一种饱和砂土高孔压比状态下的表观黏度测量装置和方法

摘要

本发明涉及一种饱和砂土高孔压比状态的表观黏度测量装置和方法。所述装置包括模型箱和可调节水面高度的外接水箱，水箱底部引出软管，软管穿过模型箱底部开孔与模型箱内的出水管连接，模型箱内下部放置开孔硬板。两端由牵引绳牵引的刚性球置在模型箱内的水平轨道上，牵引绳通过定滑轮组引出模型箱外并连接到正反转的调速电机上。通过改变外接水箱的水位，使模型箱中的饱和砂土处于液化前的超孔压比状态。电机驱动刚性球在轨道上作水平运动，测量其速度和所受到的阻力，计算饱和砂土液化前的表观黏度。本发明解决了饱和砂土液化前高孔压比状态的表观黏度的测量问题，具有试验操作简单、效率高、边界效应小的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种黏度测量装置和方法，特别涉及一种饱和砂土高孔压比状态下的表观黏度的测量装置和方法。

背景技术

砂土液化特性是土动力学的研究热点。饱和砂土的总应力由有效应力和孔隙水压力两部分组成，一般情况下，由于有效应力的存在，砂土的孔隙水压力小于总应力。然而，在地震、爆炸等动荷载作用下，饱和砂土中的孔隙水压力会不断升高，当孔隙水压力增大到与总应力相等时，砂土中的有效应力等于零，砂土骨架丧失了作用力，砂土颗粒“悬浮”在水中，这时砂土变成像流体一样的物质，丧失抗剪强度和承载能力，这就是饱和砂土的液化现象。而饱和砂土在发生“完全液化”之前会达到一种“高孔压比状态”，在这种状态下，砂土中的超孔隙水压力逐渐上升，而消散缓慢，土体的有效应力很小，但是并没有达到完全液化的零有效应力状态。砂土在高孔压比状态，砂土的抗剪强度极低，在剪应力作用下也会发生流动大变形，其中高孔压比指某时刻的孔压值与砂土液化时的孔压值之比高于0.5。因此，有必要对这种介于未液化和完全液化状态之间的高孔压比状态中的饱和砂土开展其表观黏度的测量，为砂土液化流动变形计算提供参数。

在高孔压比状态下砂土的变形分析中，表观黏度是重要的参数，它是表示流体的内摩擦的物理量，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以及液化后流动特性装置等。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，将一刚性球放入盛满流体的透明量筒，刚性球凭重力下落，测量刚性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饱和砂土液化前高孔压比状态下的表观黏度，原因为：

(1)落球黏度计测量时是刚性球凭重力下落，测量刚性球在流体中匀速通过时的速度来计算流体的表观黏度，而饱和砂土在高孔压比状态下，砂土颗粒之间还存在着一定的相互作用力，仅凭刚性球重力无法实现在流体中匀速通过，因此传统的落球黏度计不适用于饱和砂土高孔压状态下的表观黏度测量。

(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)液化后流动特性装置采用振动台来模拟液化状态，在振动台的作用下，孔压急速上升，瞬间达到液化，在实验室很难得到液化前的高孔压比状态。

(4)已有试验证明，饱和砂土液化前的表观黏度非常高，超出常规黏度计的测量范围。

(5)饱和砂土在高孔压比状态下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，不能合理反映饱和砂土液化前高孔压比状态流动变形时的特点。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述传统黏度计不适用于测量饱和砂土高孔压比状态下的表观黏度的缺陷，提出一种饱和砂土高孔压比状态下的表观黏度的测量装置和方法。

本发明采用的技术方案是：

一种饱和砂土高孔压比状态下的表观黏度测量装置，包括固定的模型箱以及与模型箱连接的外接水箱，其特征在于：外接水箱侧面底部设置一个控水阀门，其底部高度与模型箱内试样顶部高度一致，水箱底部引出软管，软管穿过模型箱底部开孔与模型箱内的出水管连接。模型箱内下部放置开孔硬板，且在水平设置两根平行的导杆形成轨道，刚性球置在轨道上，刚性球两端由牵引绳牵引，牵引绳穿过定滑轮保护盒，并通过定滑轮组引出模型箱外与两只动位移传感器相连，两只动位移传感器分别连接动拉力传感器，再连接到正反转的调速电机上。

所述的出水管由3通连接，引出5个出水口，保证均匀出水。

所述的装置还包括模型箱中与刚性球同等高度处设置的动孔压传感器。

所述的硬板开有均匀圆孔，圆孔直径5mm，孔间距为20mm，硬板尺寸比模型箱内尺寸稍小。硬板距离模型箱底部8mm，在底部四角处焊接钢筋支撑，以此搭放在模型箱底部。硬板正对模型箱焊接的定滑轮处开一口，方便硬板取出。硬板整体用编织布包裹，防止砂土堵塞圆孔且防止砂土掉入硬板下方堵住进水口。

所述的外接水箱外壁垂直布置一根刻度尺，以此读出水位高度，外接水箱侧面底部设置一个控水阀门，通过开关阀门，使水位达到试验所需要求。

所述软管端部设置一阀门，此阀门在水位调节好，试验开始之前开启。

所述的导杆材质为刚性材料，表面光滑，通常可选用截面为圆形的钢筋为导杆。

所述的刚性球表面光滑，通常可采用钢性球。

所述的调速电机采用低速电机，其最大转速为8r/min。

一种基于上述测量装置的使用方法，其主要技术步骤在于：

(1)在模型箱底部放置硬板，通过下部焊接的钢筋搭放在模型箱上，外接水箱通过软管连接模型箱，保证软管处阀门关闭，将模型箱充水。

(2)刚性球放置在轨道支架上，在刚性球两端分别用牵引绳连接，并将牵引绳穿过定滑轮组保护盒及定滑轮组至模型箱外，连接动位移传感器及动拉力传感器后固定在调速电机的输出轴上；

(3)在模型箱内部铺设砂土，采用空中砂雨法，将砂土均匀分层铺入模型箱，每层的高度定为5cm，铺设的质量通过相对密度来控制，使砂土达到饱和，并静置24小时使砂土固结；

(4)将模型箱固定，以有效应力原理计算出的饱和砂土液化时所需外接水箱的水位高度为基准，通过外界水箱底部的出水阀门改变外接水箱的水位高度使得孔压达到试验所需的饱和砂土为液化前的高孔压比状态；

(5)打开软管处阀门，对模型箱充水，改变模型箱的水位高度，使孔压达到试验所需状态；

(6)开启调速电机，电机转动带动牵引绳运动，使得刚性球在轨道上作水平运动，并测量刚性球运动过程中的位移和所受到的阻力；

(7)将电机反转，使刚性球向相反的方向运动，测量刚性球运动过程中的位移和所受到的阻力；

(8)根据下式，计算液化后砂土的表观黏度：

$\eta =\frac{F}{6\mathrm{\pi av}}---\left(1\right)$

式中，F为刚性球所受的阻力，a为刚性球的半径，v为刚性球运动的速度。

刚性球所受的阻力F即为某一时刻动拉力传感器的读数，刚性球运动速度v可通过动位移传感器记录的位移时间曲线求得。

本发明的饱和砂土液化前高孔压比状态下表观黏度测量装置利用了流体力学中落球黏度计的试验原理，相当于一个水平放置的落球黏度计，保证了表观黏度测量的理论基础。本发明能够对处于液化前高孔压比状态下的饱和砂土进行表观黏度的测量。具体优点和效果在于：

(1)采用了静力的方式，通过改变外接水箱的水头使饱和砂土达到液化前的高孔压比状态，避免了现有的常规黏度计不能用于饱和砂土液化前的表观黏度测量的不足。

(2)模型箱下部采用开孔硬板，使得出水均匀，避免饱和砂土管涌破坏的出现。

(3)外接水箱内水位可调节，可根据试验要求，设计不同的水位，从而得到不同的孔压比。

(4)采用了低速电机驱动，可以使刚性球在水平轨道上缓慢运动，使流体产生缓慢剪切，从而接近饱和砂土液化流动时的运动特征。

(5)滑轮系统设计能够让刚性球进行双向运动，从而进行平行试验，大大提高试验效率。

(6)采用刚性球作为运动的对象，刚性球与周围砂土密切接触，避免了边界效应的影响。

(7)采用距离可调的两根平行钢筋形成轨道，可以使用不同直径的刚性球，如10mm、20mm、30mm和40mm的刚性球作为运动对象，能够保证不同直径的刚性球都能够在轨道上稳定运动，从而比较不同刚性球直径对试验结果的影响。

(8)采用硬质盒作为定滑轮组的保护盒，能够避免试验中砂土进入定滑轮而导致摩擦过大，出现动拉力传感器读数不精确的情况出现。

(9)动拉力传感器与动位移传感器连接，放置在模型箱外，可避免将动拉力传感器直接与刚性球连接，埋在饱和沙土中时所需的防水处理。

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。

附图说明

图1本发明表观黏度测量装置结构示意图；

图2本发明装置模型箱俯视图；

图3本发明硬板和出水管详图；

图4模型箱下部出水管连接图；

图5定滑轮及保护装置示意图；

图6轨道支架俯视图；

图7轨道支架主视图；

图8模型箱内定滑轮组位置示意图。

图中：1——低速可调电机；2——动拉力传感器；3——动位移传感器；4——电机支架；5——定滑轮；6模型箱；7——饱和砂土；8——刚性球；9——牵引绳；10——定滑轮组保护盒；11——轨道支架；12——动孔压传感器；13——轨道；14——硬板；15——软管；16——外接水箱；17——阀门；18——水箱支架；19——刻度尺；20——出水管；21——硬板支撑。

具体实施方式

一种饱和砂土高孔压比状态下的表观黏度测量装置，包括外接水箱(16)，软管(15)和固定的模型箱(6)，还包括低速可调电机(1)、动拉力传感器(2)、动位移传感器(3)、定滑轮(5)、刚性球(8)、牵引绳(9)、定滑轮组保护盒(10)、轨道支架(11)、动孔压传感器(12)、轨道(13)、硬板(14)、控水阀门(17)、水箱支架(18)、刻度尺(19)、出水管(20)、硬板支撑(21)。

模型箱(6)下部的硬板(14)，开有均匀圆孔，圆孔直径5mm，孔间距为20mm，硬板(14)尺寸比模型箱(6)内尺寸稍小。硬板(14)距离模型箱(6)底部8mm，在底部四角处焊接支撑(21)，以此搭放在模型箱(6)底部。硬板(14)正对模型箱(6)焊接的定滑轮处开一口，方便硬板(14)取出。硬板(14)整体用编织布包裹，防止砂土堵塞圆孔且防止砂土掉入硬板(14)下方堵住进水口。

与模型箱(6)相连的软管(15)与出水管(20)连接，出水管(20)由三通连接，引出5个出水口，保证均匀出水。在模型箱(6)外软管(15)端口处设置阀门(17)，此阀门在水位调节好，试验开始之前开启。

外接水箱(16)放置的底部高度与模型箱(6)内试样顶部高度保持一致，水箱(16)外壁垂直布置一根刻度尺(19)，以此读出水位高度。外接水箱侧面底部设置一个控水阀门(17)，通过开关阀门，使水位达到试验所需要求。外接水箱(16)放置在支架(18)上。

轨道(13)由模型箱内水平设置的两根平行的直径5mm的光滑钢筋形成，可由轨道支架(11)固定。一种固定方式是在钢筋两端车出螺纹，穿过轨道支架(11)中的圆孔或槽，用螺母进行固定。轨道支架(11)上可设置一组距离不等的孔，用来固定并调整两根平行钢筋之间的距离。轨道支架(11)采用5mm厚度钢条弯折成“几”字形状，两脚用来固定轨道支架(11)；在钢条平面上钻出8个直径为5mm的圆孔和1个半圆孔，使轨道(13)可以通过圆孔。半圆孔的圆心与轨道(13)上的刚性球球心的投影始终重叠，牵引绳(9)从此穿过；8个圆孔分为4组，每组两个圆孔其圆心高度相同，距离小于(一组不同尺寸的刚性球中某一)刚性球直径，并与该刚性球的投影(图中以虚线表示的一组同心圆)相切，这样能保证不同直径的刚性球都能够在轨道上稳定运动。轨道支架(11)焊接或以其它方式固定在模型箱(6)的两个侧面。

刚性球(8)放置在轨道(13)上，刚性球(8)的直径可以用10mm、20mm、30mm和40mm，从而达到不同的剪切速率。刚性球(8)两端自其中心由牵引绳(9)。牵引绳(9)由定滑轮组(5)引出模型箱(6)外，牵引绳(9)先经过定滑轮组保护盒(10)，由两只定滑轮(5)引出，两只定滑轮(5)分别固定在轨道(13)两端的模型箱(6)的侧面上，位于轨道支架(11)上方等高处，且两只定滑轮(5)间牵引绳(9)与轨道(13)平行；再经模型箱上部两只定滑轮(5)引出模型箱(6)外，与两只动位移传感器(3)相连，再与两只动拉力传感器(2)相连后，再连接到正反转的低速可调电机(1)上，低速可调电机(1)固定在电机支架(4)上。

所述的装置中还包括模型箱(6)中与刚性球(8)同等高度处设置的动孔压传感器(12)。

一种使用上述装置测量饱和砂土高孔压比状态下的表观黏度的方法，具体步骤包括：

(1)在模型箱(6)底部放置硬板(14)，通过下部焊接的钢筋搭放在模型箱(6)上，外接水箱(16)通过软管(15)连接模型箱(6)，保证软管处阀门(17)关闭，将模型箱(6)充水。

(2)将钢筋穿过焊接在模型箱(6)侧壁上的轨道支架(11)上的圆孔，并用螺母将其两端固定，形成水平轨道(13)。

将刚性球(8)放置在轨道(13)的中间位置，将牵引绳(9)与刚性球(8)连接，并穿过定滑轮组保护盒(10)及轨道支架(11)上方的定滑轮(5)，再经模型箱(6)上部定滑轮(5)引出模型箱(6)。

将动孔压传感器(12)放置在刚性球(8)同等高度位置。

(3)在模型箱(6)内部铺设砂土，采用空中砂雨法，将砂土均匀分层铺入模型箱(6)，每层的高度定为5cm，铺设的质量通过相对密度来控制，使砂土达到饱和，并静置24小时使砂土固结；

(4)将模型箱(6)固定，打开软管处阀门(17)，以有效应力原理计算出的饱和砂土液化时所需外接水箱(16)的水位高度为基准，通过外界水箱(16)底部的出水阀门(17)改变外接水箱(16)的水位高度使得孔压达到试验所需的饱和砂土为液化前的高孔压比状态，在此过程中观察动孔压传感器(12)的读数。

(5)当动孔压传感器(12)的读数达到通过计算得到的饱和砂土(7)某一高孔压比状态时所需的孔隙水应力时，启动低速可调电机(1)开始拉动刚性球(8)运动。

(6)记录刚性球(8)运动时的动位移传感器(3)和动拉力传感器(2)的读数。

(7)当刚性球(8)完成一定位移后将低速可调电机(1)反转，使刚性球(8)向相反的方向运动。

(8)通过改变低速可调电机(1)的转速获得不同的刚性球(8)运动速度，按式(I)计算不同运动速度下饱和砂土液化前某一高孔压比状态下的表观黏度：

$\eta =\frac{F}{6\mathrm{\pi av}}---\left(I\right)$

式中，F为动拉力传感器(2)的读数，即刚性球(8)所受的阻力，a为刚性球(8)的半径，v为刚性球(8)运动的速度，可通过动位移传感器(3)记录的位移时间曲线求得。

本发明的保护范围并不仅仅局限于具体实施方式的描述，比如对于轨道支架或滑轮组也可以采用任何其它具有相同功能的设计，凡采用本发明的等同替换、等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。