩；在鋼絲繩上裝好拉力傳感器； 其特征是還包括以下步驟 (3)繼續(xù)加入塑料砂，直至完全沒過實心圓柱體，結(jié)束裝樣； (4)蓋上模型箱密封蓋，利用真空泵通過抽真空管對模型箱內(nèi)進行抽真空；(5)打開模型箱側(cè)面的注水孔，將調(diào)整好密度的無氣氯化鈉溶液緩緩注入模型箱中，直至水面完全沒過塑料砂，停止注水，讓模型箱中的塑料砂靜置飽和，一段時間后，當(dāng)液面低于塑料砂后，再繼續(xù)注水到淹沒塑料砂，繼續(xù)靜置飽和，重復(fù)以上操作直至液面穩(wěn)定，即認為此時的塑料砂基本處于飽和懸浮狀態(tài)，即模擬的砂土液化后狀態(tài)； (6)安裝好PIV光學(xué)平臺，打開激光成像器，切割出一個土層和實心圓柱體的剖面，打開調(diào)速電機和CXD數(shù)字相機，實心圓柱體在鋼絲繩的牽引下開始運動，CXD數(shù)字相機通過高速拍攝采集激光切面上塑料砂顆粒的運動狀態(tài)以及圓柱體周圍塑料砂土層的變形情況，拉力傳感器測量圓柱體運動過程中所受的拉力；通過移動激光成像器的位置測量不同位置塑料砂土層的變形和顆粒運動狀態(tài)； (7)采用互相關(guān)方法進行PIV圖像分析，從而獲得變形參數(shù)和顆粒運動狀態(tài)；兩幀圖像之間的標準相關(guān)函數(shù)為C，按下式計算￡(減,靜)=|4 (X,7)/,(xiAj/)(l) m xcfAX.AJ)-Ar, Jj+Ay)(2) 式(2)為式(I)的離散形式，式中A是Interrogation塊， IO和Il分別是兩幀圖 像的灰度集度， N是Interrogation塊窗口的像素尺寸；將第二巾貞圖像中Interrogation塊沿圖像坐標平移Ax和Ay，計算相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，進而構(gòu)成空間相關(guān)平面；若兩幀圖像之間有位移，那么就可以用相關(guān)面中相關(guān)系數(shù)的峰值坐標表示圖像位移的方向和大??；計算每一個Interrogation塊的位移可構(gòu)成整個圖像的位移場,進而獲得變形參數(shù)和顆粒運動狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種模擬液化后顆粒運動特性的試驗裝置和方法。所述裝置包括模型箱、模型箱密封蓋、工作臺和PIV光學(xué)測試平臺，模型箱采用透明有機玻璃材料制成，側(cè)面設(shè)有注水孔，密封蓋上設(shè)有抽真空孔，內(nèi)部布置兩根軌道，外部連接定滑輪組和正反轉(zhuǎn)電動機。所述測試方法包括通過在特定密度氯化鈉溶液中懸浮的塑料砂來模擬液化后的砂土，然后由電動機牽引鋼絲繩，帶動實心圓柱體在軌道上作水平運動，采用PIV光學(xué)測試平臺測量其運動過程中圓柱體周圍塑料砂顆粒的運動狀態(tài)，并利用拉力傳感器測量圓柱體運動過程中所受的水平拉力。本發(fā)明具有精確度高、操作簡單、模擬液化后狀態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)點。
文檔編號G01N15/00GK102735594SQ20121019147
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者丁選明, 劉漢龍, 周葛, 陳育民 申請人:河海大學(xué)