本发明属于土工程研究领域，具体涉及一种液化后砂土表观黏度测量装置及测量方法。
背景技术：
砂土液化是岩土工程研究的热点，在地震、交通等动荷载作用下，砂颗粒间原来的联结和结构状态受到破坏，饱和砂土中孔隙水压力上升，直至砂颗粒结构完全被破坏，呈现悬浮状态，饱和砂土表现出像流体一样的特性，抗剪强度很低，流动能力很强，这就是饱和砂土的液化现象。液化后砂土的流动变形会对地下及周围构筑物造成破坏，在研究液化后砂土的流动变形时，表观黏度是重要的物理参量，它是表示流体内摩擦的物理量，定义为剪应力与剪应变率的比值，需要对液化后砂土的表观黏度进行测量。
在本发明之前，流体力学中常规的表观黏度测量方法是落球法、毛细管法和旋转法。落球法是在样品管中充满流体，通过分析落球在流体中自由落体的运动状态来测量流体的表观黏度。毛细管法是使流体在毛细管中流动，通过流体流过毛细管的流动时间来来测量流体的表观黏度。旋转法是在同轴内筒和外筒之间充满流体，通过旋转内筒带动外筒的旋转的测量流体的表观黏度。在岩土工程中使用的常规表观黏度测量方法是拖球法。拖球法是在振动台模型土箱内水平设置平行轨道，钢球放置在轨道上，用牵引绳将圆球、拉力计、电机依次连接。通过振动台使模型土箱中的饱和砂土达到液化状态，电机驱动钢球水平运动，测量其运动速度和所受阻力，从而计算得到液化后砂土的表观黏度。
常规装置及方法在工程应用中存在以下缺点：
(1)落球法、毛细管法和旋转法测得流体表观黏度范围较小，而液化后砂土的表观黏度较大。
(2)落球法需要所测流体的表观黏度足够小，落球能够在流体中自由落体，而液化后砂土的表观黏度较大，因此传统的落球法不适用于液化后砂土表观黏度的测量。
(3)毛细管法需流体流过细长的管，旋转法需要流体在内筒和外筒之间狭窄的间隙流动，而砂土颗粒具有一定的粒径，不能再细长的管和狭窄的间隙流动，因此传统的毛细管法和旋转法不适用于液化后砂土表观黏度的测量。
(4)拖球法只能测量振动停止后液化砂土的表观黏度，钢球的运动方向一般有两种，一种与振动台振动方向平行，一种与振动台振动方向垂直，由于牵引绳为柔性，如果运动方向与振动方向平行，振动会增大或减小牵引钢球运动的力。如果运动方向与振动方向垂直，钢球容易偏离轨道无法完成测量，因此在测试时必须保证振动台停止。
(5)拖球法采用圆球水平运动来测量表观黏度，但是在测试不同时刻，圆球所处砂土中的位置不同，在实际操作过程中，不同位置砂土的密度往往有一定程度的差异，不同位置的孔隙水压力也会有一定的差异，这会造成测试结果的误差；
(6)拖球法需在砂土内部布置较多的设备，这样会对测试的结果造成误差。
技术实现要素：
本发明的目的是针对上述问题提供一种液化砂土表观黏度测量装置及其测量方法，能克服上述缺陷，本发明装置结构简单，方法操作简便，能准确测量液化砂土表观黏度。
本发明的技术方案是：一种液化后砂土表观黏度测量装置，包括振动台、固定在振动台上的模型土箱、固定在振动台上的支撑架、刚性圆柱、扭矩传感器、调速电机和孔压传感器；
所述调速电机固定安装在支撑架上，所述调速电机的输出轴与扭矩传感器的上端转轴通过联轴器ⅱ连接；调速电机与扭矩传感器之间通过固定板固定连接；所述扭矩传感器下端转轴与圆杆的上端通过联轴器i连接，所述圆杆的下端与安装在模型土箱内部的刚性圆柱连接；
所述孔压传感器安装在模型土箱中与刚性圆柱同等高度的位置。
上述方案中，所述刚性圆柱可以更换为的高度相同、直径不同的刚性圆柱，用来得到不同的剪切速率。
上述方案中，所述圆杆与刚性圆柱的顶面垂直。
上述方案中，所述扭矩传感器量程为0～10n·m，精度为0.1％。
上述方案中，所述支撑架固定在振动台上，可随振动台同步振动；所述振动台振动方向为水平振动。
上述方案中，所述调速电机最大转速为100r/min。
一种应用所述的装置进行液化后砂土表观黏度测量的方法，包括以下步骤：
s1、将模型土箱固定在振动台上，将支撑架固定在振动台上，将调速电机和扭矩传感器固定在支撑架上，通过联轴器ⅱ连接调速电机的输出轴和扭矩传感器的上端转轴，通过联轴器i将圆杆的上端连接扭矩传感器的下端转轴，所述圆杆的下端伸入模型土箱内与刚性圆柱顶面中心连接；
s2、在模型土箱内注入水；
s3、开启调速电机，调速电机转动驱动圆杆转动，使得刚性圆柱在水中匀速旋转，并测量刚性圆柱匀速旋转过程中的转速和受到的摩擦阻力，
根据下式，计算阻力系数c：
式1)中，m为刚性圆柱受到的阻力，ηw为水的黏度，ρ为水的密度，ω为刚性圆柱转动的角速度，r为刚性圆柱的半径，h为刚性圆柱的高度；
s4、排干模型土箱内的水，将孔压传感器放置在刚性圆柱同等高度处；
s5、在模型土箱内铺设砂土，砂土铺设后使之达到饱和，再使砂土固结；
s6、开启调速电机，调速电机转动驱动圆杆转动，使得刚性圆柱在砂土中匀速旋转，记录扭矩传感器的读数，并测量刚性圆柱匀速旋转过程中的转速和受到的摩擦阻力；
s7、启动振动台，使振动台水平振动，并记录孔压传感器读数，当孔压传感器的读数达到饱和砂土的竖向总应力时，饱和砂土达到液化状态；
s8、根据下式，计算液化后砂土的表观黏度：
式2)中，mf为刚性圆柱受到的阻力，c为阻力系数，ρ为液化后砂土的密度，ω为刚性圆柱转动的角速度，r为刚性圆柱的半径，h为刚性圆柱的高度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明利用了流体力学中圆柱绕流阻力的计算原理，保证了表观黏度测量的理论基础；
2.本发明刚性圆杆保证刚性圆柱在测量时不会发生偏移，测量时刚性圆柱的空间位置不变，避免了常规测量方法中测量位置改变造成的测量误差；
3.本发明可以测量振动台振动前、持续振动、振动后整个过程中砂土的表观黏度，避免了常规方法只能测量振动后砂土的表观黏度；
4.本发明整个测量装置仅有刚性圆柱、部分圆杆、孔压传感器布置与模型土箱内，节省模型土箱内部空间，避免了常规方法模型土箱内设备过多产生的误差；
5.本发明原理清晰、结构简单，操作简便、易于实现，是一种高效实用的液化后砂土表观黏度测装置和方法。
附图说明
图1是本发明一实施方式的液化后砂土表观黏度测量装置原理示意图。
图中：1.刚性圆柱；2.扭矩传感器；3.调速电机；4.圆杆；5.固定板；6.联轴器i；7.联轴器ⅱ；8.孔压传感器；9.模型土箱；10.输出轴；11.振动台；12.支撑架；13.下端转轴；14.上端转轴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1所示为本发明所述液化后砂土表观黏度测量装置的一种实施方式，所述液化后砂土表观黏度测量装置包括振动台11、固定在振动台上的模型土箱9、固定在振动台上的支撑架12、刚性圆柱1、圆杆4、联轴器i6、扭矩传感器2、联轴器ⅱ7、调速电机3、固定板5，孔压传感器8。
所述刚性圆柱1表面光滑，可采用钢材制成。刚性圆柱设置在模型土箱9内，刚性圆柱1顶面中心通过圆杆4与模型土箱9外的扭矩传感器2的下端转轴13连接，在模型土箱9外，扭矩传感器2的上端转轴14通过联轴器ⅱ7与调速电机3的输出轴10连接。所述刚性圆柱1的高度为2cm，直径可以为5cm、7cm、10cm、15cm，用来得到不同的剪切速率，刚性圆柱1顶面中心附有内螺纹，用于连接圆杆4。
所述圆杆4为刚性材料，表面光滑，可采用钢材制成。在模型土箱9内，圆杆4下端连接刚性圆柱1顶面中心，上端引出模型土箱9外与扭矩传感器2的下端转轴13连接，圆杆4方向竖直，圆杆4与刚性圆柱1顶面垂直。所述圆杆4的直径为1cm，长度20cm，圆杆4下端附有外螺纹，用于与刚性圆柱1顶面中心的内螺纹连接，圆杆4上端通过联轴器i6与扭矩传感器2的下端转轴13连接。
用所述联轴器ⅱ7将扭矩传感器2的上端转轴14与调速电机3的输出轴10连接。用固定板5将扭矩传感器2与调速电机3固定。调速电机3固定安装在支撑架12上。
所述孔压传感器8在模型土箱9内，孔压传感器8的高度与刚性圆柱1的高度一致。
所述调速电机3转速可在转速范围内任意调节，其转速范围为0-100r/min。
所述扭矩传感器2的量程为0-10n·m，精度为0.1％。
所述支撑架12为钢材制成，固定在振动台上，可随振动台一起运动。
所述振动台11振动方向为水平振动。
使用上述装置测量液化砂土的表观黏度的方法，具体包括以下步骤：
s1、将模型土箱9固定在振动台11上，将支撑架12固定在振动台11上，将调速电机3和扭矩传感器2固定在支撑架12上，通过联轴器ⅱ7连接调速电机3的输出轴10和扭矩传感器2的上端转轴14，通过联轴器i6将圆杆4的上端连接扭矩传感器2的下端转轴13，所述圆杆4的下端伸入模型土箱9内与刚性圆柱1顶面中心连接；
s2、在模型土箱9内注入水；
s2、在模型土箱9内注入水；
s3、开启调速电机3，调速电机3转动驱动圆杆4转动，使得刚性圆柱1在水中匀速旋转，记录扭矩传感器2的读数，并测量刚性圆柱1匀速旋转过程中的转速和受到的摩擦阻力，读数10s后，停止调速电机3，
根据下式，计算阻力系数c：
式1)中，m为刚性圆柱1受到的阻力，ω为刚性圆柱1转动的角速度，m和ω都可以通过扭矩传感器2的读数得到，ηw为水的黏度，ρw为水的密度，r为刚性圆柱1的半径，h为刚性圆柱1的高度；
s4、排干模型土箱内9的水，
将孔压传感器8放置在刚性圆柱1同等高度处；
s5、在模型土箱9内制备饱和砂土，使饱和砂土固结，一般固结24小时；
s6、开启调速电机3，调速电机3转动驱动圆杆4转动，使得刚性圆柱1在砂土中匀速旋转，记录扭矩传感器2的读数，并测量刚性圆柱1匀速旋转过程中的转速和受到的摩擦阻力；
s7、启动振动台11，使振动台11水平振动，并记录孔压传感器8的读数，当孔压传感器8的读数达到饱和砂土的竖向总应力时，饱和砂土达到液化状态；
s8、根据下式，计算液化后砂土的表观黏度：
式2)中，mf为刚性圆柱1受到的阻力，ω为刚性圆柱1转动的角速度，mf和ω都可以通过扭矩传感器2的读数得到，c为阻力系数，可以通过公式(1)计算。ρ为饱和砂土的密度，r为刚性圆柱1的半径，h为刚性圆柱1的高度。
本发明结构简单，操作简便、易于实现，能准确测量液化后砂土表观黏度。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。