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一种可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置及方法制造方法及图纸

技术编号:18424369 阅读:11 留言:0更新日期:2018-07-12 01:32
本发明专利技术公开了一种可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置及方法,该装置包括主体圆筒、GDS标准控制器、有机玻璃圆筒装置、数据采集仪;主体圆筒包括从上至下依次连接的一节顶部圆筒、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;底部圆筒的底部分别与GDS标准控制器和有机玻璃圆筒装置连接;本发明专利技术可模拟地基中承压水的动态变化过程;量测计算动态承压水作用下地基的水土压力和变形,整理相关试验数据并确定地基受力和变形发展规律等问题;探求动态承压水变化的幅值和速率对地基稳定性的影响,为动态承压水作用引起的地基问题研究提供有效的试验数据支持,并对于之后理论分析模型提供依据。

One dimensional cylinder test device and method capable of simulating the boundary of moving water head

The invention discloses a one-dimensional cylinder test device and a method for simulating the soil of a moving water head boundary. The device includes a main cylinder, a GDS standard controller, an organic glass cylinder device, and a data acquisition instrument. The main cylinder includes a top circular cylinder, a number of intermediate cylinders and a section bottom which are connected from upper to lower. A cylinder and a small car; a pore water pressure gauge installed at the different height of the main cylinder; the bottom cylinder is connected with the GDS standard controller and the organic glass cylinder respectively. The invention can simulate the dynamic change process of the confined water in the foundation and measure the soil and water pressure and deformation of the foundation under the action of dynamic pressure water. To find out the influence of the amplitude and rate of dynamic confined water on the stability of the foundation, and to provide the effective experimental data support for the study of the foundation problems caused by the dynamic pressure water action, and provide the basis for the theoretical analysis model after the analysis.

【技术实现步骤摘要】
一种可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置及方法
本专利技术涉及一种地基模型试验装置,尤其涉及一种可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置及方法,可于模拟承压水动态变化时上覆弱透水性地基土体的响应情况,研究动态承压水作用下地基的破坏条件和破坏模式。
技术介绍
我国幅员辽阔,水资源丰富,地下水分布广泛,尤其是在沿海沿江区域,伴随着土层的复杂分布,往往存在着弱透水层下方有承压水的现象。洪峰过境、潮汐作用、大型降雨、工程中使用降压井等将导致弱透水层底部的承压水头动态变化,从而进一步影响弱透水层中的水土压力、变形和稳定。在该类地区中的工程建设中,如弱透水层中的边坡工程、基坑开挖、盾构掘进等,动态承压水的作用往往会影响工程区域内水土压力的分布,进而给工程建设带来风险。实际工程包含众多复杂因素,受动态承压水影响的弱透水层中的水土压力实时监测往往难以进行。此外,工程中水文条件千变万化,想要通过大量实测数据来进行统计分析,进而总结出受动态承压水影响的弱透水层中水土响应及地基变形的一般规律,也是不现实的;在目前已有的研究手段中,数值软件模拟和理论解析较为便捷,但这两种方法在研究时一般需先为地基土假设一种本构模型。因此,在计算承压水动态变化引起的土体内水土压力和变形时,结果是否可信很大程度取决于土体的本构模型是否合理以及计算参数的具体取值。与解析和数值方法相比,模型试验可以克服上述诸多缺点。1g条件下的土工模型试验可以方便地施加稳定、规律的边界条件,无需假设本构关系,可直接观测实验现象并获得数据。此外,1g模型实验下的常重力环境不会破坏土体结构,土颗粒的大小及相互之间的作用关系与实际地层中相同,弱透水层底部土颗粒与其下部承压水之间的相互作用也可以得到真实的模拟。因此,1g模型实验被广泛应用于土体的微观研究之中。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,土单元体的试验研究几乎为空白。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。另一方面,目前大量土工试验在模拟承压水变化时,一般使承压水压力分级增加或减小,各级压力值是离散的,因此不能实现承压水连续动态地变化,与工程中真实的承压水变化方式有明显差异,承压水变化速率对土体中水土压力等各项参数的影响也无法得到研究;此外,该领域的大多数模型试验均采用矩形断面的模型箱进行研究,矩形断面模型箱四个角可能引起该处土体受力、变形的突变,从而对试验造成干扰;另外,含气水通入土体后使土体成为非饱和土,已有的与承压水相关的实验研究往往未考虑这一问题,将土体由固、液、气组成三相物质简化为只有固体与液体的两相物质,土中气体对土体性状的影响被忽略。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足,本专利技术提供了一种可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置及方法,通过设计一维土单元体模型试验获得受底部动态承压水影响的弱透水层中的水土压力,并根据试验结果揭示弱透水层在底部动态承压水作用下的响应规律,获悉土体中孔压传播的模式,总结规律并进而应用到工程计算之中。对于许多工程建设中的某些大面积的区域,都可以将其简化为一维地基模型以应用该模型所带来的研究成果,如大面积基坑的坑底中心区域,开挖隧道的远场等,并且用GDS试验装置解决了试验中土体下部承压水连续动态变化的模拟问题。在受到基本土工试验中土单元体均取为圆柱形的启发下,通过将模型断面设置成圆形,解决了以往试验中矩形断面模型箱四个角位置处引起的土体受力、变形突变的问题。该装置可用于一维地基中的弱透水层下部有承压水动态变化作用时,量测土体中的水土压力大小,观测地基形变,并将实验数据与一维理论解析方法进行对比,深化这一领域的研究工作。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:一种可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置,该装置包括主体圆筒、GDS标准控制器、有机玻璃圆筒装置和数据采集仪四个部分;所述主体圆筒包括从上至下依次连接的一节顶部圆筒、若干节中间圆筒、一节底部圆筒和小车;所述顶部圆筒、中间圆筒和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;所述顶部圆筒筒壁上安装出水阀,所述出水阀底部与试验土体顶面齐平,试验过程中出水阀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、中间圆筒和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、中间圆筒和底部圆筒相连接;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;所述底部圆筒由有机玻璃圆筒单元、透水石、有机玻璃支柱、第一通水阀门、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第一通水阀门用于连通所述有机玻璃圆筒装置,饱和主体圆筒内的土体,另一侧安装有第二通水阀门用于连通所述GDS标准控制器;所述GDS标准控制器可以控制主体圆筒底部的承压水头。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,所述第二通水阀门与所述GDS标准控制器上用压环将连接这两部分的水管固定住。进一步地,所述主体圆筒内的试验土体为弱透水性土体,采用无气水饱和。进一步地,所述弱透水性土体为粘质粉土。进一步地,所述有机玻璃圆筒装置内的液体为无气水。进一步地,所述孔隙水压力计固定装置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;所述孔隙水压力计固定装置安装在不同的高度。一种利用一种可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置的试验方法,该方法包括以下步骤:(1)由第一通水阀门向主体圆筒内通无气水,第二通水阀门保持关闭,待液面高于阀门20mm时关闭第一通水阀门;由第二通水阀门连接主体圆筒和GDS标准控制器,打开第二通水阀门,开启GDS标准控制器进行排空操作,待GDS标准控制器内气体排尽后关闭第二通水阀门;(2)在孔隙水压力计固定装置上安装孔隙水压力计,将孔隙水压力计的信号传输线连接至数据采集仪;而后将透水石装入主体圆筒内;分层装填弱透水性土体并夯实,每一次加样时首先将一层铁丝网放置在有机玻璃圆筒单元上,然后将一定质量的土样透过铁丝网加入到有机玻璃圆筒单元中,每一个有机玻璃圆筒单元的加样过程均分为三次,直至填土完成;(3)由第一通水阀门以6L/天的本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置,其特征在于,包括主体圆筒(1)、GDS标准控制器(2)、有机玻璃圆筒装置(3)和数据采集仪(4)四个部分;所述主体圆筒(1)包括从上至下依次连接的一节顶部圆筒(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)和底部圆筒(1‐5)均由有机玻璃制成;所述顶部圆筒(1‐1)筒壁上安装出水阀(1‐1‐1),所述出水阀(1‐1‐1)底部与试验土体顶面齐平,试验过程中出水阀(1‐1‐1)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)、中间圆筒(1‐4)和底部圆筒(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)和底部圆筒(1‐5)相连接;所述孔隙水压力计(1‐2‐3)与所述数据采集仪(4)连接,采集承压水动态水压力变化数据;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);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)、第一通水阀门(1‐5‐4)、第二通水阀门(1‐5‐5)构成;所述有机玻璃短柱(1‐5‐3)固定在所述有机玻璃圆筒单元(1‐5‐1)的底部,所述透水石(1‐5‐2)安装在所述有机玻璃短柱(1‐5‐3)上方;所述有机玻璃圆筒单元(1‐5‐1)底部一侧安装有第一通水阀门(1‐5‐4)用于连通所述有机玻璃圆筒装置(3),饱和主体圆筒(1)内的土体,另一侧安装有第二通水阀门(1‐5‐5)用于连通所述GDS标准控制器(2);所述GDS标准控制器(2)用于控制主体圆筒(1)底部的承压水头。...

【技术特征摘要】
1.一种可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置,其特征在于,包括主体圆筒(1)、GDS标准控制器(2)、有机玻璃圆筒装置(3)和数据采集仪(4)四个部分;所述主体圆筒(1)包括从上至下依次连接的一节顶部圆筒(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)和底部圆筒(1‐5)均由有机玻璃制成;所述顶部圆筒(1‐1)筒壁上安装出水阀(1‐1‐1),所述出水阀(1‐1‐1)底部与试验土体顶面齐平,试验过程中出水阀(1‐1‐1)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)、中间圆筒(1‐4)和底部圆筒(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)和底部圆筒(1‐5)相连接;所述孔隙水压力计(1‐2‐3)与所述数据采集仪(4)连接,采集承压水动态水压力变化数据;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);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)、第一通水阀门(1‐5‐4)、第二通水阀门(1‐5‐5)构成;所述有机玻璃短柱(1‐5‐3)固定在所述有机玻璃圆筒单元(1‐5‐1)的底部,所述透水石(1‐5‐2)安装在所述有机玻璃短柱(1‐5‐3)上方;所述有机玻璃圆筒单元(1‐5‐1)底部一侧安装有第一通水阀门(1‐5‐4)用于连通所述有机玻璃圆筒装置(3),饱和主体圆筒(1)内的土体,另一侧安装有第二通水阀门(1‐5‐5)用于连通所述GDS标准控制器(2);所述GDS标准控制器(2)用于控制主体圆筒(1)底部的承压水头。2.根据权利要求1所述的一种可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置,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。3.根据权利要求1所述的一种可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置,其特征在于,所述第二通水阀门(1‐5‐5)与所述GDS标准控制器(2)上用压环将连接这两部分的水管固定住。4.根据权利要求1所述的一种可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置,其特征在于,所述主体圆筒(1)内的试验土体为弱透水性土体(5),采用无气水饱和。5.根据权利要求4所述的一种可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置,其特...

【专利技术属性】
技术研发人员:应宏伟许鼎业沈华伟章丽莎王迪朱成伟李哲伟陈川虞展望张宇宣
申请(专利权)人:浙江大学
类型:发明
国别省市:浙江,33

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