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制造方法及图纸

本发明专利技术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及其测定方法，本发明专利技术装置主要包括冲击电流发生器、上试样盒、下试样盒、接地极、透水石、加压板、加压活塞、压力传感器、差动位移计、液压系统、计算机数据采集系统，冲击电流发生器能用于产生雷电冲击电流，上试样盒与下试样盒可用于容纳土体和接地极，接地极有两个，一个接地极与冲击电流发生器的电流输出端电连接，另一个接地极接地，试样盒可用于进行直剪试验与单向压缩试验，测定土体力学强度变化。本发明专利技术装置能很好地模拟雷电冲击对土体造成的力学强度变化，从而为探究土体雷电致灾害机理提供参考。雷电致灾害机理提供参考。雷电致灾害机理提供参考。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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109‑
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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。
[0003]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

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]为达到上述目的，本专利技术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；
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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。
[0009]进一步的，还包括支架和底座；
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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；
[0014]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。
[0015]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；
[0016]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。
[0017]本专利技术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：
[0018]S1)：确定试验参数；
[0019]S2)：根据试验参数安装实验装置；
[0020]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；
[0021]S4)：进行雷电冲击放电试验；
[0022]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；
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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
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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；
[0027]在步骤S5)中，采用与步骤S3)相同的操作步骤。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的优势之处在于：本专利技术装置和方法，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。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测定土体在雷电冲击作用下强度性能变化的装置，其特征在于，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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的测定土体在雷电冲击作用下强度性能变化的装置，其特征在于，还包括支架和底座；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。3.根据权利要求1所述的测定土体在雷电冲击作用下强度性能变化的装置，其特征在于，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。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。4.根据权利要求1所述的测定土体在雷电冲击作用下强度性能变化的装置，其特征在于，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；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。5.根据权利要求1所述的测定土体在雷电冲击作用下强度性能变化的装置，其特征在于，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；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。6.一种对雷电冲击作用下土体的力学强度性能...

【专利技术属性】
技术研发人员：饶平平，项远兵，吴志林，欧阳昢晧，王齐苘，冯伟康，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：