测定土体在雷电冲击作用下强度性能变化的装置及其测定方法

1.本发明涉及环境岩土工程领域，尤其涉及一种测定土体在雷电冲击作用下强度性能变化的装置及其测定方法。


背景技术：

2.雷电是地球上普遍存在的自然现象，全球平均每年总共发生14亿次，频率约为每秒45次，这其中有超过一半的闪电发生在云内，尽管云地间闪电仅占闪电的三分之一，但其对地表环境的影响最大。云地闪电具有瞬时性、突发性以及高危险性等特点，其实际为强大雷电流向大地释放能量的过程，每次云地闪电都涉及10
9-10
10
j的能量，尽管其中大部分能量在空气传导中被消耗以产生雷声、热空气、光和无线电波，但击中地面时，仍有约108j的能量释放进大地中，其峰值电流依然可以达到几十千安，甚至数百千安，持续数十微秒，巨大能量会对土体造成显著的力学冲击效应。
3.目前，大量研究仅针对于接地装置的雷电冲击特性，而雷电冲击作用对于土体造成的影响研究却十分欠缺。值得说明的是，首先，无论是采用接地装置或者是其他的防雷措施，最终雷电流的巨大能量均将泄放入土体中，必然会对土体造成一定强度损伤；其次，在接地装置的防雷设计中，接地装置的暂态特性对防雷效果有很大影响，然而，埋设在土中的接地装置与土体作为一个紧密接触的整体，接地装置的暂态特性和防雷效果将会直接受到周围土体的影响；最后，针对于现有的土体在雷电冲击作用下的研究装置与方法，对雷电和岩土工程的交叉研究的范围和深度仍远远不够，如申请号为201310202692.3的“土体在雷电冲击作用下的电性相应测定装置”专利，该专利的主要缺点是仅能对雷电冲击作用下土中的电流波形和孔隙水压力进行测定，不能获取雷电冲击作用对土体的一些力学强度性能变化数据，且采用两块电极板作为接地系统的电极并不符合实际情况，对于测定的电流波形等数据对于注重于力学特性的岩土工程领域价值不大。因此，对于现有研究雷电对土体造成的影响装置和技术的欠缺，特别是雷电冲击造成土体的力学强度性能变化等特征的研究尚有很多不成熟的地方，开发设计一种能测定雷电冲击作用下土体力学强度性能变化的装置和方法具有重要意义


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种可对在雷电冲击前后土体的力学强度性能变化进行测定的装置和方法。
5.为达到上述目的，本发明提出一种测定土体在雷电冲击作用下强度性能变化的装置，包括试样盒、两根接地极、土体直剪模组、土体单向压缩模组、计算机采集系统和冲击电流发生器；
6.所述试样盒通过上下对称设置的上试样盒和下试样盒组成；所述试样盒内部填充有土样，两根所述接地极预埋于所述土样内，一根所述接地极与所述冲击电流发生器电连
接，另一跟所述接地极接地；
7.所述上试样盒的顶部为通孔，所述土体单向压缩模组通过所述通孔向内部土样施压；所述土体直剪模组与所述上试样盒连接，推动所述上试样盒相对所述下试样盒位移；
8.所述土体直剪模组、土体单向压缩模组和所述冲击电流发生器均与所述计算机采集系统信号连接。
9.进一步的，还包括支架和底座；
10.所述试样盒通过螺栓固定于所述底座上，所述土体直剪模组和所述土体单向压缩模组通过所述支架围绕于所述试样盒外周布置。
11.进一步的，在所述试样盒内，所述土体的顶面和底面均铺设有透水石层。
12.所述上试样盒的顶部设有排水孔；所述上试样盒和所述下试样盒的侧面设有用于接地极外接的孔洞；所述上试样盒和所述下试样盒对接配合后通过螺栓固定成盒。
13.进一步的，所述土体单向压缩模组包括：竖向差动位移计、竖向压力传感器、竖向活塞和液压系统；
14.所述竖向活塞设于所述试样盒的上方，通过所述液压系统驱动，实现对土体的按压，所述竖向差动位移计记录所述土体的形变量，所述竖向压力传感器与所述液压系统信号连接，记录压力；所述竖向活塞和所述竖向差动位移计均与所述计算机采集系统信号连接。
15.进一步的，所述土体直剪模组包括水平差动位移计、水平活塞、水平压力传感器和液压系统；
16.所述水平活塞通过所述液压系统设于所述上试样盒的侧边，所述水平差动位移计记录所述上试样盒的位移距离，所述水平压力传感器与所述液压系统信号连接，记录水平压力；所述水平差动位移计和所述水平压力传感器均与所述计算机采集系统信号连接。
17.本发明还提出一种对雷电冲击作用下土体的力学强度性能变化进行测定的方法，包括以下步骤：
18.s1)：确定试验参数；
19.s2)：根据试验参数安装实验装置；
20.s3)：进行雷电冲击前的土体直剪试验和单向压缩试验；获得雷电冲击作用前土样的力学参数指标：粘聚力x1、内摩擦角y1和压缩模量z1；
21.s4)：进行雷电冲击放电试验；
22.s5)：进行雷电冲击前的土体直剪试验和单向压缩试验，获得雷电冲击后土体的力学参数指标：粘聚力x2、内摩擦角y2和压缩模量z2；
23.s6)：试验结果分析；通过计算公式和得各雷电流参数和土样参数条件下的土体力学强度变化大小，为土体雷电致灾机理与力学性状演化规律提供重要的数据支撑。
24.进一步的，在s1)中，试验参数包括：土体含水率、含盐量、酸碱度、接地极的尺寸和布置距离，雷电流幅值和波形参数，制作多组所设计的土样。
25.进一步的，在s2)中，根据试样盒尺寸与所设土体初始孔隙率计算土料用量，按接地极布置距离设计要求填入土料和接地极，将土料压实至上试样盒顶面，安装多组装置。
26.进一步的，在s3)中，启动液压系统通过竖向活塞对每组试验施加不同的竖向压力，待土样稳定后启动水平活塞，以恒定速度向右推动上试样盒，开始剪切试验至土样破坏；剪切过程中计算机数据采集系统获取土样的剪切-位移曲线，通过数据处理可以得到每组试样土体的粘聚力、内摩擦角强度参数，取其平均值作为该土样条件下的土体强度参数；启动液压系统通过竖向活塞向土样依次施加不同级别的竖向压力，各级别竖向压力依次增加，每次需待变形稳定后再施加下一级别的竖向压力，计算机数据采集系统将记录每个压力级别下的竖直差动位移计读数，通过数据处理可得到土体的压缩模量等变形参数，取其平均值作为该土样条件下的土体变形参数；
27.在步骤s5)中，采用与步骤s3)相同的操作步骤。
28.与现有技术相比，本发明的优势之处在于：本发明装置和方法，由于采用的冲击电流发生器可模拟任意波形和幅值的雷电流，且本装置可对土体的含水率、含盐量、酸碱度等参数和接地极尺寸、布置距离等参数进行调控，因此可以很好地模拟雷电作用对土体的力学冲击效应，通过直剪试验和单向压缩试验，可以有效评价雷电冲击前后土体的力学强度性能变化以及各参数的影响规律，且简单易行、成本低，可为土体雷电致灾机理与力学性状演化规律提供重要的数据支撑。
附图说明
29.图1为本发明测定土体在雷电冲击作用下强度性能变化的装置结构布置示意图；
30.图2为本发明试样盒的侧视图；
31.图3为图1的a-a截面视图；
32.图4为本发明冲击电流发生器的原理接线图；
33.图中：1上试样盒，2下试样盒，3接地极，4透水石，5加压板，6排水孔，7水平差动位移计，8竖向差动位移计，9竖向压力传感器，10竖向活塞，11水平活塞，12水平压力传感器，13液压系统，14计算机数据采集系统，15冲击电流发生器，16底座，17支架，18土样，19孔洞，20螺栓，21脉冲电容器组，22保护电阻，23控制系统，24硅堆，25调波电阻，26调波电感，27电动点火球隙，28升压变压器，29试样。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。
35.实施例1
36.如图1所示。一种测定土体在雷电冲击作用下强度性能变化的装置，包括上试样盒1，下试样盒2，接地极3，透水石4，加压板5，排水孔6，水平差动位移计7，竖向差动位移计8，竖向压力传感器9，竖向活塞10，水平活塞11，水平压力传感器12，液压系统13，计算机数据采集系统14，冲击电流发生器15，底座16，支架17，土样18。
37.其中，上试样盒1和下试样盒2均为钢化玻璃制成，内部均为中空结构，长为500mm，宽为500mm，高为200mm，内部结构用于容纳土样19和接地极3，其中下试样盒顶面敞口，左右两个侧面上下两端均设有两个螺栓口，上端通过螺栓20与上试样盒连接，下底面固定于试验平台底座16上并设有排水孔6。上试样盒上下两个面均为敞口，左侧面与外部水平活塞11
连接并布置有水平压力传感器12，右侧面设有一个水平差动位移计7，可用于雷电冲击前后进行直剪试验获得土体的剪切荷载-位移曲线，获取土体的剪切强度指标。试样盒上下两侧均布置一个和试样盒内部尺寸相同的透水石4，中间区域填入土样18和接地极3，顶面布置有一个加压板5，加压板5上部设有竖直活塞10，并分别布置一个竖直压力传感器9和竖直差动位移计8，可用于雷电冲击前后进行单向压缩试验获得土体的压缩模量等变形指标。
38.液压系统13提供直剪试验和单向压缩试验所需的竖向压力与水平推力。
39.本试样盒应安装5组，试样盒内的土样18分别为含水率0％、5％、10％、15％和20％的土体，以此研究土体的含水率对雷电冲击土体力学强度性能变化的影响规律。
40.接地极3有两个，均为铜材质，横截面为半径5mm的圆形，长度为300mm，试验中两个接地极3分别埋在上试样盒1和下试样盒2的土样18中，距离上、下试样盒的竖直交界面距离为100mm，两个接地极3两端均距试样盒左右两侧面100mm，并具体试样盒前后两侧面的距离相等，处于试样盒前后两盒面中心处。
41.水平压力传感器12、竖直压力传感器9、水平差动位移计7和竖直差动位移计8均通过采集信号线连接至计算机数据采集系统14，获取试验数据，采用《土工试验方法标准》(gb/t 50123-2019)直剪试验和单向压缩试验方法，对采集到的数据进行分析获取土体的强度变化。
42.如图2为本发明试样盒的侧视图，上试样盒1与下试样盒2通过螺栓20连接，并且下试样盒2通过螺栓与底座16连接，在上试样盒1与下试样盒2左侧面中心处均有一个半径5mm的孔洞19，装置安装时，上试样盒1中的接地极3的电流注入端通过孔洞19与冲击电流发生器的电流输出端电连接，下试样盒2中的接地极3通过孔洞19接地。
43.图3为图1的a-a截面视图，本装置安装过程中，先在下试样盒2底部放置一块500mm*500mm*8mm的透水石4，根据土体初始孔隙率计算土料用量，向试样盒中填入不同含水率的土样18至距下试样盒2底部100mm处，安装下试样盒2中的接地极3，而后继续填入土样18至上试样盒1中心处，此时土样顶部距下试样盒底部为300mm，安装上试样盒中的接地极3，继续填入土样18直至距上试样盒顶部10mm，在土样18上放置透水石4，最后放置加压板。
44.图4为本发明冲击电流发生器15的原理接线图，包括脉冲电容器组21，保护电阻22，控制台23，硅堆24，调波电阻25，调波电感26，电动点火球隙27，升压变压器28。冲击电流发生器15的输入端通过电缆线与220v市电连接，电流输出端与上试样盒中接地极3的电流注入端电连接，可通过调节冲击电流发生器的调波电感26和调波电阻25控制输出雷电流波形的波前时间和波尾时间，通过调节脉冲电容器组21的充电电压控制输出雷电流的幅值，从而能产生幅值8～200ka、波前时间1.2～20us和波后时间20～1000us的雷电冲击电流波形，本实施例采用幅值为20ka、波形为10/350us的电流波形。冲击电流发生器15的控制系统23通过光纤与电动点火球隙27连接，脉冲电容器组21充电后，控制系统23经光纤向电动点火球隙27输送触发信号以在球隙间产生一个电火花，从而产生雷电流作用在土样18中，完成放电过程。
45.本装置测定雷电冲击前后土体强度性能的变化时需进行多次重复试验，取每次试验的强度测定结果的平均值作为该雷电冲击电流作用下土体强度值，以减小外部环境因素对结果的影响。
46.实施例2
47.一种测定土体在雷电冲击作用下强度性能变化的装置，同实施例1。其中，上试样盒1和下试样盒2的内部空间尺寸均为600mm*600mm*300mm，接地极3横截面为半径8mm的圆形，长度为400mm，两接地极布置距离为300mm，放置于试样盒中心处，试样盒内的土样18分别为含盐量0％、2％、4％、6％和8％的土体，采用幅值为20ka、波形为10/350us的雷电电流波形。
48.实施例3
49.一种测定土体在雷电冲击作用下强度性能变化的装置，同实施例1。其中，上试样盒1和下试样盒2的内部空间尺寸均为600mm*600mm*300mm，接地极3横截面为半径8mm的圆形，长度为400mm，两接地极布置距离为300mm，放置于试样盒中心处，试样盒内的土样18的含水率和含盐量均为0％，分别采用幅值为20ka、40ka、60ka、80ka和100ka，波形为10/350us的雷电电流波形进行试验。
50.一种对在雷电冲击前后土体的力学强度性能变化进行测定的方法，经确定试验参数，安装试验装置，进行雷电冲击前的土体直剪试验和单向压缩试验，进行雷电冲击放电试验，进行雷电冲击前的土体直剪试验和单向压缩试验，试验结果分析等步骤，获取雷电冲击前后土体的力学强度性能变化。所述方法的具体步骤如下
51.s1)确定试验参数。
52.包括土体18含水率、含盐量、酸碱度，接地极3的尺寸与布置距离，雷电流幅值与波形参数，制作多组所设计的土样。
53.①
确定雷电流幅值与波形参数。通过调节冲击电流发生器15的调波电阻25和调波电感26控制输出雷电流波形的波前时间和波尾时间，通过调节脉冲电容器组21的充电电压控制输出雷电流的幅值，在调节前可通过仿真软件或计算公式确定其参考值。
54.②
确定土体参数。根据试验要求确定土体的含水率、含盐量、酸碱度等，首先对土样进行清洗去除可溶性盐成分，待清洗干净后进行烘干以去除水分，再根据试验要求添加预设质量的水和盐，制成多组土样。
55.s2)安装试验装置。
56.根据试样盒尺寸与所设土体初始孔隙率计算土料用量，按接地极3布置距离设计要求填入土料18和接地极3，试样盒1中的接地极3的电流注入端通过孔洞19与冲击电流发生器的电流输出端电连接，下试样盒2中的接地极3通过孔洞19接地，将土料18压实至上试样盒1顶面，安装多组本发明装置。
57.s3)进行雷电冲击前的土体直剪试验和单向压缩试验。
58.采用《土工试验方法标准》(gb/t 50123-2019)直剪试验和单向压缩试验的方法，进行雷电冲击前土体强度参数和变形参数测量。
59.①
进行直剪试验。启动液压系统13通过竖向活塞10对每组试验施加不同的竖向压力，待土样稳定后启动水平活塞11，以恒定速度向右推动上试样盒1，开始剪切试验至土样破坏。剪切过程中计算机数据采集系统14获取土样的剪切-位移曲线，通过数据处理可以得到每组试样土体的粘聚力、内摩擦角等强度参数，取其平均值作为该土样条件下的土体强度参数。
60.②
进行单向压缩试验。启动液压系统13通过竖直活塞10向土样依次施加不同级别
的竖向压力，各级别竖向压力依次增加，每次需待变形稳定后再施加下一级别的竖向压力，计算机数据采集系统14将记录每个压力级别下的竖直差动位移计7读数，通过数据处理可得到土体的压缩模量等变形参数，取其平均值作为该土样条件下的土体变形参数。
61.s4)进行雷电冲击放电试验。
62.冲击电流发生器15调节完成后，通过按下冲击电流发生器15的控制系统23的“触发”键，电动点火球隙27输送触发信号以在球隙间产生一个电火花，从而产生雷电流作用在土样18中，完成放电过程。
63.s5)进行雷电冲击前的土体直剪试验和单向压缩试验。
64.采用s3)所述方法进行雷电冲击后土样18的直剪试验和单向压缩试验，获取此时雷电冲击后土体的粘聚力、内摩擦角等强度参数和压缩模量等变形参数。
65.s6)试验结果分析。对雷电冲击作用前土样的力学参数指标：粘聚力x1、内摩擦角y1和压缩模量z1，以及雷电冲击后土体的力学参数指标：粘聚力x2、内摩擦角y2和压缩模量z2按以下表达式(1)-(3)处理，可得各雷电流参数和土样参数条件下的土体力学强度变化大小，进而可为土体雷电致灾机理与力学性状演化规律提供重要的数据支撑。
[0066][0067][0068][0069]
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。