[发明专利]一种砂土颗粒梯度疲劳液化实验装置及方法

说明书

一种砂土颗粒梯度疲劳液化实验装置及方法，装置包括砂土试样装载容器、水装载容器、溢流砂土收集容器、溢流水收集量杯、底座、振动台、过滤网、调节阀、流速表、流量表、孔隙水压力传感器及透明毛细管。方法为：采样并测量物性指标，按粒径范围筛分试样，向砂土试样装载容器中装填试样，按相对密实度处理试样，测量初始孔隙比，将透明毛细管插入试样，开阀注水，观测并采集浸润线和饱水线，直到试样饱和并关阀，设定振动参数，启动振动台，以水砂混合物持续溢出作为液化开始标志，直到溢出结束及透明毛细管停止倾斜，关闭振动台，记录液化时长、沉降量及孔隙水压，烘干并称重溢出砂土，记录溢出水量，调整相对密实度和振动参数，实施对比实验。

技术领域

本发明属于砂土液化实验技术领域，特别是涉及一种砂土颗粒梯度疲劳液化实验装置及方法。

背景技术

目前，在露天矿开采过程中，经常会面对大量基岩上覆厚饱水砂层地质条件的复合边坡，在复合边坡的砂层内，细小砂粒会在高水头差作用下形成水力梯度，同时还会承受车辆动荷载、矿震、爆破等振动，而在振动作用下，振源附近的细小无粘性的砂土颗粒，其会因粒径和比重的不同发生梯度疲劳液化现象，而砂土颗粒梯度疲劳液化现象是一个渐进的累积过程，且具有明显的时间效应。

当露天矿开采现场的复合边坡发生砂土颗粒梯度疲劳液化现象时，细小无粘性的砂土颗粒会随地下水的渗流而发生运移，进而导致复合边坡发生潜蚀、坡顶开裂及滑坡失稳，从而危及采矿安全。

现阶段用于研究砂土颗粒梯度疲劳液化现象的实验装置十分匮乏，与其相关的一些实验装置还主要用于模拟管涌现象以及地下开采过程中的溃砂和水砂运移现象，但都无法模拟振动作用下发生的砂土颗粒梯度疲劳液化现象。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种砂土颗粒梯度疲劳液化实验装置及方法，可在实验室环境下，通过模拟露天矿开采现场的车辆动荷载、矿震、爆破等振动，重现不同粒径和比重的无粘性砂土颗粒发生梯度疲劳液化的过程，可获得与砂土颗粒梯度疲劳液化相关的振动参数、砂土物性指标及砂土颗粒配级数据，帮助确立基于振动参数及砂土物性指标的砂土颗粒梯度疲劳液化判别标准，通过观测液化区域的动态扩展演化过程，为揭示砂质复合边坡的砂土颗粒梯度疲劳液化的诱发机理提供了全新手段。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种砂土颗粒梯度疲劳液化实验装置，包括砂土试样装载容器、水装载容器、溢流砂土收集容器、溢流水收集量杯及底座；所述砂土试样装载容器及水装载容器均通过底座上表面的沉头孔固定放置于底座上，水装载容器底部开设有出水孔，在所述砂土试样装载容器底部开设有进水孔，砂土试样装载容器的进水孔与水装载容器的出水孔之间通过管道相连通，在管道上依次安装有调节阀、流速表及流量表；在所述砂土试样装载容器中上部开设有溢流孔，溢流孔外接有溢流弯管；所述溢流砂土收集容器通过支架固定放置于底座上，在溢流砂土收集容器内安装有过滤网，在过滤网下方的溢流砂土收集容器底部开设有排水孔，排水孔外接有竖直向的排水管，所述溢流水收集量杯位于排水管正下方，溢流水收集量杯通过底座上表面的沉头孔固定放置于底座上；所述底座固定安装于振动台上。

在所述砂土试样装载容器的内壁上固装有若干孔隙水压力传感器，且若干孔隙水压力传感器沿高度方向均匀布置。

当所述砂土试样装载容器中装填好砂土试样后，在砂土试样中竖直插装有一根透明毛细管，且透明毛细管插入砂土试样的深度至少为透明毛细管管体长度的1/3。

一种砂土颗粒梯度疲劳液化实验方法，采用了所述的砂土颗粒梯度疲劳液化实验装置，包括如下步骤：

步骤一：采集砂土试样，并测量砂土试样的物性指标，物性指标包括比重、最大孔隙比、最小孔隙比、最大密度及最小密度；

步骤二：按照设定好的粒径范围对砂土试样进行筛分，再将筛分好的砂土试样平均分成若干份；