液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置及其观测方法
【专利摘要】本发明公开了一种液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置，包括液化发生容器、水压监测系统、液化发生容器固定装置、动压力控制器、激光粒子测速装置，液化发生容器包括石英玻璃试样容器和压力传递机构，石英玻璃试样容器内放置石英玻璃球和盐水试样，压力传递机构内用橡胶膜隔离成两个腔室，其中一个腔室与石英玻璃试样容器相连，另一个腔室与动压力控制器连接；水压力监测系统包含两个孔隙水压计，其中一个孔隙水压计放置在石英玻璃试样容器内，另一个孔隙水压计放置在与动压力控制器连接的腔室内，所述动压力控制器通过压力传递机构给石英玻璃试样容器内的石英玻璃球和盐水试样注压。本发明为液化时细观流场的机理研究提供一种观测装置。
【专利说明】
液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置及其观测方法
技术领域
[0001 ]本发明属于岩土工程研究领域，尤其涉及一种液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置及其观测方法。
【背景技术】
[0002]饱和松散砂土地基在地震荷载作用下会发生液化，宏观上表现为土体中孔隙水压力上升，同时土体固相的有效接触应力为零，这时土体性质类似于流体并丧失抗剪强度。地震液化造成以下危害:例如房屋倾斜、地基沉降、地铁隧道上浮、道路路基滑移等。传统的砂土液化观测主要是通过振动台试验和动三轴试验，但这些试验只监测宏观水压力，缺乏液化时颗粒间细观流场的观测手段。因此为了进一步深入研究液化的细观机理，需要一种液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置。
【发明内容】
[0003]本发明为了克服现有装置无法观测液化时细观流场的问题，本发明提供了一种液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置及其观测方法。
[0004]本发明的技术方案:一种液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置，包括液化发生容器、水压监测系统、液化发生容器固定装置、动压力控制器、激光粒子测速装置，所述液化发生容器包括石英玻璃试样容器和压力传递机构，所述石英玻璃试样容器内放置石英玻璃球和盐水试样，所述压力传递机构内用橡胶膜隔离成两个腔室，其中一个腔室与石英玻璃试样容器相连，另一个腔室与动压力控制器连接;所述水压力监测系统包含两个孔隙水压计，其中一个孔隙水压计放置在石英玻璃试样容器内，测试石英玻璃试样容器内颗粒间的孔隙水压力，另一个孔隙水压计放置在与动压力控制器连接的腔室内，测试动压力控制器提供的动水压力值，所述动压力控制器通过压力传递机构给石英玻璃试样容器内的石英玻璃球和盐水试样注压。
[0005]优选地，所述液化发生容器固定装置为实验仪器固定架，用于固定液化发生容器，两个腔室分别为第一腔室和第二腔室，所述第一腔室与石英玻璃试样容器相连，所述第二腔室与动压力控制器连接;两个孔隙水压计分别为第一孔隙水压计和第二孔隙水压计，所述第一孔隙水压计放置在石英玻璃试样容器内的试样之中，所述第二孔隙水压计放置在第二腔室内。
[0006]优选地，所述石英玻璃试样容器顶部设有圆形盖子，所述圆形盖子上有一个圆孔，第一孔隙水压计的电线从圆孔穿出去与数据采集器连接，再与计算机连接。
[0007]优选地，所述石英玻璃容器、圆形盖子、压力传递机构均由石英玻璃制成。其中石英玻璃试样容器外径112mm、壁厚2mm、高155mm。压力传递机构的外径500mm、壁厚2mm、高900mmo
[0008]优选地，所述压力传递机构与动压力控制器用软管连接，橡胶膜放置在离压力传递机构顶部30mm处，将石英玻璃试样容器和动压力控制器隔离并形成两个腔室，所述压力控制器注压至压力传递机构给石英玻璃试样容器供压。
[0009]优选地，所述圆形盖子上的圆孔直径为10mm，圆孔离石英玻璃试样容器的圆形盖子最外边缘15mm，所述石英玻璃球的平均粒径为1mm。
[0010]优选地，所述第一孔隙水压力计放置在离石英玻璃试样容器开口 30mm处，第一孔隙水压力计离石英玻璃试样容器的外壁距离也为30mm，所述第二孔隙水压力计放置在离压力传递机构底部30mm处。
[0011 ] 一种液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置的观测方法，包括下述步骤:
步骤1:在压力传递机构中放入第二孔隙水压力计；
步骤2:将石英玻璃球和盐水试样灌入石英玻璃试样容器内；
步骤3:在石英玻璃试样容器试样内放置第一孔隙水压计；
步骤4:在石英玻璃试样容器的石英玻璃球和盐水试样表层均匀地倒入激光粒子测速装置的示踪粒子聚苯乙烯，然后给石英玻璃试样容器盖上带有圆孔的圆形盖子，两个孔隙水压力计的电线均从圆形盖子上的圆孔中穿出来，与数据采集器连接，再与计算机连接；步骤5:用实验仪器固定架将石英玻璃试样容器固定住；
步骤6:将压力传递机构内的第二腔室注满水并用软管与压力控制器连接，然后设定压力控制器中的压力值，然后压力控制器按一定的速率以一吸一压的方式传递压力，这时第二腔室内的水接受压力控制器提供的压力，并通过挤压橡胶膜将压力传递给第一腔室，第一腔室与石英玻璃试样容器相通，从而将压力传递给石英玻璃试样容器内的石英玻璃球和盐水试样；
步骤7:当两个孔隙水压力计的动压力值相等时，则石英玻璃试样容器中的石英玻璃球和盐水试样发生液化；
步骤8:连接激光测速粒子装置，开启激光测速粒子装置，进行颗粒孔隙中的细观流场观测。
[0012]优选地，所述步骤I中第二孔隙水压力计从石英玻璃试样容器的开口处放入离压力传递机构底部30mm处，然后在离压力传递机构顶部30mm处放置橡胶膜;所述步骤2中石英玻璃球用砂雨法沉积;然后采用扁嘴式沙漏将石英玻璃球装入石英玻璃试样容器内，将沙漏的下方恰好贴近石英玻璃试样容器底部，开始落砂沉积，沿着石英玻璃试样容器的一端边匀速浇筑到玻璃杯的另一端，直至石英玻璃石英容器内装满石英玻璃球；用量筒量一定量的盐水，将盐水慢慢倒入装满石英玻璃球的石英玻璃杯中，直至盐水和石英玻璃球混合物与石英玻璃试样容器的最上边沿口平行;所述步骤3中用量尺丈量石英玻璃试样容器，并在离石英玻璃试样容器开口 30mm处用笔划一道线，当石英玻璃球试样放置到划线处时，用量尺在石英玻璃试样容器的开口处与开口平行的方向丈量30_，然后将第一孔隙压力计放置在离石英玻璃试样容器开口30mm、离外壁30mm处的石英玻璃球试样中，然后继续放置石英玻璃球试样;所述步骤6中第二腔室底部与压力控制器连接的接口是直径为1mm，高为1mm的圆柱。
[0013]优选地，所述激光粒子测速装置包括激光系统、数码相机设备、电源箱、同步器和计算机，所述激光系统以一定的时间间隔照射在液化发生容器装置内的试样上，数码相机设备与激光系统配合进行照片拍摄，然后将照片数据传递到计算机，最后根据不同时刻记录的示踪粒子位移图像进行数据分析可得出颗粒孔隙中的流速。
[0014]本发明中的激光粒子测速装置用拍摄记录和分析颗粒孔隙中的细观流场。激光粒子测速装置的示踪粒子聚苯乙烯为0.64L，其平均粒径为10 μπι粒径，密度为I 050 kg /m3
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[0015]本发明的有益效果是克服了现有装置无法观测液化时细观流场的问题，为砂土液化时细观流场观测实验提供一种新颖的装置。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的整体组装结构示意图；
图2为本发明的石英玻璃试样容器与压力传递机构连通的结构示意图；
图3为本发明圆形盖子的结构示意图；
图4位本发明的液化发生容器固定装置的结构示意图；
图中1.石英玻璃试样容器，2.压力传递机构，3.橡胶膜，4.第一腔室，5.第二腔室，6.第一孔隙压力计，7.实验仪器固定架，8.数据采集器，9.动压力装置，10.数码相机设备，11.激光系统，12.电源箱，13.同步器，14.计算机，15.第二孔隙压力计，16.圆形盖子，17.圆孔，18.接口。
【具体实施方式】
[0017]为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
[0018]如图1中液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置，实验装置包括液化发生容器装置、水压监测系统装置、动压力控制器装置、激光粒子测速装置。所述液化发生容器装置包括石英玻璃试样容器1、压力传递机构2。石英玻璃试样容器I装满石英玻璃球和盐水试样。压力传递机构2内有第一腔室4和第二腔室5，两个腔室用橡胶膜3隔离，此橡胶膜可以传递两个腔室之间的水压力，其中第一腔室4与石英玻璃试样容器I相连，第二腔室5与动压力控制器9相连。所述水压监测系统装置包括第一孔隙水压力计6和第二孔隙水压力计15，第一孔隙水压力计6放置在石英玻璃试样容器I内的试样之中，测试石英玻璃试样容器I内的石英玻璃球间的孔隙水压力，第二孔隙水压力计15放置在与动压力控制器9连接的第二腔室内，测试动压力控制器9提供的动水压力值，将所测得孔隙水压力与动压力控制器9提供的压力进行比较，判断石英玻璃试样容器I内的试样是否达到液化条件。两个孔隙水压力计6的电线从石英玻璃试样容器I的圆形盖子16上的圆孔17穿出去，与数据采集器8相连接。所述液化发生容器固定装置为实验仪器固定架7。所述动压力控制器9与压力传递机构2用软管连接，压力控制器9注压至压力传递机构2给石英玻璃试样容器I供压。所述激光粒子测速装置包括数码相机设备10、激光系统11、电源箱12、同步器13、计算机14，激光粒子测速装置用拍摄和分析颗粒孔隙中的细观流场。
[0019]本发明液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置的工作过程如下:
步骤1:如图1所示的压力传递机构2中放入第二孔隙水压力计15。具体步骤如下:第二孔隙水压力计15从石英玻璃试样容器I的开口处进入离压力传递机构2底部30_处，然后在离压力传递机构2顶部30mm处放置橡胶膜3。
[0020]步骤2:如图1所示的石英玻璃试样容器I内放入石英玻璃求和盐水试样。具体步骤如下:用砂雨法沉积石英玻璃球。在扁嘴式沙漏装入石英玻璃球，将沙漏的下方恰好贴近石英玻璃试样容器I底部，开始沉积，沿着石英玻璃试样容器I的一端边勾速饶筑到玻璃杯的另一端，直至石英玻璃石英容器I内装满石英玻璃球;用量筒量一定量的盐水，将盐水慢慢倒入装满石英玻璃球的石英玻璃杯中，直至盐水和石英玻璃球混合物与石英玻璃试样容器I的最上边沿口平行。
[0021]步骤3:在如图1所示的石英玻璃试样容器I试样内放置第一孔隙水压计6。具体步骤如下:用量尺丈量图1的石英玻璃试样容器I，并在离石英玻璃试样容器I开口 30mm处用笔划一道线，当石英玻璃球试样放置到划线处时，用量尺在石英玻璃试样容器I的开口处与开口平行的方向丈量30mm，然后将第一孔隙压力计6放置在离石英玻璃试样容器I开口 30mm、离外壁30mm处的石英玻璃球试样中，然后继续放置石英玻璃球试样。
[0022]步骤4:在图1所示的石英玻璃试样容器I的试样表层均匀地倒入激光粒子测速装置的示踪粒子聚苯乙烯，然后给石英玻璃试样容器I盖上带有圆孔17的圆形盖子16，两个孔隙水压力计6的电线从的圆形盖子16的圆孔17中穿出来，与数据采集器8连接。
[0023]步骤5:用实验仪器固定架7将石英玻璃试样容器I固定住。
[0024]步骤6:将图1中的压力传递机构2内的第二腔室5注满水并用软管与压力控制器9连接，其接口是直径为10_，高为1mm的圆柱。然后设定压力控制器9中的压力值，然后压力控制器9按一定的速率以一吸一压的方式传递压力，这时第二腔室5内的水接受压力控制器9提供的压力，并通过挤压橡胶膜3将压力传递给第一腔室4，第一腔室4与石英玻璃试样容器I相通，从而将压力传递给石英玻璃试样容器I内的试样。
[0025]步骤7:当两个孔隙水压力计的动压力值相等时，则石英玻璃试样容器I中的试样发生液化。
[0026]步骤8:连接图1中的激光测速粒子装置，开启激光测速粒子装置，进行颗粒孔隙中的细观流场观测。激光系统11以一定的时间间隔照射在液化发生容器装置内的试样上，数码相机设备10与激光系统11配合进行照片拍摄，然后将照片数据传递到计算机14，最后根据不同时刻记录的示踪粒子位移图像进行数据分析可得出颗粒孔隙中的流速。
【主权项】
1.一种液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置，其特征在于:其包括液化发生容器、水压监测系统、液化发生容器固定装置、动压力控制器、激光粒子测速装置，所述液化发生容器包括石英玻璃试样容器和压力传递机构，所述石英玻璃试样容器内放置石英玻璃球和盐水试样，所述压力传递机构内用橡胶膜隔离成两个腔室，其中一个腔室与石英玻璃试样容器相连，另一个腔室与动压力控制器连接;所述水压力监测系统包含两个孔隙水压计，其中一个孔隙水压计放置在石英玻璃试样容器内，测试石英玻璃试样容器内颗粒间的孔隙水压力，另一个孔隙水压计放置在与动压力控制器连接的腔室内，测试动压力控制器提供的动水压力值，所述动压力控制器通过压力传递机构给石英玻璃试样容器内的石英玻璃球和盐水试样注压。2.根据权利要求1所述的一种液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置，其特征在于:所述液化发生容器固定装置为实验仪器固定架，用于固定液化发生容器，两个腔室分别为第一腔室和第二腔室，所述第一腔室与石英玻璃试样容器相连，所述第二腔室与动压力控制器连接;两个孔隙水压计分别为第一孔隙水压计和第二孔隙水压计，所述第一孔隙水压计放置在石英玻璃试样容器内的试样之中，所述第二孔隙水压计放置在第二腔室内。3.根据权利要求2所述的一种液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置，其特征在于:所述石英玻璃试样容器顶部设有圆形盖子，所述圆形盖子上有一个圆孔，第一孔隙水压计的电线从圆孔穿出去与数据采集器连接，再与计算机连接。4.根据权利要求3所述的一种液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置，其特征在于:所述石英玻璃容器、圆形盖子、压力传递机构均由石英玻璃制成。5.根据权利4所述的一种液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置，其特征在于:所述压力传递机构与动压力控制器用软管连接，橡胶膜放置在离压力传递机构顶部30mm处，将石英玻璃试样容器和动压力控制器隔离并形成两个腔室，所述压力控制器注压至压力传递机构给石英玻璃试样容器供压。6.根据权利3所述的一种液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置，其特征在于:所述圆形盖子上的圆孔直径为10mm，圆孔离石英玻璃试样容器的圆形盖子最外边缘15mm，所述石英玻璃球的平均粒径为1mm。7.根据权利要求2所述的一种液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置，其特征在于:所述第一孔隙水压力计放置在离石英玻璃试样容器开口 30_处，第一孔隙水压力计离石英玻璃试样容器的外壁距离也为30mm，所述第二孔隙水压力计放置在离压力传递机构底部30mm处。8.根据权利要求3所述的一种液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置的观测方法，其特征在于:其包括下述步骤: 步骤1:在压力传递机构中放入第二孔隙水压力计； 步骤2:将石英玻璃球和盐水试样灌入石英玻璃试样容器内； 步骤3:在石英玻璃试样容器试样内放置第一孔隙水压计； 步骤4:在石英玻璃试样容器的石英玻璃球和盐水试样表层均匀地倒入激光粒子测速装置的示踪粒子聚苯乙烯，然后给石英玻璃试样容器盖上带有圆孔的圆形盖子，两个孔隙水压力计的电线均从圆形盖子上的圆孔中穿出来，与数据采集器连接，再与计算机连接； 步骤5:用实验仪器固定架将石英玻璃试样容器固定住； 步骤6:将压力传递机构内的第二腔室注满水并用软管与压力控制器连接，然后设定压力控制器中的压力值，然后压力控制器按一定的速率以一吸一压的方式传递压力，这时第二腔室内的水接受压力控制器提供的压力，并通过挤压橡胶膜将压力传递给第一腔室，第一腔室与石英玻璃试样容器相通，从而将压力传递给石英玻璃试样容器内的石英玻璃球和盐水试样； 步骤7:当两个孔隙水压力计的动压力值相等时，则石英玻璃试样容器中的石英玻璃球和盐水试样发生液化； 步骤8:连接激光测速粒子装置，开启激光测速粒子装置，进行颗粒孔隙中的细观流场观测。9.根据权利要求8所述的一种液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置的观测方法，其特征在于:所述步骤I中第二孔隙水压力计从石英玻璃试样容器的开口处放入离压力传递机构底部30mm处，然后在离压力传递机构顶部30mm处放置橡胶膜;所述步骤2中石英玻璃球用砂雨法浇筑;然后采用扁嘴式沙漏将石英玻璃球装入石英玻璃试样容器内，将沙漏的下方恰好贴近石英玻璃试样容器底部，开始饶筑，沿着石英玻璃试样容器的一端边勾速饶筑到玻璃杯的另一端，直至石英玻璃石英容器内装满石英玻璃球;用量筒量一定量的盐水，将盐水慢慢倒入装满石英玻璃球的石英玻璃杯中，直至盐水和石英玻璃球混合物与石英玻璃试样容器的最上边沿口平行;所述步骤3中用量尺丈量石英玻璃试样容器，并在离石英玻璃试样容器开口 30mm处用笔划一道线，当石英玻璃球试样放置到划线处时，用量尺在石英玻璃试样容器的开口处与开口平行的方向丈量30mm，然后将第一孔隙压力计放置在尚石英玻璃试样容器开口 30mm、离外壁30mm处的石英玻璃球试样中，然后继续放置石英玻璃球试样；所述步骤6中第二腔室底部与压力控制器连接的接口是直径为1mm，高为1mm的圆柱。10.根据权利要求8所述的一种液化时颗粒孔隙中的细观流场观测装置的观测方法，其特征在于:所述激光粒子测速装置包括激光系统、数码相机设备、电源箱、同步器和计算机，所述激光系统以一定的时间间隔照射在液化发生容器装置内的试样上，数码相机设备与激光系统配合进行照片拍摄，然后将照片数据传递到计算机，最后根据不同时刻记录的示踪粒子位移图像进行数据分析可得出颗粒孔隙中的流速。
【文档编号】G01P5/20GK106053878SQ201610558989
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】金炜枫, 邓陈艳, 张力友, 程泽海, 沙如意
【申请人】浙江科技学院