用于砂土液化过程中多频电阻率测试的试验装置及方法

摘要

本发明提供了用于砂土液化过程中多频电阻率测试的试验装置及方法，属于电阻率测试技术领域，砂土液化过程需要振动台，振动台上设有用于发生振动的台座，台座上固设有液化发生槽，液化发生槽内填充砂土，砂土内间隔插入测试电极，测试电极与测试系统电连接；本发明针对多频电阻率测试的试验装置问题，建立砂土液化参数与电阻率参数之间的相互关系，实现动态的砂土电阻率测试，运用动态电阻率参数对砂土液化过程表征，具有快速、实时、动态的优势。

说明书

技术领域

本发明涉及电阻率测试技术领域，具体而言，涉及用于砂土液化过程中多频电阻率测试的试验装置及方法。

背景技术

砂土液化是饱和砂土在受到振动作用后，孔隙水压力升高，土中有效应力减小直至消失，使砂土颗粒悬浮在水中，形成液态的现象。砂土液化现象是地震时造成不均匀沉降，导致震区地表裂缝、土地冒砂和地基变形等地质灾害的主要原因之一，因此对砂土液化的评价是抗震防灾的一项主要指标。

砂土液化不仅仅受到相对密实度的影响，还受到颗粒结构的定向排列、级配以及原位应力状态等因素的影响。常规测试中，还没有直接有效的方式实现液化过程中各项物理性质变化的快速、实时监测，从而很难对砂土液化进行有效的评价。

论文《饱和砂土电阻率的测试方法研究》提出了以砂土液化过程中孔隙率变化的规律为背景，开展饱和砂土的电阻率定量确定方法研究，该论文提出以四电极法或二电极法测定饱和砂土的电阻率；但该论文并没有给出具体的试验装置结构，该论文采用直流电源测定，并且是以电极类型、控制电极间距、电极入土深度和电压为变量测定电阻率，并没有以砂土液化过程中不同的电流频率为变量进行动态测定电阻率。

申请内容

本发明的目的提供一种用于砂土液化过程中多频电阻率测试的试验装置及方法，其针对多频电阻率测试的试验装置问题，建立砂土液化参数与电阻率参数之间的相互关系，实现电阻率对砂土液化过程的表征。本发明的实施例通过以下技术方案实现：

用于砂土液化过程中多频电阻率测试的试验装置及方法，用于砂土液化过程中多频电阻率测试的试验装置，所述砂土液化过程需要振动台，所述振动台上设有用于发生振动的台座，其特征在于：所述台座上固设有液化发生槽，所述液化发生槽内填充砂土，所述砂土内间隔插入测试电极，所述测试电极与测试系统电连接。

进一步地，液化发生槽包括砂槽和固定于砂槽底部和内壁的多孔海绵；所述砂土填充于多孔海绵之间。

进一步地，测试系统包括依次串联的数据收集与控制系统、变频测试仪和电极转换箱，所述电极转换箱与测试电极连接。

进一步地，所述测试电极包括一对刚性电极和若干组柔性电极，所述刚性电极紧贴于海绵内壁并与砂槽底部铰接，所述柔性电极均匀插入砂土内并关于砂槽中心面镜面对称；所述砂槽上设有限位装置，所述柔性电极顶端卡入限位装置，所述柔性电极底端与砂槽底部滑动连接；所述一对刚性电极分别与电极转换箱的A接头电连接，所述若干组柔性电极分别与电极转换箱的V接头电连接。

进一步地，所述刚性电极内侧固定连接有渐变栅格，所述渐变栅格的格栅密度越靠近刚性电极越大。

进一步地，所述柔性电极为窄条形，并且该柔性电极在振动方向具有柔性。

进一步地，所述柔性电极上设有位移计、加速度计和孔隙水压计，所述位移计、加速度计和孔隙水压计均与数据收集和控制系统连接。

进一步地，所述数据收集和控制系统与振动台之间串联有波形发生器。

一种砂土液化过程中多频电阻率测试的测试方法，运用所述用于砂土液化过程中多频电阻率测试的试验装置，包括以下步骤：

S1：装配完整的试验装置并在液化发生槽内均匀铺满砂土，在此步骤中，需要保证刚性电极和柔性电极保持竖直；

S2：完成S1后，从多孔海绵的顶部灌入自来水，直至砂土饱和；

S3：完成S2后，调节限位装置，使柔性电极周围具有一定的移动空隙，启动测试系统，检查位移计、加速度计和孔隙水压计在数据收集与控制系统上显示的数值，并且记录数据；

S4：完成S3后，启动整个测试装置，通过数据收集与控制系统设置振动台的振动波形，数据收集和控制系统通过电极转换箱记录砂土液化整个过程中电学参数；同时，可以通过变频测试仪可快速改变电流频率，数据收集和控制系统收集位移计、加速度计和孔隙水压计的数据；该步骤直到砂土液化完成；

S5：砂土液化完成后，停止振动，保存各测试数据。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

1、本发明巧妙的布置测试电极，极大的降低了振动过程中测试电极扰动，提高动态测试电阻率的稳定性；

2、本发明在振动方向电极为柔性，既能测试对应部位的电压，又能反应振动过程中砂土的位移；

3、本发明利用测试系统采集测试数据和控制装置，并且控制砂土液化过程中的振动频率，从而达到实时测试在不同振动情况下的砂土液化的电阻率；

4、本发明中使用电极转换箱能够实现测试电极线路转化，提高了测试效率；

5、本发明采用交流电源，结合变频测试仪能够产生不同频率的交流电流，实现多频率下的交流电阻率的测试，交流电阻率对砂土孔隙度、粒径、级配等因素的变化敏感，砂土液化进行时，其内的孔隙比会发生变化，内部结构也会发生重构，从而便于构建砂土液化过程中多频交流电阻率参数的变化规律，实现电阻率对砂土液化过程的表征，具有快速、实时、动态的优势。

6、本发明采用多孔海绵降低振动对测试装置的影响，通过多孔海绵自下由上的灌入自来水，达到不用冲刷砂土的目的；

7、本发明中渐变栅格的设计，能够有效的保证砂土与刚性电极接触，保证测试稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明正视结构示意图；

图2为本发明俯视结构示意图；

图3为本发明中刚性电极提供电流和柔性电极测试电压的原理图；

图标：1-波形发生器；2-数据收集与控制系统；3-变频测试仪；4-电极转换箱；5-渐变栅格；6-刚性电极；7-多孔海绵；8-砂槽；9-台座；10-振动台；11-柔性电极；12-位移计；13-加速度计；14-孔隙水压计；15-限位装置；151-纵向限位；152-横向限位；16-砂土。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参照图1和图2，用于砂土16液化过程中多频电阻率测试的试验装置，所述砂土液化过程需要振动台10，所述振动台10上设有用于发生振动的台座9，台座9的激振方向为横向，振动台10属于本领域常规的技术，在此不做过多的赘述；所述台座9上固设有液化发生槽，所述液化发生槽内填充砂土16，所述砂土16内间隔插入测试电极，所述测试电极与测试系统电连接。

在本实施例中，液化发生槽包括砂槽8和固定于砂槽8底部和内壁的多孔海绵；所述砂槽8包括横向和纵向，在本实施例中，所述多孔海绵7固定于横向的平行两端和底部，横向两端的海绵与底部的海绵相连，方便灌入自来水；所述砂土16填充于多孔海绵7之间；多孔海绵7能够含有大量水分并且砂土16不会进入多孔海绵7内部，多孔海绵7能够起到缓冲作用，底端海绵还具有为砂土16提供摩擦力，从而保证砂土16受振均匀稳定。

在本实施例中，所述砂槽8为透明材质，可详细观察液化过程，也可用拍照、摄像装置记录数据和现象。

本实施例中，测试系统包括依次串联的数据收集与控制系统2、变频测试仪3和电极转换箱4，所述电极转换箱4与测试电极连接；其中，数据收集与控制系统2能够收集测试过程中的实时数据并且控制振动台10的振动频率；本实施例中所述的测试装置采用交流电，变频测试仪3能够产生不同的交流电流，并且通过电极转换箱4测试对应电极的电压，从而实现多频率下的交流电阻率的测试。

在本实施例中，所述测试电极包括一对刚性电极6和两组柔性电极11；所述两块刚性电极6紧贴于海绵内壁并与砂槽8底部铰接；所述每组柔性电极11中有三块电极，所述每组柔性电极11均匀插入砂土16内并关于砂槽8横向的中心面镜面对称，所述每组柔性电极11中的三块电极沿砂槽8的纵向均匀排布，有利于多数据采集。

在本实施例中，所述刚性电极6采用刚性铜板，该刚性铜板布满液化发生槽的横向两端，提供稳定的电流；所述柔性电极11采用柔性铜条，所述柔性铜条为窄条形，如图2所示，该柔性铜条在振动方向具有柔性，即在本实施例中，该柔性铜条左右方向具有柔性，前后方向不具有柔性，从而实时反应砂土的动态位移。

在本实施例中，所述砂槽8上设有两组限位装置15，一组限位装置15用于一组柔性电极11；所述限位装置15包括横向限位152和纵向限位151，所述纵向限位151沿纵向搭接于砂槽8的侧板上，所述横向限位152沿横向搭建在纵向限位151上；所述柔性电极11顶端卡紧于横向限位152与纵向限位151之间，所述柔性电极11底端与砂槽8底部滑动连接；

在本实施例中，刚性电极6提供电流和柔性电极11测试电压的原理图如图3所示，所述刚性电极6分别与电极转换箱4的A接头电连接，刚性电极6提供稳定电流；所述柔性电极11分别与电极转换箱4的V接头电连接，柔性电极11测试电压。

在本实施例中，所述刚性电极6内侧固定连接有渐变栅格5，所述渐变栅格5的格栅密度越靠近刚性电极6越大；渐变栅格5采用塑料材质，呈渐变分布，使砂土16受振时，越靠近刚性电极6越稳定，发生液化的可能性越小，以保证砂土16与刚性铜板电极的接触。

在本实施例中，所述柔性电极11上设有位移计12、加速度计13和孔隙水压计14，所述位移计12、加速度计13和孔隙水压计14均与数据收集和控制系统连接，在本实施例中，所述位移计12、加速度计13和孔隙水压计14从上到下依次分布，便于实时传递数据，全面获取各位置位移、加速度和孔隙水压力，三对数据取平均，提升了电阻率测试的准确性。

所述数据收集和控制系统与振动台10之间串联有波形发生器1，波形发生器1不断想振动台10传递振动波，使整个液化发生槽产生不同振动情况的横向振动。

一种砂土16液化过程中多频电阻率测试的测试方法，运用所述用于砂土16液化过程中多频电阻率测试的试验装置，包括以下步骤：

S1：将透明砂槽8固定在振动台10上，布置好多孔海绵7、刚性电极6和渐变栅格5等装置，在柔性电极11上布置和连接好位移计12、加速度计13和孔隙水压力计并且连接好刚性电极6、柔性电极11、电极转换箱4、变频测试仪3、数据收集与控制系统2、波形发生器1和振动台10；在液化发生槽内均匀铺满砂土16，在此步骤中，需要保证刚性电极6和柔性电极11保持竖直；

S2：完成S1后，从两端的多孔海绵7的顶部灌入自来水，自来水从两端的多孔海绵7流向底部的多孔海绵7，然后侵入砂土16，直至砂土16饱和；

S3：完成S2后，调节限位装置15，使柔性电极11周围具有一定的移动空隙，启动测试系统，检查位移计12、加速度计13和孔隙水压计14在数据收集与控制系统2上显示的数值，并且记录数据；

S4：完成S3后，启动整个测试装置，通过数据收集与控制系统2设置振动台10的振动波形，数据收集和控制系统通过电极转换箱4记录砂土16液化整个过程中电学参数；同时，可以通过变频测试仪3可快速改变电流频率，数据收集和控制系统收集位移计12、加速度计13和孔隙水压计14的数据，可记录柔性电极11的上端和下端的位移量，记做l

S5：砂土16液化完成后，停止振动，保存各测试数据。

S6：每个频率下的电阻率数据由公式：

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。