一种冲击荷载动态渗流装置及方法

1.本发明涉及一种冲击荷载动态渗流装置及方法，属于岩土工程、地质工程技术领域。


背景技术：

2.底部冲击下饱和砂土的液化响应机理：在砂样底部受到不同冲击压力和不同冲击频率作用下，饱和砂土会形成不同的孔隙水压力，当同一高度处的孔隙水压力和砂土总压力相等时，饱和砂土产生了液化(即使冲击压力较小时，饱和砂土未产生液化，但也会有孔隙水压力升高)。因此该设备通过确定孔隙水压力和总压力之间的关系，来判断冲击荷载与砂土液化的关系。
3.饱和砂土在振动、冲击、爆炸以及其他形式的动载荷作用下会发生液化现象,并伴随有砂面的沉降,严重时还会出现喷砂冒水现象。其结果是引起矿山、堤坝、码头等土工建筑物的严重破坏,从而造成重大严重的人员伤亡和财产损失。目前，关于地下冲击波导致上层砂土液化的设备研究并不多见，本装置有利于模拟饱和砂土从底部受到冲击产生液化的研究。
4.目前大多数砂土液化问题研究是在振动荷载或大剪切位移条件下完成的，且研究中大多保持不排水状态，很少考虑饱和砂土底部受到冲击后的液化响应。而本专利提出的冲击设备能够较好地观察到砂土在底部受到冲击时的砂样变化和液化响应。
5.目前关于渗流作用的研究大多是在静载状态下完成的，很少考虑砂土受到的冲击作用对其渗流作用的影响，而本实验装置能够通过传感器记录数据来分析动力荷载下渗流速度快慢的变化。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，针对现有的设备中的不足,提供一种造价低廉，结构简单的可在渗流状态下进行冲击试验的装置，不仅能够解决以特有频率和大小冲击试样使试样液化问题；还能够借助该装置，对冲击作用下的动态渗流问题进行进一步的研究，提供一种冲击荷载动态渗流装置及方法。
7.为解决上述技术问题，本发明提供一种冲击荷载动态渗流装置，包括加载装置、装置主体、供水系统，所述加载装置设置于所述装置主体中，所述供水系统与所述装置主体相连接。
8.作为一种较佳的实施例，加载装置包括可调速电机、曲轴、连杆、冲击杆，可调速电机的输出端配合连接曲轴，可调速电机带动曲轴转动，连杆的一端连接曲轴，连杆的另一端与冲击杆相连接，冲击杆的头部设置有冲击头，冲击头上放置有可拆卸的弹簧，弹簧的上方安装有铜帽。
9.作为一种较佳的实施例，装置主体包括试样筒、箱体底座、螺纹杆，箱体底座的底部与螺纹杆固定连接组成整体支架，箱体底座内设置有放置配重的光轴；整体支架上部装
有与试样筒的外径匹配的钢箍；整体支架上设置有上下对称分布的上部法兰盘、下部法兰盘，上部法兰盘与下部法兰盘通过第一螺母与第二螺母上下配合在螺纹杆上移动调节定位高度，下部法兰盘的侧部外接进水管道；试样筒的下端与上部法兰盘相连接，试样筒的内底部设置有过滤盒。
10.作为一种较佳的实施例，箱体底座在箱体上部开口位置处安装有箱体底座滑轨，以保证加载装置中的铜帽上下运行顺畅。
11.作为一种较佳的实施例，试样筒预留螺纹孔洞的孔径分别与实验所用的传感器、排水管道直径相匹配，试样筒最顶部预留的螺纹孔洞与排水管道相连，试样筒上其余高度对称的螺纹孔洞的一侧插入孔压传感器，另一侧插入压力传感器。
12.作为一种较佳的实施例，孔压传感器的探头外部加装有网眼铜帽。
13.作为一种较佳的实施例，过滤盒内部由一层玻璃珠和筛网组成，既保证砂样不落入上部法兰盘中，又保证水流均匀流过砂面。
14.作为一种较佳的实施例，钢箍，用于避免试样筒因过高导致上部发生晃动，钢箍的内部设计有橡胶垫层，用于增加钢箍与试样筒之间的摩擦力，增加稳定性。
15.作为一种较佳的实施例，供水系统包括可调速水泵、流量计、针形阀，针形阀的左端通过进水管道连接可调速水泵，针型阀的右端连接流量计，流量计通过进水管道与装置主体相连接。
16.本发明还提出一种冲击荷载动态渗流方法，包括如下步骤：
17.步骤ss1：使用环刀在野外取样点制取砂土试样，对不同类型的砂土进行筛分处理，烘干保存；
18.步骤ss2：根据土工试验规程测得砂土干密度，根据试样筒内径和试样筒上布设的孔压传感器最高位置高度计算得到所需砂土体积，并依据砂土干密度计算出所需要的干砂质量，该公式为：
19.m＝ρdv＝ρπr2h
20.式中，m为制样时所需干砂质量，ρd为天然砂土的干密度，v为所需干砂体积体积，π为圆周率，r为试样筒内半径，h为试样筒上布设的孔压传感器最高位置高度；
21.步骤ss3：将孔压传感器和压力传感器分别接入试样筒侧壁预留螺纹孔中，将过滤盒放置于试样筒底部后，把称取的砂样通过漏斗分批装入试样筒内，然后打开针形阀，向试样筒内注水至水位高度达到试样筒最顶部预留螺纹孔位置，堵住最顶部两个对称位置处预留螺纹孔，停止水流；
22.步骤ss4：开通可调速电机，冲击杆冲击下部法兰盘，通过计算机记录各位置处传感器探头数据，对冲击后的各位置处传感器总压力和孔隙水压力进行比较，按照有效应力原理，判断砂样是否液化，并且计算得到此时的两孔之间的水力坡降in，相关公式为：
23.σ
′n＝σ
n-un24.式中，σn为第n个预留孔位置处压力传感器显示的总应力，un第n个预留孔位置处孔压传感器显示的孔隙水压力，σ
′n为第n个预留孔位置处的有效应力，当其等于0时即发生液化；
25.26.式中，hn＝第n个预留孔位置处的超孔隙水压力水头，h
n 1
＝第n 1个预留孔位置处的超孔隙水压力水头，hn为第n个和第n 1个预留螺纹孔之间的高度，in为两孔之间的水力坡降；
27.步骤ss5：打开针形阀，卸掉试样筒侧壁最顶部两个对称位置预留孔的橡胶塞，最顶部预留螺纹孔处连接排水管道，试样筒其他部位保持运转，而后调节水流速度，使试样筒内水位高度保持在最顶部螺纹孔高度处不变；
28.步骤ss6：通过流量计读出当前渗流速度v，再次通过计算机分别记录保持渗流状态时第 n个预留孔位置处和第n 1个预留孔位置处传感器的孔隙水压力u
′n，并且计算出此时的动态水力坡降i
′n，根据达西定律，计算得出此时的动态渗流系数k，相关公式为：
29.k＝v/(i
′
n-in)
30.本发明所达到的有益效果：本发明针对如何解决目前大多数砂土液化问题研究是在振动荷载或大剪切位移条件下完成的，且研究中大多保持不排水状态，很少考虑饱和砂土底部受到冲击后的液化响应的技术需求，提出一种冲击荷载下动态渗流装置及方法，能够较好地观察到砂土在底部受到冲击时的砂样变化和液化响应。本发明针对如何解决目前关于渗流作用的研究大多是在静载状态下完成的，很少考虑砂土受到的冲击作用对其渗流作用的影响的技术需求，通过传感器记录数据来分析动力荷载下渗流速度快慢的变化，本发明从整体上能够观察到砂土在底部受到冲击时的砂样变化以及其液化发展过程，同时也可以观察到不同动力荷载下渗流速度的快慢变化。
附图说明
31.图1是本发明的加载装置的结构示意图；
32.图2是本发明的装样装置的结构示意图；
33.图3是本发明的箱体底座的结构示意图；
34.图4是本发明的渗流条件下冲击加载试验的结构示意图。
35.图中标记的含义：1-可调速电机，2-冲击杆，3-连杆，4-曲轴，5-弹簧，6-铜帽，7-配重，8-冲击头，9-箱体底座，10-钢箍，11-孔压传感器，12-压力传感器，13-螺纹杆，14
‑ꢀ
试样筒，15-过滤盒，16-上部法兰盘，17-下部法兰盘，18-箱体底座滑轨，19-进水管道，20
‑ꢀ
排水管道，21-第一螺母，22-第二螺母，23-螺栓，24-可调速水泵，25-针形阀，26-流量计。
具体实施方式
36.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
37.实施例1：如图1、图2、图3和图4所示，本发明提出一种冲击荷载下动态渗流装置，包括加载装置、装置主体和供水系统。
38.结合图1，加载装置，放置于箱体底座9内，包括可调速电机1、曲轴4、连杆3、冲击杆2，可调速电机1带动曲轴4转动，连杆3的一端连接曲轴2，另一端与冲击杆2连接，冲击杆头部设计有较宽的冲击头8，其上放置有可拆卸的弹簧5，弹簧5上方安有可替换铜帽6。
39.结合图3，装置主体包括试样筒14、箱体底座9、螺纹杆13，所选用的箱体底座9可以防水放电，保证装置主体使用安全，箱体底座9底部开有螺纹孔和螺纹杆13固定连接组成整
体支架，箱体底座9内设计有光轴放置配重7来增加装置主体的稳定；整体支架上部装有与试样筒14外径匹配的钢箍10；上部法兰盘16、下部法兰盘17开有光孔与整体支架连接，且通过第一螺母21在螺纹杆13上移动调节定位高度，通过第一螺母21、第二螺母22的上下配合作用保证装置主体的整体密封性，同时下部法兰盘17侧面开有螺纹孔与进水管道19相连；试样筒14透明，试样筒14下端与上部法兰盘16连接，试样筒14的筒壁沿母线有两排对称预留螺纹孔洞，在试样筒14内底部位置放置过滤盒15。
40.结合图4，供水系统包括可调速水泵24、流量计26、针形阀25，其中针形阀25的左端通过进水管道19连接可调速水泵24，针形阀2的右端连接流量计26，流量计26则通过进水管道19与装置主体相连。
41.可选的，试样筒14为有机玻璃材质，下部法兰盘17、螺纹杆13和箱体底座9为不锈钢材质。
42.可选的，箱体底座9在箱体上部开口位置处安装有箱体底座滑轨18，以保证加载装置中的铜帽6上下运行顺畅。
43.可选的，铜帽6选用的铜材料，较下部法兰盘17材质较软，可以保护下部法兰盘17的底面。
44.可选的，试样筒14预留螺纹孔洞的孔径分别与实验所用的传感器、排水管直径相匹配，在装样的过程中使用橡胶塞封口，在实验进程中，试样筒最顶部预留的螺纹孔洞与排水管道 20相连，其余高度对称的螺纹孔洞，一侧插入孔压传感器11，另一侧插入压力传感器12。
45.可选的，排水管道20可以保证试样筒14内的水位高度不变。
46.可选的，过滤盒15，外部为不锈钢材质，内部由一层玻璃珠和筛网组成，既可保证砂样不落入上部法兰盘16中，有可保证水流均匀流过砂面。
47.可选的，钢箍10，可以避免试样筒14因为过高上部发生晃动，内部设计有橡胶垫层，用于增加钢箍10与试样筒14之间的摩擦力，从而增加稳定性。
48.可选的，弹簧5可以在冲击加载的过程中起到缓冲作用从而防止加载装置卡死。
49.可选的，孔压传感器11探头外部加装有网眼铜帽，这是与压力传感器12的不同之处。
50.可选的，可调速水泵24可调节水流速度和水流大小，保证实验中流速不变。
51.可选的，可调速电机1，可以调节冲击荷载的大小和频率，保证实验中的荷载保持不变。
52.实施例2：本发明还公开了一种冲击荷载动态渗流方法，包括如下步骤：
53.(1)使用环刀在野外取样点制取砂土试样，对不同类型的砂土进行筛分处理，烘干保存；
54.(2)根据土工试验规程测得砂土干密度，根据试样筒14内径和试样筒14上布的孔压传感器 11最高位置高度计算得到所需砂土体积，并依据砂土干密度计算出所需要的干砂质量，该公式为：
55.m＝ρdv＝ρπr2h；
56.式中，m为制样时所需干砂质量，ρd为天然砂土的干密度，v为所需干砂体积体积，π为圆周率，r为试样筒14内半径，h为试样筒上布的孔压传感器11最高位置高度；
57.(3)按照前述的连接方式将孔压传感器11和压力传感器12分别接入套筒侧壁预留螺纹孔中，将的过滤盒15放置于试样筒14底部后，把称取的砂样通过漏斗分批装入试样筒14内，然后打开针形阀25，向试样筒14内注水至水位高度达到试样筒14最顶部预留螺纹孔位置，堵住最顶部两个对称位置处预留螺纹孔，停止水流；
58.(4)开通可调速电机1，冲击杆2冲击下部法兰盘17，通过计算机记录各位置处传感器探头数据，对冲击后的各位置处传感器总压力和孔隙水压力进行比较，按照有效应力原理，判断砂样是否液化，并且计算得到此时的水力坡降in，相关公式为：
59.σ
′n＝σ
n-un；
60.式中，σn为第n个预留孔位置处压力传感器显示的总应力，un第n个预留孔位置处孔隙水压力传感器显示的孔隙水压力，σ
′n为第n个预留孔位置处的有效应力，当其等于0时即发生液化；
[0061][0062]
式中，hn＝第n个预留孔位置处的超孔隙水压力水头，h
n 1
＝第n 1个预留孔位置处的超孔隙水压力水头，hn为第n个和第n 1个预留螺纹孔之间的高度，in为两孔之间的水力坡降； (5)打开针形阀25，卸掉试样筒14侧壁最顶部两个对称位置预留孔的橡胶塞，最顶部预留螺纹孔处连接排水管道20，仪器其他部位保持运转，而后调节水流速度，使试样筒14内水位高度保持在最顶部螺纹孔高度处不变；
[0063]
(6)通过流量计26读出当前渗流速度v，再次通过计算机分别记录保持渗流状态时第n个预留孔位置处和第n 1个预留孔位置处传感器的孔隙水压力u
′n，并且计算出此时的动态水力坡降i
′n，根据达西定律，可以计算得出此时的动态渗流系数k，相关公式为：
[0064]
k＝v/(i
′
n-in)
[0065]
通过该实验可以有效测得，不同大小的冲击荷载下，砂样的总压力与孔隙水压力之间的关系，同时也可以建立砂样液化与冲击荷载之间的关系，同时也可以计算得到冲击荷载下的动态渗流系数k值。
[0066]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。