一种研究液化土体侧向流滑特性的试验系统

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体为一种试验系统。

背景技术

地震过程中饱和砂土液化诱发的侧向流滑是常见的地震破坏现象之一。该 侧向流滑是造成液化区内公路、铁路、房屋、桥梁、堤防、渠道、水利设施、 地下管道、油井等震害破坏的最主要原因之一。美国NRC(National Research  Council)指出：侧向流滑是具有强大破坏性和普遍性的一种液化破坏形式，且 由此造成的损失要比液化引起的其它地面破坏损失大得多。因此，对于液化土 体侧向流滑的相关研究变得尤为重要。

发明内容

本发明的技术目的提供一种试验系统，可用于研究液化土体侧向流滑特性。 为实现上述技术目的，本发明公开的技术方案为：

一种研究液化土体侧向流滑特性的试验系统，其特征在于，包括控制平台、 伺服控制及数据采集系统、动力加载系统、土箱、侧向变形测试系统以及工作 台：

所述工作台上铺设有沿左右方向延伸的导轨，一块支撑台板通过滑块安装 在所述轨道上，可沿导轨滑动，土箱设置在所述支撑台板上，土箱与支撑台板 之间设有控制土箱倾角的角度调整机构；

所述侧向变形测试系统包括放置在土箱内的一组叠摞块体，且针对每个块 体对应设有一个位移传感器，上、下相邻块体之间通过滑动结构连接，使相邻 块体可左右相对滑动；在左右方向上，所述块体的一侧各自通过一弹簧与土箱 一侧壁连接，块体组的另一侧与土箱的另一侧壁之间的空间作为土体容腔；

伺服控制及数据采集系统与所述控制平台连接，动力加载系统与所述伺服 控制及数据采集系统连接，动力加载系统的动力输出端通过连接结构与所述支 撑台板连接。

进一步的，所述角度调整机构包括设置在土箱与支撑台板之间的若干可升 降支柱，方便操作者根据试验需要自动调节土箱的倾斜角度，模拟不同的倾斜 场地。或者，直接通过不同高度的支柱将土箱按照预设倾角倾斜的设置在所述 支撑台板上，后期可通过手动更换支柱改变土箱倾角。

进一步的，叠摞块体与土体的接触面之间设有褶皱的橡胶膜，一方面防止 液体从块体缝隙之间流出，另一方面由于褶皱部的存在，褶皱橡胶膜的橡胶膜 延性较大，对各块体相互独立运动产生的影响极低，提高获得试验结果的精准 度。

所述橡胶膜可通过局部连接的方式固定在块体上，且与不同块体的连接点 之间均留有为非连接区的褶皱部。

进一步的，所述动力加载系统位于支撑台板的左侧或右侧，工作台在支撑 台板的另一侧安装有挡住支撑台板的限位装置，防止支撑台板在振动中脱轨。

采用本发明系统测试土体的电阻率时，可在上述方案的基础上，进一步设 置电阻率测试系统，所述电阻率测试系统与所述伺服控制及数据采集系统连接, 且优选采用四极法测试上述试验土体的电阻率，测试时，将探针按四极法排布 在所述土箱内。

本发明中所述的“左”、“右”仅作为系统内部的相对参照，其所指示的方 位会随着操作者所在的位置发生变化。

本发明通过控制平台来控制动力加载系统，可使土箱发生水平振动，以模 拟水平地震作用，土箱内放置的饱和砂土在振动作用下发生液化，其状态从固 态向液体转变，同时发生相应的侧向流滑变形。当土体发生侧向流滑时，由于 不同位置的土压力不同，对各块体的作用力也不同，块体会发生相应的位移， 再通过位移传感器测出不同块体位置的侧向变形，可计算出震动中土体的侧向 作用力，得出液化土体侧向变形和侧向力的分布规律。电阻率测试系统可测出 土体状态从固态向液体转变过程中电阻率的变化，根据侧向变形和电阻率分析， 可得出液化土体侧向流滑的进一步特性。

附图说明

图1为本发明一实施例的整体结构示意图；

图2为图1实施例的局部结构示意图；

图3为图1实施例的侧向变形测试系统的局部结构示意图；

图4为图1实施例的局部结构示意图。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本 发明做进一步的介绍。

如图1至图4所示的一种研究液化土体侧向流滑特性的试验系统，包括控 制平台1、伺服控制及数据采集系统2、动力加载系统4、土箱10、侧向变形测 试系统8、电阻率测试系统、气压供应系统6以及工作台，所述控制平台1可采 用电脑终端。

所述工作台上铺设有沿左右方向延伸的导轨，一支撑台板14通过左右两 滑块15,16安装在所述工作台上。所述支撑台板14上设有可升降的支柱12、支 柱13和支柱14，土箱10倾斜的固定在所述支柱上，如图1、图2所示。

所述侧向变形测试系统8包括多个块体803以及对应每个块体配置的弹簧 801和位移传感器802。所述块体803上下叠摞在一起，相邻块体803之间通过 滑轨804连接，使相邻块体可在左右方向上相对滑动。如图2所述，各块体803 均通过位于其左侧的弹簧801与土箱左侧壁连接，块体组的右侧与土箱10的右 侧壁之间的空间盛装试验土体。所述弹簧用于模拟土体反力，弹簧的弹性系数 即相当于土体的反力系数。

叠摞块体与土体的接触面之间设置有褶皱的橡胶膜，所述橡胶膜采用局部 连接的方式固定在各块体的侧面上，不同块体的连接点之间均留有为非连接区 的褶皱部。当土体发生侧向流滑时，块体803的左侧通过弹簧801顶压在箱体 10的侧壁上，橡胶膜非连接区的褶皱部随着土体流动延展开，并不会影响到各 块体803的相对运动，且能够防止液体进入块体之间的缝隙里。所述橡胶膜也 可通过设计进一步密封块体与土箱侧壁之间的缝隙。另外通过调整块体803尺 寸大小可模拟土体分层厚度，通过改变弹簧弹性系数可模拟不同土体的侧向变 形。

所述伺服控制及数据采集系统2与所述控制平台1连接，动力加载系统4 与所述伺服控制及数据采集系统2连接，气压供应系统与所述动力加载系统4 连接，作为动力加载系统4工作的原动力。配置在所述块体上的位移传感器802 分别通过信号调理及转换器3与伺服控制及数据采集系统2连接。

如图1、图2所示，动力加载系统4安装在所述工作台上，位于支撑台板 14的左侧，通过安装支座5固定，其动力输出轴通过摇臂7与所述支撑台板14 连接，根据控制平台1输出的指令带动支撑平台14在导轨上动作，模拟水平震 动。工作台在支撑台板14的右侧还设有防止支撑台板14脱轨的限位装置17。

由于饱和砂土在振动作用下发生液化，其状态从固态向液体转变，为了解 这一过程中土体性质的转变过程，将电阻率测试系统的探针设置在土箱10里， 采用四极法测量土体电阻率，其接线如图4所示，相邻电极之间间距为a。

由外侧电极C₁、C₂通入电流I，则C₁、C₂电极使P₁、P₂电极上出现的电压分 别为：

$U=\frac{\mathrm{\rho I}}{2\pi }(\frac{1}{a}-\frac{1}{2a})$

$U^{\prime }=\frac{\mathrm{\rho I}}{2\pi }(\frac{1}{2a}-\frac{1}{a})$

而两极间的电位差为

$U-U^{\prime }=\frac{\mathrm{\rho I}}{2\mathrm{\pi a}}$

因此  $\rho =\frac{2\mathrm{\pi a}(U-U^{\prime })}{I}=2\mathrm{\pi a}\frac{\mathrm{\Delta U}}{I}=2\mathrm{\pi a}{R}_g$

式中ρ—土体电阻率，Ω·m；

a—电极间的距离，m；

U—P₁、P₂点的实测电压，V；

Rg—实测土体电阻，Ω。

由上式可知，当a己知时，测量P₁、P₂两极间的电压和流过的电流，即可算 出土体的电阻率。

在本实施例中，通过侧向变形测试系统8可测出土体侧向流滑所产生的变 形，电阻率测试系统可测出土体状态从固态向液体转变过程中电阻率的变化， 根据侧向变形和电阻率分析，从而可得出液化土体侧向流滑特性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业 的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中 描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明 还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及 其等效物界定。