專利名稱：一種土體液化前的流動特性測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種流動特性測量裝置，特別涉及一種土體液化前的流動特性測
量裝置。
背景技術(shù)：
砂土液化特性是土動力學(xué)的研究熱點。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，一般情況下，由于有效應(yīng)力的存在，砂土的孔隙水壓力小于總應(yīng)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(dāng)孔隙水壓力增大到 與總應(yīng)力相等時，砂土中的有效應(yīng)力等于零，砂土骨架喪失了作用力，砂土顆?！皯腋　痹谒?中，這時砂土變成像流體一樣的物質(zhì)，喪失抗剪強度和承載能力，這就是飽和砂土的液化現(xiàn) 象。而飽和砂土在發(fā)生“完全液化”之前會達(dá)到一種“高孔壓比狀態(tài)”，在這種狀態(tài)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(yīng)力很小，但是并沒有達(dá)到完全液化 的零有效應(yīng)力狀態(tài)。砂土在高孔壓比狀態(tài)，砂土的抗剪強度極低，在剪應(yīng)力作用下也會發(fā)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(tài)之間的高孔壓比狀態(tài)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(shù)。在高孔壓比狀態(tài)下砂土的變形分析中，表觀黏度是重要的參數(shù)，它是表示流體的 內(nèi)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(yīng)力與剪應(yīng)變率 的比值。本實用新型之前，一般流體的表觀黏度測量常采用黏度計，包括旋轉(zhuǎn)黏度計、毛細(xì) 管黏度計和落球黏度計以及液化后流動特性裝置等。旋轉(zhuǎn)黏度計的原理是使流體在狹縫間 產(chǎn)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(xì)管黏度計是使流體在 重力作用下緩慢流過一個標(biāo)定好的玻璃毛細(xì)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(tài)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(tài)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(xiàn)在流體中勻速通過，因此傳統(tǒng)的落球黏度計不適 用于飽和砂土高孔壓狀態(tài)下的表觀黏度測量。(2)毛細(xì)管黏度計需要采用細(xì)長的玻璃管，旋轉(zhuǎn)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(xì)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(xì)管黏度計和旋轉(zhuǎn)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(tài)，在振動臺的作用下，孔壓急 速上升，瞬間達(dá)到液化，在實驗室很難得到液化前的高孔壓比狀態(tài)。(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(guī)黏度計的測量范圍。(5)飽和砂土在高孔壓比狀態(tài)下發(fā)生流動變形時的速率較低，而常規(guī)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(tài)流動變形時的特點。發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就在于克服上述傳統(tǒng)黏度計不適用于測量飽和砂土液化前高 孔壓比狀態(tài)下的流動特性的缺陷，提出一種土體液化前的流動特性測量裝置。本實用新型采用的技術(shù)方案是一種土體液化前的流動特性測量裝置，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(cè)面底部設(shè)置一個控水閥門，其底部高度與模型箱內(nèi)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(nèi)的出水管連接。模型 箱內(nèi)下部放置開孔硬板，且在水平設(shè)置兩根平行的導(dǎo)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(hù)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(zhuǎn)的調(diào)速電機 上。模型箱中設(shè)置動孔壓傳感器。通過改變外接水箱的水位，使模型箱中的飽和砂土處于 液化前的超孔壓比狀態(tài)。電機驅(qū)動剛性球在軌道上作水平運動，測量其速度和所受到的阻 力，計算飽和砂土液化前的表觀黏度。所述的出水管由3通連接，引出5個出水口，保證均勻出水。所述的動孔壓傳感器設(shè)置在模型箱中與剛性球同等高度處。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(nèi)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(jìn)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(cè)面底 部設(shè)置一個控水閥門，通過開關(guān)閥門，使水位達(dá)到試驗所需要求。所述軟管端部設(shè)置一閥門，此閥門在水位調(diào)節(jié)好，試驗開始之前開啟。所述的導(dǎo)桿材質(zhì)為剛性材料，表面光滑，通?？蛇x用截面為圓形的鋼筋為導(dǎo)桿。所述的剛性球表面光滑，通常可采用鋼性球。所述的牽引繩通常可采用牽引繩。牽引繩通過定滑輪組引出模型箱外并與調(diào)速電 機的輸出軸連接。在模型箱外牽引繩上連接動位移傳感器和動拉力傳感器。所述的調(diào)速電機采用低速電機，其最大轉(zhuǎn)速為8r/min。本實用新型的土體液化前的流動特性測量裝置利用了流體力學(xué)中落球黏度計的 試驗原理，相當(dāng)于一個水平放置的落球黏度計，保證了表觀黏度測量的理論基礎(chǔ)。本實用新 型能夠?qū)μ幱谝夯案呖讐罕葼顟B(tài)下的飽和砂土進(jìn)行表觀黏度的測量。具體優(yōu)點和效果在 于(1)采用了靜力的方式，通過改變外接水箱的水頭使飽和砂土達(dá)到液化前的高孔 壓比狀態(tài)，避免了現(xiàn)有的常規(guī)黏度計不能用于飽和砂土液化前的表觀黏度測量的不足。(2)模型箱下部采用開孔硬板，使得出水均勻，避免飽和砂土管涌破壞的出現(xiàn)。(3)外接水箱內(nèi)水位可調(diào)節(jié)，可根據(jù)試驗要求，設(shè)計不同的水位，從而得到不同的 孔壓比。[0027](4)采用了低速電機驅(qū)動，可以使剛性球在水平軌道上緩慢運動，使流體產(chǎn)生緩慢 剪切，從而接近飽和砂土液化流動時的運動特征。(5)滑輪系統(tǒng)設(shè)計能夠讓剛性球進(jìn)行雙向運動，從而進(jìn)行平行試驗，大大提高試驗效率。(6)采用剛性球作為運動的對象，剛性球與周圍砂土密切接觸，避免了邊界效應(yīng)的影響。(7)采用距離可調(diào)的兩根平行鋼筋形成軌道，可以使用不同直徑的剛性球，如 10mm、20mm、30mm和40mm的剛性球作為運動對象，能夠保證不同直徑的剛性球都能夠在軌 道上穩(wěn)定運動，從而比較不同剛性球直徑對試驗結(jié)果的影響。(8)采用硬質(zhì)盒作為定滑輪組的保護(hù)盒，能夠避免試驗中砂土進(jìn)入定滑輪而導(dǎo)致 摩擦過大，出現(xiàn)動拉力傳感器讀數(shù)不精確的情況出現(xiàn)。(9)動拉力傳感器與動位移傳感器連接，放置在模型箱外，可避免將動拉力傳感器 直接與剛性球連接，埋在飽和沙土中時所需的防水處理。
以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式
進(jìn)行詳細(xì)描述。本實用新型的保護(hù)范 圍并不以具體實施方式
為限，而是由權(quán)利要求加以限定。

圖1本實用新型表觀黏度測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本實用新型裝置模型箱俯視圖；圖3本實用新型硬板和出水管詳圖；圖4模型箱下部出水管連接圖；圖5定滑輪及保護(hù)裝置示意圖；圖6軌道支架俯視圖；圖7軌道支架主視圖； 圖8模型箱內(nèi)定滑輪組位置示意圖。圖中1——低速可調(diào)電機；2——動拉力傳感器；3——動位移傳感器；4——電機 支架；5——定滑輪；6——模型箱；7——飽和砂土 ；8——剛性球；9——牽引繩；10——定 滑輪組保護(hù)盒；11——軌道支架；12——動孔壓傳感器；13——軌道；14——硬板；15—— 軟管；16——外接水箱；17——閥門；18——水箱支架；19——刻度尺；20——出水管； 21——硬板支撐。
具體實施方式
一種土體液化前的流動特性測量裝置，包括外接水箱(16)，軟管(1 和固定的模 型箱(6)，還包括低速可調(diào)電機(1)、動拉力傳感器( 、動位移傳感器C3)、定滑輪(5)、剛性 球(8)、牽引繩(9)、定滑輪組保護(hù)盒(10)、軌道支架(11)、動孔壓傳感器(12)、軌道(13)、 硬板(14)、控水閥門(17)、水箱支架(18)、刻度尺(19)、出水管(20)、硬板支撐01)。模型箱(6)下部的硬板(14)，開有均勻圓孔，圓孔直徑5mm，孔間距為20mm，硬板 (14)尺寸比模型箱㈩)內(nèi)尺寸稍小。硬板(14)距離模型箱(6)底部8mm，在底部四角處焊 接支撐，以此搭放在模型箱(6)底部。硬板(14)正對模型箱(6)焊接的定滑輪處開一口，方便硬板(14)取出。硬板(14)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(14)下方堵住進(jìn)水口。與模型箱(6)相連的軟管(15)與出水管00)連接，出水管00)由三通連接，引 出5個出水口，保證均勻出水。在模型箱(6)外軟管(15)端口處設(shè)置閥門(17)，此閥門在 水位調(diào)節(jié)好，試驗開始之前開啟。外接水箱(16)放置的底部高度與模型箱(6)內(nèi)試樣頂部高度保持一致，水箱(16) 外壁垂直布置一根刻度尺(19)，以此讀出水位高度。外接水箱側(cè)面底部設(shè)置一個控水閥門 (17)，通過開關(guān)閥門，使水位達(dá)到試驗所需要求。外接水箱(16)放置在支架(18)上。軌道(1 由模型箱內(nèi)水平設(shè)置的兩根平行的直徑5mm的光滑鋼筋形成，可由軌道 支架(11)固定。一種固定方式是在鋼筋兩端車出螺紋，穿過軌道支架(11)中的圓孔或槽， 用螺母進(jìn)行固定。軌道支架(11)上可設(shè)置一組距離不等的孔，用來固定并調(diào)整兩根平行鋼 筋之間的距離。軌道支架(11)采用5mm厚度鋼條彎折成“幾”字形狀，兩腳用來固定軌道 支架(11)；在鋼條平面上鉆出8個直徑為5mm的圓孔和1個半圓孔，使軌道(13)可以通過 圓孔。半圓孔的圓心與軌道(1 上的剛性球球心的投影始終重疊，牽引繩(9)從此穿過； 8個圓孔分為4組，每組兩個圓孔其圓心高度相同，距離小于(一組不同尺寸的剛性球中某 一)剛性球直徑，并與該剛性球的投影(圖中以虛線表示的一組同心圓)相切，這樣能保證 不同直徑的剛性球都能夠在軌道上穩(wěn)定運動。軌道支架(11)焊接或以其它方式固定在模 型箱(6)的兩個側(cè)面。剛性球⑶放置在軌道(13)上，剛性球⑶的直徑可以用10mm、20mm、30mm和 40mm，從而達(dá)到不同的剪切速率。剛性球(8)兩端自其中心由牽引繩(9)。牽引繩(9)由 定滑輪組(5)引出模型箱(6)夕卜，牽引繩(9)先經(jīng)過定滑輪組保護(hù)盒(10)，由兩只定滑輪 (5)引出，兩只定滑輪( 分別固定在軌道(1 兩端的模型箱(6)的側(cè)面上，位于軌道支架
(11)上方等高處，且兩只定滑輪(5)間牽引繩(9)與軌道(1 平行；再經(jīng)模型箱上部兩只 定滑輪(5)引出模型箱(6)外，與兩只動位移傳感器C3)相連，再與兩只動拉力傳感器(2) 相連后，再連接到正反轉(zhuǎn)的低速可調(diào)電機(1)上，低速可調(diào)電機(1)固定在電機支架(4) 上。所述的裝置中還包括模型箱(6)中與剛性球(8)同等高度處設(shè)置的動孔壓傳感器
(12)。所述的裝置通過改變外接水箱(16)的水位，使模型箱(6)中的飽和砂土(7)處于 液化前的超孔壓比狀態(tài)。低速可調(diào)電機(1)通過牽引繩(9)驅(qū)動剛性球(8)在軌道(13) 上作水平運動，測量其速度和所受到的阻力，即可計算飽和砂土液化前的表觀黏度。本實用新型的保護(hù)范圍并不僅僅局限于具體實施方式
的描述，比如對于軌道支架 或滑輪組也可以采用任何其它具有相同功能的設(shè)計，凡采用本實用新型的等同替換、等效 變換形成的技術(shù)方案，均落在本實用新型要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種土體液化前的流動特性測量裝置，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底部高度與模型箱內(nèi)試樣頂部高度一致，與外接水箱連接的模 型箱內(nèi)下部放置均勻開孔硬板，且在水平設(shè)置兩根平行的導(dǎo)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(hù)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(zhuǎn)的調(diào) 速電機上，在模型箱中與剛性球等高處設(shè)置動孔壓傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土體液化前的流動特性測量裝置，其特征在于外接水 箱由軟管與模型箱連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土體液化前的流動特性測量裝置，其特征在于外接水 箱側(cè)面底部設(shè)置一個控水閥門，以控制水位變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土體液化前的流動特性測量裝置，其特征在于外接水 箱外壁垂直布置一根刻度尺。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土體液化前的流動特性測量裝置，其特征在于所述的 硬板開有均勻圓孔，圓孔直徑5mm，孔間距為20mm，硬板整體用編織布包裹。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種土體液化前的流動特性測量裝置，其特征在于模 型箱內(nèi)由出水管與軟管連接，出水管由三通連接，引出5個出水口。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土體液化前的流動特性測量裝置，其特征在于所述的 定滑輪組由硬質(zhì)保護(hù)盒保護(hù)。
專利摘要本實用新型涉及一種土體液化前的流動特性測量裝置。所述裝置包括模型箱和可調(diào)節(jié)水面高度的外接水箱，水箱底部引出軟管，軟管穿過模型箱底部開孔與模型箱內(nèi)的出水管連接，模型箱內(nèi)下部放置開孔硬板。兩端由牽引繩牽引的剛性球置在模型箱內(nèi)的水平軌道上，牽引繩通過定滑輪組引出模型箱外并連接到正反轉(zhuǎn)的調(diào)速電機上。通過改變外接水箱的水位，使模型箱中的飽和砂土處于液化前的超孔壓比狀態(tài)。電機驅(qū)動剛性球在軌道上作水平運動，測量其速度和所受到的阻力，計算飽和砂土液化前的表觀黏度。本實用新型具有效率高、邊界效應(yīng)小的優(yōu)點。
文檔編號G01N11/10GK201903494SQ201020548770
公開日2011年7月20日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者丁選明, 林奔, 沙小兵, 陳育民 申請人:河海大學(xué)