专利名称：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
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勻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勻速通过时的 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勻速通过，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，保证均勻出水。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。所述的硬板开有均勻圆孔，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，将砂土均勻分层铺入模型箱，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

权利要求
1. 一种饱和砂土高孔压比状态下的表观黏度测量装置，包括模型箱和可调节水面高 度的外接水箱，其特征在于外接水箱底部高度与模型箱内试样顶部高度一致，与外接 水箱连接的模型箱内下部放置均勻开孔硬板，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和两只动拉力传感器相连后，再连接到正反转的 调速电机上，在模型箱中刚性球等高处设置动孔压传感器。
2.根据权利要求1所述的一种饱和砂土高孔压比状态的表观黏度测量装置，其特征在 于外接水箱侧面底部设置一个控水阀门，以控制水位变化。
3.根据权利要求1所述的一种饱和砂土高孔压比状态下的表观黏度测量装置，其特征 在于外接水箱外壁垂直布置一根刻度尺。
4.根据权利要求1所述的一种饱和砂土高孔压比状态下的表观黏度测量装置，其特征 在于所述的硬板开有均勻圆孔，圆孔直径5mm，孔间距为20mm，硬板整体用编织布 包裹。
5.根据权利要求1或2所述的一种饱和砂土高孔压比状态下的表观黏度测量装置，其 特征在于模型箱内的出水管与软管连接，出水管由三通连接，引出若干个出水口。
6.—种基于权利要求1所述的测量装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤(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，将外接水箱充水；(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，将砂土均勻分层铺入模型箱，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，通过外接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)计算液化前高孔压比状态下砂土的表观黏度。
全文摘要
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。
文档编号G01N11/10GK102012353SQ20101029912
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者丁选明, 刘汉龙, 林奔, 沙小兵, 陈育民 申请人:河海大学