饱和零应力土体绕结构流动的非接触测试装置及试验方法

技术领域

本发明属于岩土地震工程技术领域，特别涉及一种饱和零应力土体绕结构流动的非接触测试装置及试验方法。

背景技术

自1964年日本新泻地震和美国阿拉斯加地震以来，液化现象受到学界、工程界的日益关注，其发生机理及衍生病害得到了逐渐认知。液化是造成场地地震损害的重要原因之一，地震引起的地基失事约有50％是液化引起的。美国土木工程协会岩土工程分部土动力学委员会对液化的定义是：任何物质转化为液体的行为和过程。

地震震中、震后部分地基土体的零有效应力状态及液化地基土体的零有效应力状态，这些地基震害状态下土体与桩基的相对位移以及土体与桩基间的力学响应机理，一直是岩土地震工程抗震研究的重点与难点。

经过文献调研，现有技术中对于液化地基震害机理的研究，主要集中在液化场地的桩土相互作用方向，其试验局限性具体表现为以下四点。

(1)对低(零)有效应力状态下的桩土相互作用做整体受力分析，未进一步研究其力学响应的发生机理及构成形式。

(2)被动测量低(零)有效应力状态的桩土相对位移，未实现对该状态下桩土相对位移的可控操作，未进一步对该状态下土体的流动效应作定量分析以研究其变化规律。

(3)传统试验中布置的连线式传感器及传动设备，其自身的存在会对试验结果产生一定的影响。

(4)试验装置和试样的可视化程度较低。

发明内容

本发明的目的在于弥补传统试验方案的局限，克服接触测量、传动对试验结果造成的误差，提出了一种饱和零应力土体绕结构流动的非接触测试装置及试验方法。

本发明的技术方案如下：

一种饱和零应力土体绕结构流动的非接触测试装置，包括：透明有机玻璃箱、装样附件；

在装样附件中盛放有氯化钠溶液，装样附件与透明有机玻璃箱通过连接管连接，在连接管上设置有阀门；

在透明有机玻璃箱中设置有：拖管或拖板、导杆支撑架、多个平行导杆；所述导杆支撑架设置在透明有机玻璃箱的底部，导杆固定设置在所述导杆支撑架上；在导杆上还放置有拖管或拖板，拖管或拖板能够沿着导杆移动；

在透明有机玻璃箱中还填充有：塑料砂，所述塑料砂的高度高于所述拖管或拖板的高度。

进一步的设计，还包括：运动控制装置，运动控制装置控制拖管或拖板沿着导杆移动。

进一步的设计，所述装样附件的底部高度高于透明有机玻璃箱的顶部高度。

进一步的设计，还包括：电磁发生器，拖管或拖板采用磁性材料制成，电磁发生器通电时产生磁场，在磁场的作用下，拖管或拖板能够沿着导杆移动。

进一步的设计，还包括：摄像装置，其用于采集试验过程。

进一步的设计，还包括：多个电磁传感器，电磁传感器用于获得试验现场磁场分布的实测强度。

饱和零应力土体绕结构流动的非接触试验方法，包括以下步骤：

(1)筛选塑料砂，按照试验土体所需级配曲线配置土体固定颗粒试样；

(2)调节氯化钠溶液浓度，配比所选塑料砂制成悬浮颗粒土样，以模拟土体的零有效应力状态；

(3)将导杆支撑架固定设置在透明有机玻璃箱上，在支撑架上固定放置导杆，导杆沿观测面平行分布，确认支撑架及导杆布置平稳；

(4)将磁性拖管或磁性拖板垂直观测面置于导杆上预定起始位置，确认磁性拖管或磁性拖板、支撑架及导杆布置平稳；

(5)确认透明有机玻璃箱与装样附件连接处的阀门处于关闭状态，向装样附件中添加适量试验试样，缓慢打开阀门，装样过程中注意观察试样流速并调节阀门，确保透明有机玻璃箱内试样上表面的平稳水平上升，当附件内试样上表面与箱内试样上表面相接近时，关闭连接处阀门；

(6)重复步骤(5)直至透明有机玻璃箱内试样上表面达到试验所需高度，并确认装样附件内仍有足量氯化钠溶液；

(7)根据仪器功率初步确定电磁发生器位置，按照试验所需精度布置相应数量的电磁传感器4，以获得试验现场磁场分布的实测强度；

(8)布置摄像设备，确认设备成像清晰，确保采集图像有效可用；

(9)开启电磁发生器，调节输出功率，确使磁性拖管或磁性拖板缓慢匀速移动到试验指定位置，关闭电磁发生器。

本申请的有益效果在于：

1)采用透明有机玻璃箱1，试验中零有效应力土体采用塑料砂8(塑料砂8选取接近标准砂的级配曲线配比)配合氯化钠溶液7进行模拟，玻璃箱和土体具有良好的透光性能，确保整个试验过程的可视化。

2)透明有机玻璃箱上附有用于添加试验试样的装样附件11，装样附件11需高于箱内装样最终高度进行放置，箱体底部有开孔与附件相连接，连接处设有阀门9以控制装样进度。根据试验需求调整氯化钠溶液7浓度，使塑料砂8处于悬浮状态进而模拟液化时土体的零有效应力状态。

3)磁性拖管10(或磁性拖板3)由磁性材料制成，在磁场中受磁力牵引运动，从而模拟零有效应力状态下桩土间的相对位移及力学响应。试验采用输出功率可调的电磁发生器2作为磁场场源，以输出形成所需的稳定均布磁场。

4)拖管试验模拟桩土间相互作用的整体状况；拖板试验中，磁性拖板3的板面宽度选取磁性拖管10直径的等效宽度，磁性拖板3板面垂直于桩土相互运动方向时，模拟理想状况下桩土间的单纯侧向动土压力作用，拖板3板面平行于桩土相互运动方向时，模拟理想状况下桩土间的单纯黏滞剪切力作用。

附图说明

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

图1为本发明的试验装置示意图。

图2为本发明装置的试验原理示意图。

图3为土体零有效应力状态下桩土相互作用的模拟试验示意图。

图4为理想状况下桩土间单纯黏滞剪切力作用的模拟试验示意图。

图5为理想状况下桩土间单纯侧向动土压力作用的模拟试验示意图。

附图标记说明如下：

1、透明有机玻璃箱；2、电磁发生器；3、磁性拖板；4、电磁传感器；5、导杆支撑架；6、导杆；7、氯化钠溶液；8、塑料砂；9、阀门；10、磁性拖管；11、装样附件；12、摄像装置。

具体实施方式

实施例一，如图1至图5所示，一种饱和零应力土体绕结构流动的非接触测试装置，包括：透明有机玻璃箱1、装样附件11；

在装样附件11中盛放有氯化钠溶液7，装样附件11的底部与透明有机玻璃箱1的底部通过连接管连接，在连接管上设置有阀门9，以控制连接管的开闭；

在透明有机玻璃箱1中设置有：磁性拖管10或磁性拖板3、导杆支撑架5、多个平行导杆6；所述导杆支撑架5设置在透明有机玻璃箱1的底部，导杆6固定设置在所述导杆支撑架5上；在导杆6上还放置有磁性拖管10或磁性拖板3，磁性拖管10或磁性拖板3能够沿着导杆6移动；

在透明有机玻璃箱1中还填充有：塑料砂8，所述塑料砂8的高度高于所述磁性拖管10或磁性拖板3的高度；

所述装样附件11的底部高度高于透明有机玻璃箱1的顶部高度。

种饱和零应力土体绕结构流动的非接触测试装置还包括：电磁发生器2，电磁发生器2产生磁场，磁性拖管10或磁性拖板3在磁场的作用下，能够沿着导杆6移动。

还包括：摄像装置；采集试验过程。

还包括：多个电磁传感器4，电磁传感器4用于获得试验现场磁场分布的实测强度。

实施例一研发的设备利用由磁性材料制作的试验装置、外置电磁加载设备及电磁传感器，通过非接触方式使结构产生相对运动并测量相关数据，避免常规试验中连线式传动、测量器械等自身存在对试验结果的干扰；利用塑料砂与同等折射率溶液配置成零有效应力的可视化试样，结合有机玻璃箱材质的透明性能，实现整个试验过程的可视化观测与测量；利用饱和悬浮砂拖管试验模拟零有效应力状态下土体对桩的力学效应；利用拖板试验揭示动土压力及黏滞剪切力的相关特性；通过磁场强度反算拖管(板)受力，从而得到不同有效应力状态下表征土体固体特性的弹性模量及表征土体流体特性的表观黏度。

本发明还涉及测试土体零有效应力状态下流动效应的试验方法，主要技术步骤包括：

(1)筛选塑料砂8，按照试验土体所需级配曲线配置土体固定颗粒试样；

(2)调节氯化钠溶液7浓度，配比所选塑料砂8制成悬浮颗粒土样，以模拟土体的零有效应力状态；

(3)将导杆支撑架5固定设置在透明有机玻璃箱1上，在支撑架5上固定放置导杆6，导杆6沿观测面平行分布，确认支撑架5及导杆6布置平稳；

(4)将磁性拖管10(或磁性拖板3)垂直观测面置于导杆6上预定起始位置，确认磁性拖管10(或磁性拖板3)、支撑架5及导杆6布置平稳；

(5)确认透明有机玻璃箱1与装样附件11连接处的阀门9处于关闭状态，向装样附件中添加适量试验试样，缓慢打开阀门9，装样过程中注意观察试样流速并调节阀门9，确保透明有机玻璃箱1内试样上表面的平稳水平上升，当附件内试样上表面与箱内试样上表面相接近时，关闭连接处阀门9；

(6)重复步骤(5)直至透明有机玻璃箱1内试样上表面达到试验所需高度，并确认装样附件11内仍有足量试样；

(7)根据仪器功率初步确定电磁发生器2位置，按照试验所需精度布置相应数量的电磁传感器4，以获得试验现场磁场分布的实测强度；

(8)布置摄像设备12，确认设备成像清晰，确保采集图像有效可用；

(9)开启电磁发生器2，调节输出功率，确使磁性拖管10(或磁性拖板3)缓慢匀速移动到试验指定位置，关闭电磁发生器2；

根据电磁传感器4实测值，确定电磁发生器4输出功率修正系数，根据磁性拖管10(或磁性拖板3)移动速率，重新调整电磁发生器2及电磁传感器4位置；

重复步骤(1)～(9)，完成试验(即完成多组试验)。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。