CN207992002U - 一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置，该装置包括主体圆筒、数据采集仪、真空泵和承压水压力控制***；承压水压力控制***包括有机玻璃圆筒装置、流量计和电子阀；主体圆筒包括从上至下依次连接的盖板、一节顶部圆筒、若干节中间圆筒、一节底部圆筒和小车；主体圆筒的不同高度上安装孔隙水压力计固定装置；有机玻璃圆筒装置包括有机玻璃圆筒、第一通水阀门和第二通水阀门；有机玻璃圆筒第一通水阀门与主体圆筒第二通水阀门连通，实现土体饱和并施加边界水压；有机玻璃圆筒第二通水阀门引出一总管路，总管路的末端分为两个支路，每个支路的末端连接一套电子阀和流量计；本实用新型可模拟地基中承压水的动态连续变化过程。

Description

一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种地基模型试验装置，尤其涉及一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置。

背景技术

在沿江、滨海等地区，弱透水层底部承压水位多具有动态变化的特点，这种变化的原因大多来自于海洋或者潮汐的影响，降雨、地下工程泄露也会引起承压水头的变化。这种变化会引起弱透水层土体的水土压力分布变化，进而影响土体的变形和稳定。在现有理论和规范不完善的条件下，在这些地区进行工程建设或要给定一个过大的安全系数，或面临潜在的风险。

在动态承压水的作用下，弱透水层土体的性状是很难界定的，在渗流场和应力场耦合作用的条件下，土体性状可能会发生很大变化，这种变化用现有理论不能很好地解释，致使土体本构模型的选取面临很大的难度，而若想用理论解析或数值方法进行研究，土体本构模型的选取起着至关重要的作用。由此看来，在承压水动态变化的条件下，用试验的方法进行研究是现阶段比较可靠的研究方法。用试验的方法，无需假定此种条件下土体的本构关系，在施加与实际工程相当的应力边界条件及位移边界条件下，可以直接模拟承压水位的连续动态变化，由于实际条件被很好地模拟，因此通过读取数据及现象分析，即可得到土体中的水土应力分布情况，位移情况等，进一步揭示弱透水层在动态变化的承压水作用下的响应规律，完善现有理论及规范。

目前，在已有的与动态承压水相关的1g试验研究中，大部分研究为缩小比尺的三维模型试验研究，几乎没有土单元体的试验。土工单体尺度下的缩尺模型试验往往对不同实际工程中的局部场地行为进行模拟，如基坑开挖、隧道开挖等。这些缩尺模型试验往往关注整个试验区域内的孔压分布、变形规律、土压力分布以及结构内力等等，从而对实际工程中的某些关键数值进行预测、模拟，但无法揭示这些表观现象之下的内在规律，对新的本构、计算理论的建立没有太大的用处。与之相对应的是，以三轴试验为代表的土单元体试验则旨在于解决上述的问题，更多关注土体本身的各种本构关系，在与承压水相关的科学研究中，承压水压力在土体中如何进行传播则为土单元体研究中的关键问题。

从现有的试验看来，大量的土工试验在模拟承压水的动态变化时，一般使水压力逐级增加或下降，压力值较为离散，这与实际工程中的水压力连续变化不相一致，得出的结论难以应用到实际工程。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置，该装置包括主体圆筒、数据采集仪、真空泵和承压水压力控制***；所述承压水压力控制***包括有机玻璃圆筒装置、流量计和电子阀；

所述主体圆筒包括从上至下依次连接的盖板、一节顶部圆筒、若干节中间圆筒、一节底部圆筒和小车；所述顶部圆筒、中间圆筒、底部圆筒均由有机玻璃制成，可方便观测试验中土体的变形；所述顶部圆筒筒顶上安装盖板，盖板下表面中央设有透水石，上部装有出水阀门，饱和土体过程中出水阀门与真空泵相连接，目的是增加土体的饱和速率和饱和程度；试验过程中出水阀门保持打开以便及时排水，使得试验土体内水位线保持恒定；

所述顶部圆筒、中间圆筒、底部圆筒的不同高度上安装孔隙水压力计固定装置，用于测量固定位置的孔隙水压力大小；所述孔隙水压力计固定装置由螺栓、有机玻璃方头、孔隙水压力计组成；所述螺栓和孔隙水压力计通过螺纹安装在所述有机玻璃方头上，所述有机玻璃方头通过透水石和玻璃胶分别与顶部圆筒、中间圆筒、底部圆筒相连接；所述孔隙水压力计与所述数据采集仪连接，可采集承压水动态水压力变化数据；

所述底部圆筒由有机玻璃圆筒单元、透水石、有机玻璃支柱、主体圆筒第一通水阀门、主体圆筒第二通水阀门构成；所述有机玻璃短柱固定在所述有机玻璃圆筒单元的底部，所述透水石安装在所述有机玻璃短柱上方，保证土体饱和均匀、充分；所述有机玻璃圆筒单元底部一侧安装有主体圆筒第一通水阀门，另一侧安装有主体圆筒第二通水阀门；

所述有机玻璃圆筒装置由有机玻璃圆筒、有机玻璃底座、有机玻璃圆筒第一通水阀门和有机玻璃圆筒第二通水阀门组成；所述有机玻璃圆筒第一通水阀门与主体圆筒第二通水阀门连通，实现土体饱和并施加边界水压；所述有机玻璃圆筒第二通水阀门引出一总管路，总管路的末端分为两个支路，每个支路的末端连接一套电子阀和流量计；通过总管路控制有机玻璃圆筒内的水位高度，此过程通过设定电子阀的通电间隔和流量计的流量实现，一套电子阀和流量计控制进水，另一套电子阀和流量计控制出水，可以实现有机玻璃圆筒水位的连续上升和下降；由于有机玻璃圆筒与主体圆筒底部连通，所以可以控制主体圆筒底部的承压水头。

进一步地，所述主体圆筒相邻的两节圆筒中间安装防水橡胶圈，防止试验过程中发生漏水。

进一步地，所述顶部圆筒底部内壁有螺纹，用于与所述中间圆筒拼接；所述中间圆筒顶部和底部的内壁均含有螺纹，用于与上下两节圆筒相连。

进一步地，所述主体圆筒内的试验土体为粉质粘土。

进一步地，所述有机玻璃圆筒装置内的液体为无气水。

与现有技术比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型将研究对象简化之后采取圆形截面模型箱进行一维土单元体研究，避免了矩形截面模型箱四个角可能引起该处土体受力、变形的突变。克服了以往缩尺模型试验只能形成简单试验现象而不能说明内在机理的缺陷，使用本实用新型所进行的试验可以从本构关系的角度揭示动态承压水在弱透水层中的传播规律。

2.本实用新型在试验前采用无气水饱和试验土体，试验过程中提供无气承压水环境，使得试验土体的孔隙充满无气水，如上操作有两点益处：一是避免水中气泡进入弱透水性土层引起土体的非饱和问题(与饱和土相比，非饱和土的力学特性存在较大差异和不确定性)；二是避免水中气泡干扰孔隙水压力传感器影响其测量精度。

3.本实用新型在饱和过程中用真空泵对土体进行抽气，可以增加土体的饱和速率和饱和程度，避免饱和程度不足引起的试验误差。

4.本实用新型采用流量计和电子阀组成的装置来调节主体圆筒内承压水压力的均值、变化幅值和变化速率，从而实现模型箱内承压水连续动态变化的模拟；孔隙水压力计的信号传输线与多通道数据采集仪连接后可连续记录承压水的动态变化情况，实现动态变化承压水压力的监测。

5.本实用新型利用传感器固定装置固定微型孔隙水压力传感器，有效避免试验过程中土体变形导致传感器测量位置变化而影响测试精度。

附图说明

图1为可模拟动态承压水作用土体的试验装置的整体结构示意图；

图2为孔隙水压力计固定装置细节详图；

图3(a)为底部圆筒剖面图；

图3(b)为底部圆筒俯视图；

图4为主体圆筒顶部盖板底面图；

图中：主体圆筒1；顶部圆筒1‐1；孔隙水压力计固定装置1‐2；螺栓1‐2‐1；有机玻璃方头1‐2‐2；孔隙水压力计1‐2‐3；防水橡胶圈1‐3；中间圆筒1‐4；底部圆筒1‐5；有机玻璃圆筒单元1‐5‐1；透水石1‐5‐2；有机玻璃支柱1‐5‐3；主体圆筒第一通水阀门1‐5‐4；主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5；小车1‐6；盖板1‐7；透水石1‐7‐2；出水阀门1‐7‐1；第一流量计2‐1；第一电子阀3‐1；第二流量计2‐2；第二电子阀3‐2；有机玻璃圆筒装置4；有机玻璃圆筒第一通水阀门4‐1；有机玻璃圆筒第二通水阀门4‐2；数据采集仪5；真空泵6；弱透水性土体7；无气水8。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1所示，本实用新型可模拟动态承压水作用土体的试验装置，包括主体圆筒1、数据采集仪5、真空泵6和承压水压力控制***；所述承压水压力控制***包括有机玻璃圆筒装置4、流量计和电子阀。

所述主体圆筒1由一节顶部圆筒1‐1、孔隙水压力计固定装置1‐2、防水橡胶圈1‐3、若干节中间圆筒1‐4、一节底部圆筒1‐5、小车1‐6、盖板1‐7构成，每节圆筒均由有机玻璃制成，可方便观测试验中土体的变形；所述顶部圆筒1‐1筒顶上安装盖板1‐7，盖板1‐7下表面中央设有透水石1‐7‐2(如图4所示)，顶部安装出水阀门1‐7‐1，土体饱和过程此阀门与真空泵6相连，试验过程中出水阀门1‐7‐1保持打开以便及时排水，使得试验土体内水位线保持恒定；所述顶部圆筒1‐1底部内壁有螺纹，用于与中间圆筒1‐4拼接；所述孔隙水压力计固定装置1‐2由螺栓1‐2‐1、有机玻璃方头1‐2‐2、孔隙水压力计1‐2‐3组成，每节圆筒不同高度上安装孔隙水压力固定装置1‐2，用于测量固定位置的压力大小；所述螺栓1‐2‐1和孔隙水压力计1‐2‐3安装在含有螺纹的有机玻璃方头1‐2‐2上，有机玻璃方头1‐2‐2通过透水石和玻璃胶与圆筒相连接；所述孔隙水压力计固定装置1‐2通过导线与数据采集仪5相连，可采集承压水动态水压力变化数据；所述防水橡胶圈1‐3安装在相邻的两个圆筒中间，防止试验过程中发生漏水；所述中间圆筒1‐4顶部和底部的内壁均含有螺纹，用于与上下两节圆筒相连；

所述底部圆筒1‐5由有机玻璃圆筒单元1‐5‐1、透水石1‐5‐2、有机玻璃支柱1‐5‐3、主体圆筒第一通水阀门1‐5‐4、主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5构成；所述有机玻璃短柱1‐5‐3固定在有机玻璃圆筒单元1‐5‐1的底部，透水石1‐5‐2安装在有机玻璃短柱1‐5‐3上面，保证在饱和土体的过程中水能够均匀上流；所述有机玻璃圆筒单元1‐5‐1底部一侧安装有主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5用于与有机玻璃圆筒装置4进行连接，饱和土体及施加承压水头；所述主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5与有机玻璃圆筒装置4上有压环，可将用于连接这两部分的水管固定住；所述小车1‐6用于安放各节圆筒；

所述有机玻璃圆筒装置4由有机玻璃圆筒、有机玻璃底座、有机玻璃圆筒第一通水阀门4‐1和有机玻璃圆筒第二通水阀门4‐2组成；所述有机玻璃圆筒第一通水阀门4‐1与主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5连通，实现土体饱和并施加边界水压；所述有机玻璃圆筒第二通水阀门4‐2引出一总管路，总管路的末端分为两个支路，每个支路的末端连接一套电子阀和流量计，第一套包括第二流量计2‐2和第二电子阀3‐2，第二套包括第一流量计2‐1和第一电子阀3‐1；通过总管路控制有机玻璃圆筒内的水位高度，此过程通过设定电子阀的通电间隔和流量计的流量实现，第一套电子阀和流量计控制进水，第二套电子阀和流量计控制出水，可以实现有机玻璃圆筒水位的连续上升和下降；由于有机玻璃圆筒与主体圆筒底部连通，所以可以控制主体圆筒底部的承压水头。所述流量计和电子阀组成的装置可以控制有机玻璃圆筒内的水压；所述有机玻璃圆筒装置4用于饱和主体圆筒1内的土体及施加承压水头。进一步地，主体圆筒1内土体为弱透水性土体7，采用无气水8饱和。所述孔隙水压力计固定装置1‐2的位置可根据试验的需要进行调整，其数量可根据试验的需要增加；孔隙水压力计固定装置1‐2应安装在不同的高度。主体圆筒1内的试验土体为弱透水性土体7(如粉质粘土等)，采用无气水8饱和。

如图2所示，所述孔隙水压力计固定装置1‐2上的有机玻璃方头1‐2‐2开有安装孔隙水压力计1‐2‐3所需的带螺纹的圆孔和安装螺栓1‐2‐1所需的带螺纹的圆孔。

如图3(a)、3(b)所示，所述透水石1‐5‐2使得无气水与粉土层水力连通，提供粉土层的承压水压力；所述透水石1‐5‐2的厚度和有机玻璃短柱1‐5‐3的排布应满足受力计算要求，使得其足以承受试验土体的重量。

本实用新型的工作过程如下：开启电子阀使流量计中通水进行排空操作，由主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5向主体圆筒1‐1内通无气水，待整个管路内的气体排尽后关闭主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5。分层装填粉质粘土并夯实，直至填土完成。由主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5以试验所需的流量向主体圆筒1‐1通无气水饱和试验土体粉质粘土，在整个试验过程中出水阀门1‐7‐1保持开启状态以便及时排水，通过接通真空泵6进行抽气，增加土体的饱和速率和饱和程度，待土体完全饱和之后关闭主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5。

待上述试验准备工作完成后，打开数据采集仪5采集记录试验初始状态下的孔隙水压力计1‐2‐3的读数；打开主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5，通过电子阀控制进水(或出水)时间，通过流量计控制进水(或出水)流量，两个装置协同工作即可控制有机玻璃圆筒内的水位高度，并且由于有机玻璃圆筒与主体圆筒底部连通，从而实现承压水水压的控制；利用数据采集仪5连续采集记录该级压力下孔隙水压力计的读数；直至粉质粘土发生突涌破坏，关闭主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5，关闭电子阀和数据采集仪5，读取并记录有机玻璃圆筒装置4的读数；而后拆除主体圆筒1‐1内的试验土体，重置流量计和电子阀。

采用如上所述方法重复试验，改变承压水压力变化的周期、均值和幅值，进行多组试验；通过数据采集仪5采集记录各组承压水动态变化中孔隙水压力计1‐2‐3的读数。最后对每组试验结果进行整理，分析数据采集仪5采集记录的承压水动态变化过程中孔隙水压力计的读数。

上述实施例为本实用新型的一个优选实施方式，是对本实用新型内容及其应用的进一步说明，不应理解为本实用新型仅适用于上述实施例。凡基于本实用新型原理和实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。

Claims (5)

1.一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置，其特征在于，包括主体圆筒（1）、数据采集仪（5）、真空泵（6）和承压水压力控制***；所述承压水压力控制***包括有机玻璃圆筒装置（4）、流量计和电子阀；

所述主体圆筒（1）包括从上至下依次连接的盖板（1-7）、一节顶部圆筒（1-1）、若干节中间圆筒（1-4）、一节底部圆筒（1-5）和小车（1-6）；所述顶部圆筒（1-1）、中间圆筒（1-4）、底部圆筒（1-5）均由有机玻璃制成；所述顶部圆筒（1-1）筒顶上安装盖板（1-7），盖板（1-7）下表面中央设有第一透水石（1-7-2），上部装有出水阀门（1-7-1），出水阀门（1-7-1）与真空泵（6）相连接；

所述顶部圆筒（1-1）、中间圆筒（1-4）、底部圆筒（1-5）的不同高度上安装孔隙水压力计固定装置（1-2）；所述孔隙水压力计固定装置（1-2）由螺栓（1-2-1）、有机玻璃方头（1-2-2）、孔隙水压力计（1-2-3）组成；所述螺栓（1-2-1）和孔隙水压力计（1-2-3）通过螺纹安装在所述有机玻璃方头（1-2-2）上，所述有机玻璃方头（1-2-2）通过透水石和玻璃胶分别与顶部圆筒（1-1）、中间圆筒（1-4）、底部圆筒（1-5）相连接；所述孔隙水压力计（1-2-3）与所述数据采集仪（5）连接；

所述底部圆筒（1-5）由有机玻璃圆筒单元（1-5-1）、第二透水石（1-5-2）、有机玻璃支柱（1-5-3）、主体圆筒第一通水阀门（1-5-4）、主体圆筒第二通水阀门（1-5-5）构成；所述有机玻璃支柱（1-5-3）固定在所述有机玻璃圆筒单元（1-5-1）的底部，所述第二透水石（1-5-2）安装在所述有机玻璃支柱（1-5-3）上方；所述有机玻璃圆筒单元（1-5-1）底部一侧安装有主体圆筒第一通水阀门（1-5-4），另一侧安装有主体圆筒第二通水阀门（1-5-5）；

所述有机玻璃圆筒装置（4）由有机玻璃圆筒、有机玻璃底座、有机玻璃圆筒第一通水阀门（4-1）和有机玻璃圆筒第二通水阀门（4-2）组成；所述有机玻璃圆筒第一通水阀门（4-1）与主体圆筒第二通水阀门（1-5-5）连通；所述有机玻璃圆筒第二通水阀门（4-2）引出一总管路，总管路的末端分为两个支路，每个支路的末端均连接一套电子阀和流量计；一套电子阀和流量计控制进水，另一套电子阀和流量计控制出水。

2.根据权利要求1所述的一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置，其特征在于，所述主体圆筒（1）相邻的两节圆筒中间安装防水橡胶圈（1-3）。

3.根据权利要求1所述的一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置，其特征在于，所述顶部圆筒（1-1）底部内壁有螺纹，用于与所述中间圆筒（1-4）拼接；所述中间圆筒（1-4）顶部和底部的内壁均含有螺纹，用于与上下两节圆筒相连。

4.根据权利要求1所述的一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置，其特征在于，所述主体圆筒（1）内的试验土体为粉质粘土。

5.根据权利要求1所述的一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置，其特征在于，所述有机玻璃圆筒装置（4）内的液体为无气水（8）。