模拟水下沉井施工土体位移的可视化试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开模拟水下沉井施工土体位移的可视化试验装置及方法，该装置包括渗流力施加系统、工况模拟系统、数据采集系统、模拟挖掘装置；本发明专利技术融合透明材料技术和数字图像处理技术并将其运用至水下沉井施工的室内模拟中，实现了水下沉井施工中土体位移场和渗流场的可视化观测。

【技术实现步骤摘要】
模拟水下沉井施工土体位移的可视化试验装置及方法
本专利技术属于工程试验
，尤其涉及一种模拟水下沉井施工土体位移的可视化试验装置和试验方法。
技术介绍
沉井是一种利用人工或机械方法清除井内土石，通过自重以及各种助沉措施使井筒沉入地下至设计标高，固定在地层中后，完成绕筑混凝土封底形成的地下建筑物或者构筑物的施工方法。几十年来，我国大量大跨度桥梁的竣工，推动沉井基础的研究与施工经验的进步。目前，沉井基础作为深基础的重要形式，在大量港口、桥梁、矿山、水利水电工程与大型地下建筑基础中得到了广泛而成功的运用。越来越多、越来越大的沉井无疑将沉井施工技术这个综合性难题放在了土木工程师们的面前。沉井施工的关键技术是保证其平稳下沉，其中准确把握下沉过程中土体位移场的变化过程是沉井下沉的主要控制因素，探求土体位移场的分布形式是沉井设计的重要内容。但沉井法施工的要求大都来自于工程实践，对其研究还不够深入，这需要科研工作者投入更多的精力对其作用机理进行清楚的解释，以更好地指导工程实践。室内模型试验就是一种非常好的方法。然而目前并没有对水下沉井施工进行模拟并且整个过程可视化的试验设备。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种模拟水下沉井施工土体位移的可视化试验装置及方法，解决了水下沉井施工土体位移场和渗流场不可见的难题，实现了模拟水下沉井施工下土体位移场和渗流场的可视化观测。为解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为采用一种模拟水下沉井施工土地位移的可视化试验装置，包括渗流力施加系统、工况模拟系统、数据采集系统、模拟挖掘装置；所述渗流力施加系统包括竖直设置的支撑杆、可沿支撑杆上下滑动的用于盛装渗透液的供水箱，还包括用于驱动供水箱上下运动的驱动装置；所述工况模拟系统包括透明的模型箱，所述模型箱内盛装有透明土，所述透明土中竖直插有筒状的模拟沉井；所述透明土位于模拟沉井四周插有若干工程桩，所述工程桩上顶有载物板及配重；所述供水箱通过供水管与模型箱连接。作为一种改进，所述驱动装置包括设置在支撑杆顶部的手柄；所述支撑杆上端撑有顶板，所述顶板上开有螺孔；所述手柄上设置有与螺孔配合的螺纹；所述手柄与供水箱连接。作为一种进一步的改进，还包括布置在模型箱内侧壁上的孔板，所述供水管通达孔板。孔板将渗透液分散布置，模拟真实条件下流体对土地的冲击。作为另一种更进一步的改进，所述模拟沉井下端设置有内韧角，模拟真实情况，有利于模拟沉井下沉。作为一种改进，所述透明土由熔融石英砂颗粒与正十二烷和十五号白油的混合溶液制备而成。作为一种改进，所述透明土利用渗透液淹没，所述渗透液具有与透明土中同样配比的正十二烷和十五号白油，并在同样温度和湿度条件下配置而成。作为一种改进，所述模拟沉井为将玻璃砂、液体石蜡和正十三烷均匀搅拌后塑性而成。作为一种改进，所述数据采集系统包括位于模型箱一侧的激光发生器以及位于透明箱下方的CCD相机，所述CCD相机与计算机连接。作为一种改进，所述模拟挖掘装置为机械抓手。本专利技术还提供一种利用上述装置进行模拟水下沉井施工土地位移的可视化试验方法，包括以下步骤：1.将模拟沉井放置在透明土上，并将若干工程桩依次打入模拟沉井周围；并将载物板放置在工程桩顶端；2.向供水箱注入渗透液；并将供水箱提升到设定的高度，使得供水箱中的渗透液对透明土进行冲击；并在载物板上加载配重；3.利用模拟挖掘装置挖掘模拟沉井内的透明土，直至沉井下沉至预设位置，并用数据采集系统记录该过程；4.利用计算机软件对获得的图像资料进行分析。本专利技术的有益之处在于：1.本专利技术融合透明材料技术和数字图像处理技术并将其运用至水下沉井施工的室内模拟中，实现了水下沉井施工中土体位移场和渗流场的可视化观测；2.本专利技术克服了传统土体开挖试验装置和试验方法中仅考虑单一影响因素的缺点，实现了对渗流应力耦合下沉井开挖过程的模拟，更符合实际工程要求；3.本专利技术中的渗流力施加系统可通过旋转手柄的速度来实现试验水头升降的快慢，可实现对不同渗透水头条件下沉井施工的模拟。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术中工况模拟系统的俯视图。图中标记：1为手柄；2为钢丝绳；3为供水箱；4为支撑杆；5为顶板；6为滑槽；7为流量计；8为底板；9为供水管；10为阀门；11为孔板；12为透明土；13为CCD相机；14为计算机；15为激光发生器；16为渗透液；17为模拟沉井；18为载物板；19为配重；20为工程桩；21为模型箱；22为机械抓手。具体实施方式为了使本领域的技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。如图1、图2所示，本专利技术提供一种模拟水下沉井施工土地位移的可视化试验装置，包括渗流力施加系统、工况模拟系统、数据采集系统、模拟挖掘装置四个大的部分。所述渗流力施加系统包括竖直设置的支撑杆4、可沿支撑杆4上下滑动的用于盛装渗透液16的供水箱9，还包括用于驱动供水箱9上下运动的驱动装置；驱动装置包括设置在支撑杆4顶部的手柄1，手柄1可以利用Z字型钢制作。所述支撑杆4上端撑有顶板5，所述顶板5上开有螺孔；所述手柄1上设置有与螺孔配合的螺纹；所述手柄1利用钢丝绳2与供水箱3连接。为了整体结构的牢固性，所述支撑杆4设置成四根，并在支撑杆4下方设置底板8。另外为了便于供水箱3上下滑动，可以在支撑杆4内侧设置滑槽。所述工况模拟系统包括透明的模型箱21，模型箱21由满足透光性要求的有机玻璃制成，其尺寸为800(长)×400(宽)×300(高)(单位：mm)，厚度为10mm，底部与光学平台固定连接。所述模型箱21内盛装有透明土12，所述透明土12中竖直插有筒状的模拟沉井17；所述透明土12利用渗透液16淹没，其高出透明土12顶面50mm。所述透明土12位于模拟沉井17四周插有若干工程桩20，所述工程桩20上顶有载物板18及配重19。工程桩20为直径10mm的不锈钢钢棒，长200mm。按照本试验所透明土12的物理力学性质(包括含水率、孔隙比、摩擦角、粘聚力等)设计透明土12各组成成分的配和比；本实例中所采用的透明土12的制备方法是将正十二烷和十五号白油在一定的温度下(本实例中设置为24℃)、一定的湿度下(本实例中设置为30％)，按照一定的质量比(本实例中设置为1∶4)组成混和溶液，并与适量的石英砂混和搅拌直至均匀透明制备而成。按照本试验所模拟混凝土沉井的物理力学性质(包括密度、单轴抗压强度、弹性模量等)设计模拟沉井17材料各组成成分的配和比；本实例中所采用透明材料的制备方法是将玻璃砂、液体石蜡和正十三烷在一定温度下(本实例中设置为24℃)、一定的湿度下(本实例中设置为30％)按一定比例(本实例中设置为1.295∶1∶0.85)混合后搅拌、抽真空和振捣至透明、入模、拆模而制成；本实例中模拟沉井17的尺寸为外径110mm、内径100mm的圆筒，其底部设有45°斜向内韧角。按照试验要求安装渗流力施加系统，在供水箱3中注入与透明土12具有相同折射率的渗透液16，本实例中采用的是与透明土12中透明液在相同温度下(本实例中设置为24℃)、相同湿度下(本实例中设置为30％)按照相同配和比(本实例中设置为1∶4)制成的正十二烷和十五号白油混和溶液。所述供水箱3通过供水管9与模型箱21连接。还包括布置在模型箱21内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟水下沉井施工土地位移的可视化试验装置，其特征在于：包括渗流力施加系统、工况模拟系统、数据采集系统、模拟挖掘装置；所述渗流力施加系统包括竖直设置的支撑杆、可沿支撑杆上下滑动的用于盛装渗透液的供水箱，还包括用于驱动供水箱上下运动的驱动装置；所述工况模拟系统包括透明的模型箱，所述模型箱内盛装有透明土，所述透明土中竖直插有筒状的模拟沉井；所述透明土位于模拟沉井四周插有若干工程桩，所述工程桩上顶有载物板及配重；所述供水箱通过供水管与模型箱连接。

【技术特征摘要】
1.一种模拟水下沉井施工土地位移的可视化试验装置，其特征在于：包括渗流力施加系统、工况模拟系统、数据采集系统、模拟挖掘装置；所述渗流力施加系统包括竖直设置的支撑杆、可沿支撑杆上下滑动的用于盛装渗透液的供水箱，还包括用于驱动供水箱上下运动的驱动装置；所述工况模拟系统包括透明的模型箱，所述模型箱内盛装有透明土，所述透明土中竖直插有筒状的模拟沉井；所述透明土位于模拟沉井四周插有若干工程桩，所述工程桩上顶有载物板及配重；所述供水箱通过供水管与模型箱连接。2.根据权利要求1所述的一种模拟水下沉井施工土地位移的可视化试验装置，其特征在于：所述驱动装置包括设置在支撑杆顶部的手柄；所述支撑杆上端撑有顶板，所述顶板上开有螺孔；所述手柄上设置有与螺孔配合的螺纹；所述手柄与供水箱连接。3.根据权利要求1所述的一种模拟水下沉井施工土地位移的可视化试验装置，其特征在于：还包括布置在模型箱内侧壁上的孔板，所述供水管通达孔板。4.根据权利要求1所述的一种模拟水下沉井施工土地位移的可视化试验装置，其特征在于：所述模拟沉井下端设置有内韧角。5.根据权利要求1所述的一种模拟水下沉井施工土地位移的可视化试验装置，其特征在于：所述透明土由熔融石英砂颗粒与正十二烷和十五号白油的混合溶液制备而成。6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志堂，卢明湘，何镇良，谢晓莉，
申请(专利权)人：西华大学，
类型：发明
国别省市：四川,51