一种可模拟矩形水头边界作用土体的试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种可模拟矩形水头边界作用土体的试验装置及方法，包括主体圆筒、数据采集仪、真空泵和矩形水头边界控制系统；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；主体圆筒不同高度上安装孔隙水压力计固定装置。本发明专利技术可模拟地基中承压水的矩形动态连续变化过程；量测计算矩形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；探求矩形动态承压水变化的均值、幅值对地基稳定性的影响，为矩形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。

Experimental device and method for simulating soil with rectangular head boundary action

The invention discloses a testing device and a method for simulating the action of rectangular water head boundary on soil, including a main cylinder, a data acquisition apparatus, a vacuum pump and a rectangular water head boundary control system; the main cylinder comprises a cover plate connected sequentially from top to bottom, a top cylinder, a number of middle cylinders, a bottom cylinder and a small cylinder. A fixed pore pressure gauge is installed at different heights of the main cylinder. The invention can simulate the rectangular dynamic continuous change process of the confined water in the foundation, measure and calculate the water-soil pressure and deformation of the foundation under the action of the rectangular dynamic confined water, arrange the relevant test data and determine the development law of the foundation force and deformation, and explore the mean and amplitude of the rectangular dynamic confined water change on the stability of the foundation. The results provide effective experimental data support for the study of foundation problems caused by rectangular dynamic confined water, and provide a basis for subsequent theoretical analysis model.

【技术实现步骤摘要】
一种可模拟矩形水头边界作用土体的试验装置及方法
本专利技术涉及一种地基模型试验装置，尤其涉及一种承压水呈矩形波动态变化条件下的地基一维模型试验装置，可用于模拟可简化为一维的弱透水性地基土体，当承压水位呈矩形动态变化时的水土压力响应情况，地基的沉降等随承压水头变化的规律，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
在沿江、滨海等地区，弱透水层底部承压水位受潮汐等因素影响多具有动态变化的特点。特别的，在遇到暴雨、大坝泄洪、上游溃坝等特殊情况时，底部承压水的大小会在极短时间内升降。这种承压水压的突变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。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，可直接观测试验现象并获得数据。此外，1g模型试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模型试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，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，压力值变化缓慢且离散，这与之前提及的某些特殊情况下实际工程中的水压力连续突变不相一致，得出的结论难以应用到实际工程。
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矩形水头边界作用土体的试验装置及方法，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。用水箱、支架、活动平台等组成的矩形水头边界控制系统，可以实现水位近似呈矩形波连续变化，因此可以研究承压水压力呈矩形波变化时的均值、幅值以及变化周期对于弱透水层性状的影响研究；并且设计了可以调节高度的主体圆筒，因此弱透水层的厚度的影响也可以被精确地研究，试验人员可以根据所在地区的实际情况自由选取土层厚度、承压水头的均值，变化的幅值和周期进行试验，解决了试验中土体下部承压水呈矩形波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呈矩形波动态变化作用时，量测土体中的水土压力大小，观测地基形变，并将试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：一种可模拟矩形水头边界作用土体的试验装置，包括主体圆筒、数据采集仪、真空泵和矩形水头边界控制系统；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、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；所述矩形水头边界控制系统由上部活动平台、下部活动平台、水箱、带刻度支架与底座组成；所述带刻度支架竖直固定在底座上，所述上部活动平台和下部活动平台分别水平可拆卸固定在带刻度支架的不同高度；所述水箱放置在上部活动平台或下部活动平台上；所述水箱的上部和底部分别设置水箱第一通水阀门、水箱第二通水阀门，在第一通水阀门、水箱第二通水阀门之间高度设置水箱溢流阀门；所述水箱溢流阀门在试验时保持打开，用来控制进水过程中水位在水箱内的指定位置保持不变；所述水箱第一通水阀门引出一条管路接无气水进口，为水箱蓄水；所述水箱第二通水阀门与主体圆筒第二通水阀门连通，施加矩形波动边界水压；由于水箱与主体圆筒底部连通，可以控制主体圆筒底部的承压水头；将水箱的位置在所述上部活动平台与下部活动平台之间来回搬运，即可实现矩形波动水头的模拟；调节所述上部活动平台与下部活动平台在所述带刻度支架上的位置，与水箱在各平台上的停留时间，即可实现矩形波参数的变化。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粉质粘土。进一步地，所述水箱内的液体为无气水。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。进一步地，在饱和阶段，用真空泵对主体圆筒内的土体进行抽气，可以加快土体饱和的速率，增大饱和度。一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可模拟矩形水头边界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(2)、真空泵(3)和矩形水头边界控制系统(4)；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)下表面中央设有透水石(1‐7‐2)，上部装有出水阀门(1‐7‐1)，饱和土体过程中出水阀门(1‐7‐1)与真空泵(3)相连接；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)、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(2)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)、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)；所述矩形水头边界控制系统(4)由上部活动平台(4‐1)、下部活动平台(4‐2)、水箱(4‐3)、带刻度支架(4‐4)与底座(4‐5)组成；所述带刻度支架(4‐4)竖直固定在底座(4‐5)上，所述上部活动平台(4‐1)和下部活动平台(4‐2)分别水平可拆卸固定在带刻度支架(4‐4)的不同高度；所述水箱(4‐3)放置在上部活动平台(4‐1)或下部活动平台(4‐2)上；所述水箱(4‐3)的上部和底部分别设置水箱第一通水阀门(4‐3‐2)、水箱第二通水阀门(4‐3‐3)，在第一通水阀门(4‐3‐2)、水箱第二通水阀门(4‐3‐3)之间高度设置水箱溢流阀门(4‐3‐1)；所述水箱溢流阀门(4‐3‐1)在试验时保持打开，用来控制进水过程中水位在水箱(4‐3)内的指定位置保持不变；所述水箱第一通水阀门(4‐3‐2)引出一条管路接无气水进口，为水箱蓄水；所述水箱第二通水阀门(4‐3‐3)与主体圆筒第二通水阀门(1‐5‐5)连通，施加矩形波动边界水压；将水箱(4‐3)的位置在所述上部活动平台(4‐1)与下部活动平台(4‐2)之间来回搬运，即可实现矩形波动水头的模拟；调节所述上部活动平台(4‐1)与下部活动平台(4‐2)在所述带刻度支架(4‐4)上的位置，与水箱在各平台上的停留时间，即可实现矩形波参数的变化。...

【技术特征摘要】
1.一种可模拟矩形水头边界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(2)、真空泵(3)和矩形水头边界控制系统(4)；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)下表面中央设有透水石(1‐7‐2)，上部装有出水阀门(1‐7‐1)，饱和土体过程中出水阀门(1‐7‐1)与真空泵(3)相连接；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)、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(2)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)、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)；所述矩形水头边界控制系统(4)由上部活动平台(4‐1)、下部活动平台(4‐2)、水箱(4‐3)、带刻度支架(4‐4)与底座(4‐5)组成；所述带刻度支架(4‐4)竖直固定在底座(4‐5)上，所述上部活动平台(4‐1)和下部活动平台(4‐2)分别水平可拆卸固定在带刻度支架(4‐4)的不同高度；所述水箱(4‐3)放置在上部活动平台(4‐1)或下部活动平台(4‐2)上；所述水箱(4‐3)的上部和底部分别设置水箱第一通水阀门(4‐3‐2)、水箱第二通水阀门(4‐3‐3)，在第一通水阀门(4‐3‐2)、水箱第二通水阀门(4‐3‐3)之间高度设置水箱溢流阀门(4‐3‐1)；所述水箱溢流阀门(4‐3‐1)在试验时保持打开，用来控制进水过程中水位在水箱(4‐3)内的指定位置保持不变；所述水箱第一通水阀门(4‐3‐2)引出一条管路接无气水进口，为水箱蓄水；所述水箱第二通水阀门(4‐3‐3)与主体圆筒第二通水阀门(1‐5‐5)连通，施加矩形波动边界水压；将水箱(4‐3)的位置在所述上部活动平台(4‐1)与下部活动平台(4‐2)之间来回搬运，即可实现矩形波动水头的模拟；调节所述上部活动平台(4‐1)与下部活动平台(4‐2)在所述带刻度支架(4‐4)上的位置，与水箱在各平台上的停留时间，即可实现矩形波参数的变化。2.根据权利要求1所述的一种可模拟矩形水头边界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...

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