CN109440837B - 一种可模拟干湿循环及地下水共同作用的挡土墙模型试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
发明公开了及一种可模拟干湿循环及地下水共同作用的挡土墙模型试验装置及方法，其包括模型箱；蒸发量测试***；温控***；降雨***；电机控制***；轴承传动***；地下水控制***；土壤水分传感器；通过降雨***实现挡土墙后填土料增湿；通过温控***精准控制模型箱内部温度；通过蒸发量测试***精准控制蒸发量；同时基于土壤水分传感器可时时监测填料中水分迁移变化；可通过激光位移传感器测量挡土墙的位移变化；可通过电机控制***实现挡土墙缓慢位移。本发明结构合理，操作简便，可用于模拟挡土墙后填料在干湿循环和地下水作用下填料对挡土墙土压力的影响，为工程设计和相关模型试验研究提供了一种有效手段。
Description
技术领域：
本发明涉及一种挡土墙试验装置，尤其涉及一种可实现干湿循环及地下水共同作用的挡土墙模型试验装置及方法。
背景技术：
经过碾压填筑的挡土墙后填料在施工完成后长期暴露于自然环境中，受多种自然外力作用下，土体强度会出现弱化，变形会增大，尤其是受干湿循环和地下水作用最为显著和突出。填料土体经历反复干湿循环过程，即一个由非饱和土到饱和土交替变化的过程，该过程地下水位也不断变化，进而影响土体内部的基质吸力水平和强度参数变化。
特别地，我国膨胀土分布广泛，在工程建设中不可避免地使用膨胀土作为挡土墙后填料。由于膨胀土具有吸水膨胀和失水收缩特性，反复的干湿循环和地下水变化作用会使挡土墙发生滑塌破坏概率急剧上升。现有的模型试验装置缺乏一个能模拟降雨和蒸发及地下水位变化过程对挡土墙土压力分布产生显著影响的装置，因此有必要开发此类装置，为工程设计和相关模型试验研究提供一种有效手段。
发明内容：
为解决上述技术问题，本发明提出一种可模拟干湿循环及地下水共同作用的挡土墙模型试验装置及方法。本发明结构合理，操作简便，可用于模拟挡土墙后填料在干湿循环和地下水作用下填料对挡土墙土压力的影响，为工程设计和相关模型试验研究提供了一种有效手段。
为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：
一种可模拟干湿循环及地下水共同作用的挡土墙模型试验装置，包括:模型箱1-1；模型箱1-1上部安装有降雨***；降雨***下方安装有挡土墙1-3，挡土墙1-3一侧与模型箱1-1之间填充有填料，另一侧安装有横向移动装置；挡土墙1-3临近填侧安装有压力测量装置；模型箱1-1上部连通有降雨蒸发***，填料下方安装有可关闭多孔板1-7；可关闭多孔板1-7下方的模型箱1-1连通有地下水控制***。挡土墙1-3上下两端滑动连接有滑动导轨1-9，滑动导轨1-9固定在挡土墙1-3内。
进一步的改进，所述降雨***包括喷头2-1，喷头2-1连通有导水PVC管路2-2，导水PVC管路2-2连通有三通阀门2-3、三通阀门2-3连通有流量计2-5和空压机2-4；流量计2-5连通有抽水泵2-6，抽水泵2-6连通有储水箱2-7。
进一步的改进，所述降雨蒸发***包括与模型箱1-1上部两侧连通构成回路的通风管4-1，通风管4-1内安装有鼓风机4-2和干燥器4-4，干燥器4-4下方安装有电子称4-3。
进一步的改进，所述地下水控制***包括供水箱7-1，供水箱7-1通过导水管7-2连通供水箱7-1底部，导水管7-2上安装有水阀7-3。
进一步的改进，所述横向移动装置包括电机控制***和轴承传动***；轴承传动***包括活动套6-2，活动套6-2内螺纹连接有螺纹丝杆6-3；活动套6-2与挡土墙1-3之间铰接连接有可拆卸支承钢杆6-1；螺纹丝杆6-3一端轴接在交叉钢杆1-10上，另一端连接有电动机5-1，电动机5-1电连接电机控制***；所述电机控制***包括与电动机5-1电连接的伺服驱动器5-5，伺服驱动器5-5电连接有单轴脉冲控制器5-4。
进一步的改进，所述电动机5-1通过法兰板5-3连接有减速机5-2，减速机5-2与螺纹丝杆6-3的另一端相连；配合螺纹丝杆6-3安装有激光位移传感器1-6。
进一步的改进，所述模型箱1-1内还安装有温控***，温控***包括红外取暖灯3-1和指针温度计3-2；红外取暖灯3-1和指针温度计3-2均电连接有温控箱3-3。
进一步的改进，所述压力测量装置为微型土压力盒1-4。
一种可模拟干湿循环及地下水共同作用的挡土墙模型的试验方法，包括如下步骤：
步骤一、闭合可关闭多孔板1-7，采用插销固定挡土墙1-3于模型箱支架滑轨上设定位置，并采用称量散土并加土分层压实方法填筑挡土墙后填料，直至达到预定的高度，然后调节储水箱7-1中水位，打开可关闭多孔板1-7，开始进行如下的干湿循环试验。
步骤二、以现场实测降雨量为依据，开启降雨***，即打开三通阀门2-3至一进口，打开抽水泵2-6，通过流量计2-5监控降雨量，直至降雨量达到实测值后打开三通阀门2-3至另一进口，打开空压机2-4，调节到设定压力，直至喷头2-1不再有水喷出为止，关闭降雨***，静置至少48h，直至土壤水分传感器1-2读数不再变化，保证填料土体达到水气平衡；
步骤三、以现场实测温度和蒸发量为依据，开启温控***，并调控设定温度值，同时开启鼓风机4-2，直至蒸发量达到实测值，静置48h，直至土壤水分传感器1-2读数不再变化，保证填料土体能够达到水气平衡；
步骤四、步骤二到步骤三即完成了一次干湿循环过程，可重复步骤二到步骤三进行多次交替干湿循环过程。
进一步的改进，包括还如下步骤：
步骤五、达到设定干湿循环次数后，启动电机控制***，挡土墙在轴承传动***带动下发生位移，通过土壤水分传感器1-2记录填料的含水量变化，通过激光位移传感器1-6实时监测挡土墙位移量，直至挡土墙位移达到目标值，关闭电机控制***。
步骤六、改变储水箱7-1水位，调节地下水位，重复步骤二-步骤五过程可模拟地下水位对挡土墙土压力的影响。
附图说明
图1为可模拟干湿循环及地下水共同作用的挡土墙模型试验装置；
图2为降雨***结构示意图；
图3为温控***结构示意图；
图4为电机控制***结构示意图；
图5为轴承传动***结构示意图；
图中：1-1模型箱；1-2土壤水分传感器；1-3挡土墙；1-4微型土压力盒；1-5法兰圈；1-6激光位移传感器；1-7可关闭多孔板；1-8土工织物；1-9滑动导轨；1-10交叉钢杆；2-1喷头；2-2导水PVC管路；2-3三通阀门；2-4空压机；2-5流量计；2-6抽水泵；2-7储水箱；3-1红外取暖灯；3-2指针温度计；3-3温控箱；3-4导电线路；4-1通风管；4-2鼓风机；4-3电子称；4-4干燥器；5-1电动机；5-2减速机；5-3法兰板；5-4单轴脉冲控制器；5-5伺服驱动器；6-1可拆卸支承钢杆；6-2活动套；6-3螺纹丝杆；6-4联轴器；6-5铰接螺栓一；6-6铰接螺栓二；6-7滚珠轴承；7-1供水箱；7-2导水管；7-3水阀；7-4砂砾层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实验方式对本发明做进一步说明：
如图1所示的一种可模拟干湿循环及地下水共同作用的挡墙模型试验装置及方法，包括模型箱，降雨***，温控***，蒸发量测试***，电机控制***，轴承传动***，地下水控制***。挡土墙；土壤水分传感器；激光位移传感器。
降雨***如图2所示，其包括喷头、导水PVC管路、空压机、三通阀门、流量计、抽水泵及储水箱，它通过喷头喷水模拟降雨，流量计控制降雨量，同时通过空压机加一定气压，可排掉管路通道中的残余水量，以精准控制降雨量。可关闭多孔板1-7可以通过在板上通孔处安装阀门等实现可关闭或打开。
温控***如图3所示，其包括导电线路、红外取暖灯、温控箱和指针温度计，指针温度计量测箱内温度，温控箱可调节箱内温度。
蒸发量测试***如图1所示，其至少包括通风管、干燥剂、电子天平及鼓风机，它通过鼓风机加速箱内水分流动，干燥剂可吸收流经的水分，并由电子天平称量干燥剂增重。
电机控制***如图4所示，其包括电动机、减速机、单轴脉冲控制器、伺服驱动器，电动机和单轴脉冲控制器共同连接在伺服驱动器上，减速机和电动机通过法兰板对接，通过伺服驱动器控制电动机转速，并通过减速机成倍降低电动机转速。
轴承传动***如图5所示，其包括可拆卸支撑钢杆、活动套、螺纹丝杆和滚珠轴承，螺纹丝杆与活动套通过螺纹连接，活动套与可拆卸支撑钢杆连接。
地下水位控制***如图1所示，其包括储水箱、水阀、导水管及砂砾层，储水箱与导水管连接，可控制地下水位的位置。
激光位移传感器与模型箱表面垂直，其特征在于，挡土墙移动过程中，可监控挡墙墙面不同位置的位移量。
土壤水分传感器埋置于分层压实的填料中，其特征在于，它可监控整个试
验过程填料的含水量变化。
挡土墙角部上下端位置设有插销，其与模型箱支架滑轨上预留的螺纹孔相连，挡土墙安装于不同的螺纹孔位置可控制填料的宽度，通过与挡土墙连接的可拆卸支撑钢杆可带动挡土墙的移动。
图1-图3中，特制模型1-1箱由真空玻璃和钢架通过螺栓拼接而成，两者之间的缝隙可以通过建筑胶填充；模型箱1-1上下部采用法兰圈1-5对接，法兰圈1-5与模型箱1-1上下部钢架通过螺栓连接。蒸发量测试***的PVC导水管路2-2、温控***中的导电线路3-4安装在模型箱1-1顶部的钢框架上，通风管4-1可以采用有机玻璃或者镀锌钢板制作，其与模型箱1-1外壳上预留孔洞通过止水橡胶条贴紧。
图1，图4中，减速机5-3一端与螺纹丝杆6-3连接，另一端与电动机5-1通过法兰板5-3对接，电动机5-1和单轴脉冲控制器5-4的控制端均连接在伺服驱动器5-5上。
图1，图5中，轴承传动***中可拆卸支撑钢杆6-1一端通过铰接螺栓一6-5连接在活动套上，铰接螺栓一6-5焊接在活动套6-2上，另一端连接固定于挡土墙1-3中部的铰接螺栓二6-6上，铰接螺栓二6-6焊接在钢板挡土墙1-3上；螺纹丝杆6-3一端与减速机5-3通过联轴器6-4相连，另一端支承载滚珠轴承6-7上，滚珠轴承6-7可以焊接在模型箱1-1的交叉钢杆1-10上。
图1中，储水箱7-1与模型箱1-1底部通过导水管7-2连接。微型土压力盒1-4埋置在挡土墙1-3墙面预留的孔洞中，并利用结构胶填充缝隙。
上述可模拟干湿循环及地下水共同作用的挡土墙模型试验装置及方法，包括如下步骤：
(1)参考图1，闭合可关闭多孔板1-7，采用插销固定挡土墙1-3于模型箱支架滑轨上一定位置，并采用称量散土并加土分层压实方法填筑挡土墙后填料，直至达到预定的高度，然后调节储水箱7-1中水位，打开可关闭多孔板1-7，开始进行如下的干湿循环试验。
(2)以现场实测降雨量为依据，开启降雨***，即打开三通阀门2-3至一进口，打开抽水泵2-6，通过流量计2-5监控降雨量，直至降雨量达到实测值后打开三通阀门2-3至另一进口，打开空压机2-4，调节某一压力(如10kPa)，直至喷头2-1不再有水喷出为止，关闭降雨***，静置至少48h，直至土壤水分传感器1-2读数不再变化，保证填料土体能够达到水气平衡。
(3)同样以现场实测温度和蒸发量为依据，开启温控***，并调控某一温度值，同时开启鼓风机4-2，直至蒸发量达到实测值，静置48h，直至土壤水分传感器1-2读数不再变化，保证填料土体能够达到水气平衡。
(4)上述即完成了一次干湿循环过程，可重复(2)-(3)进行多次交替干湿循环过程。
(5)达到目标干湿循环次数后，可启动电机控制***，挡土墙在轴承传动***带动下发生位移，通过土壤水分传感器1-2记录填料的含水量变化，通过激光位移传感器1-6时时监测其位移量，直至挡土墙位移达到目标值，关闭电机控制***。
(6)改变储水箱7-1水位，可调节地下水位，重复(1)-(5)过程可模拟地下水位对挡土墙土压力的影响。
上述实施例仅仅是本发明的一个实施方式，对其进行的简单替换等也均在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种可模拟干湿循环及地下水共同作用的挡土墙模型试验装置，其特征在于，包括:模型箱（1-1）；模型箱（1-1）上部安装有降雨***；降雨***下方安装有挡土墙（1-3），挡土墙（1-3）一侧与模型箱（1-1）侧面和底面之间填充有填料，另一侧安装有横向移动装置；挡土墙（1-3）临近填侧安装有压力测量装置；模型箱（1-1）上部连通有降雨蒸发***，填料下方安装有可关闭多孔板
（1-7）；可关闭多孔板（1-7）下方的模型箱（1-1）连通有地下水控制***；可关闭多孔板（1-7）下方安装有砂砾层（7-4）；所述降雨蒸发***包括与模型箱（1-1）上部两侧连通构成回路的通风管（4-1），通风管（4-1）内安装有鼓风机（4-2）和干燥器（4-4），干燥器（4-4）下方安装有电子秤（4-3）；填料内安装有土壤水分传感器（1-2）；所述降雨***包括喷头（2-1），喷头（2-1）连通有导水PVC管路（2-2），导水PVC管路（2-2）连通有三通阀门（2-3）、三通阀门（2-3）连通有流量计（2-5）和空压机（2-4）；流量计（2-5）连通有抽水泵（2-6），抽水泵（2-6）连通有储水箱（2-7）；所述地下水控制***包括供水箱（7-1），供水箱（7-1）通过导水管（7-2）连通供水箱（7-1）底部，导水管（7-2）上安装有水阀（7-3）；所述横向移动装置包括电机控制***和轴承传动***；轴承传动***包括活动套（6-2），活动套（6-2）内螺纹连接有螺纹丝杆（6-3）；活动套（6-2）与挡土墙（1-3）之间铰接连接有可拆卸支承钢杆（6-1）；螺纹丝杆（6-3）一端轴接在交叉钢杆（1-10）上，另一端连接有电动机（5-1），电动机（5-1）电连接电机控制***；所述电机控制***包括与电动机（5-1）电连接的伺服驱动器（5-5），伺服驱动器（5-5）电连接有单轴脉冲控制器（5-4）；所述电动机（5-1）通过法兰板（5-3）连接有减速机（5-2），减速机（5-2）与螺纹丝杆（6-3）的另一端相连；配合螺纹丝杆（6-3）安装有激光位移传感器（1-6）；所述模型箱（1-1）内还安装有温控***，温控***包括红外取暖灯（3-1）和指针温度计（3-2）；红外取暖灯（3-1）和指针温度计（3-2）均电连接有温控箱（3-3）；所述压力测量装置为微型土压力盒（1-4）。
2.一种使用权利要求1所述的可模拟干湿循环及地下水共同作用的挡土墙模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、闭合可关闭多孔板（1-7），采用插销固定挡土墙（1-3）于模型箱支架滑轨上设定位置，并采用称量散土并加土分层压实方法填筑挡土墙后填料，直至达到预定的高度，然后调节储水箱（7-1）中水位，打开可关闭多孔板（1-7），开始进行如下的干湿循环试验；
步骤二、以现场实测降雨量为依据，开启降雨***，即打开三通阀门（2-3）至一进口，打开抽水泵（2-6），通过流量计（2-5）监控降雨量，直至降雨量达到实测值后打开三通阀门（2-3）至另一进口，打开空压机（2-4），调节到设定压力，直至喷头（2-1）不再有水喷出为止，关闭降雨***，静置至少48h，直至土壤水分传感器（1-2）读数不再变化，保证填料土体达到水气平衡；
步骤三、以现场实测温度和蒸发量为依据，开启温控***，并调控设定温度值，同时开启鼓风机（4-2），直至蒸发量达到实测值，静置48h，直至土壤水分传感器（1-2）读数不再变化，保证填料土体能够达到水气平衡；
步骤四、步骤二到步骤三即完成了一次干湿循环过程，重复步骤二到步骤三进行多次交替干湿循环过程；
步骤五、达到设定干湿循环次数后，启动电机控制***，挡土墙在轴承传动***带动下发生位移，通过土壤水分传感器（1-2）记录填料的含水量变化，通过激光位移传感器（1-6）实时监测挡土墙位移量，直至挡土墙位移达到目标值，关闭电机控制***；
步骤六、改变储水箱（7-1）水位，调节地下水位，重复步骤二-步骤五）过程可模拟地下水位对挡土墙土压力的影响；
挡土墙（1-3）一侧与模型箱（1-1）侧面和底面之间填充有填料；鼓风机（4-2）安装在通风管（4-1）上，通风管（4-1）内有干燥器（4-4），干燥器（4-4）下方安装有电子秤（4-3）。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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