CN102607941A - 一种用于流-固耦合模型试验中的水压加载控制系统及加载方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于流-固耦合模型试验中的水压加载控制系统及加载方法，加载控制系统包括试验台架，试验台架采用密封设计，内铺设有若干层相似材料，试验台架内部、相似材料的上面有用于水压加载的水箱，试验台架的顶部设有注水孔和控制装置，试验台架通过水管与试验台架外部的加压泵连接。同时本发明还公开了所述系统的加压方法。本发明研究了模型试验中外部水压加载控制系统及加载方法，解决了流-固耦合模型试验中真实水压的加载和控制问题。将水压加载控制系统引入模型试验中，与前人研究相比，更加真实的模拟固体相似材料与水的相互作用，使流-固耦合模型试验与工程实践更加接近，所得到的研究成果适用范围更广。
Description
技术领域
本发明涉及一种模型试验领域，尤其是一种用于流-固耦合模型试验中的水压加载控制系统及加载方法。
背景技术
随着我国经济的发展，交通事业的腾飞，现代施工技术的进步，大型水下交通工程以其独特的优势，在交通体系中占据越来越重要的位置。水下交通工程不占地，不妨碍航行，不影响生态环境，不受台风、浓雾等气候因素影响，是一种非常安全的全天候的交通通道，但大型水下工程在勘察、设计和施工方面都面临着更大的困难和风险。我国学者开展了大量的流-固耦合研究工作，但也存在明显的弱点：由于流-固耦合问题的复杂性，过去的研究往往不做真实水压条件下的渗流模拟，仅采用柔性加载模拟水压力的外力等效手段，不能反映岩体和水耦合作用下的实际情况，也不是真正的流-固耦合相似模拟。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单，控制精确，用于流-固耦合模型试验模拟开挖或其他因素影响下的水下交通工程施工过程，研究施工过程力学、塌方和围岩变形规律，尤其是流-固耦合作用下围岩的物理力学特性变化规律的模型试验中水压加载控制系统及加载方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于流-固耦合模型试验中的水压加载控制系统，它包括密封的试验台架，试验台架内铺设有若干层相似材料，试验台架内部、相似材料的上面设有用于水压加载的水箱，试验台架的顶部设有与所述水箱相通的注水孔，注水孔通过水管与试验台架外部的水源连接，且注水孔与水源之间设有控制注水的控制系统。
所述试验台架为刚性密封台架，试验台架外部采用高强度刚性结构架，内部采用高强度钢化玻璃密封箱。
所述高强度钢化玻璃密封箱采用若干块高强度钢化玻璃制作，高强度钢化玻璃交接处采用隔水性的高强玻璃胶密封。
所述相似材料为遇水不软化崩解的非亲水性材料，渗透系数小于10-5cm/s。
所述水箱为密封水箱，相似材料上边缘与试验台架的接触处用隔水性的凡士林密封，试验台架顶部注水孔处采用隔水性的高强玻璃胶密封。
所述控制系统由控制开关、流速计和流量计组成，根据所需水压调节控制开关，并通过流速计和流量计进行监控。
一种用于流-固耦合模型试验中的水压加载控制系统的加载方法，包括以下步骤：
A.铺设相似材料，材料铺设到设计高度后，用凡士林将相似材料与试验台架接触处密封；
B. 试验台架封顶，并用隔水性的高强玻璃胶将试验台架及注水孔处密封；
C.根据模型试验的设计要求和模型架尺寸，将设计水压换算成注入水量，并在控制系统的调节下加入设计水量；
D.如果设计所需水头高度超过水箱高度，需将剩余水头高度换算成剩余水压，借助加压泵施加，同时通过控制系统控制水速，将加压扰动控制在试验允许的范围内。
本发明按照实际工程中的上覆水体的厚度，通过相似比换算，得到试验中的设计水头高度；铺设相似材料，相似材料要求是遇水不软化崩解的非亲水性材料，渗透系数在小于10-5cm/s，从而保证水压的稳定；相似材料填筑到设计高度后，用隔水性的凡士林材料将边缘密封；进行模型架的封顶，并用防水玻璃胶进行密封；如果水箱的高度大于设计水头高度，只需通过由注水开关、流量计控制，在水箱中注入设计容量的水体即可；如果水箱的高度达不到设计水头高度时，在注满水箱后，使用加压泵进行加压，并通过控制系统控制流量和流速，维持压力的稳定。
本发明研究了模型试验中外部水压加载控制系统及加载方法，解决了流-固耦合模型试验中真实水压的加载和控制问题。将水压加载控制系统引入模型试验中，与前人研究相比，更加真实的模拟固体相似材料与水的相互作用，使流-固耦合模型试验与工程实践更加接近，所得到的研究成果适用范围更广。
本发明解决了流-固耦合模型试验中水压加载和控制问题，具有以下优点：
1、能成功的在流-固耦合模型试验中加入真实的水压，不再使用等效加载方式；
2、实现了水压作用下，围岩相似材料与水体的相互耦合，有利于研究流-固耦合的作用机理；
3、成功实现了水压的稳定，选用了合适的密封材料，有效解决了漏水、卸压现象；
4、实现了流速和流量的有效监测和控制，并且根据实际工程和试验需要，可以使用加压泵施加额外水压，能最大限度的模拟工程实际。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
其中1.试验台架；2.相似材料；3.水箱；4.凡士林密封圈；5.玻璃胶密封圈；6.注水开关；7.流量计；8.流速计；9.加压泵；10.水管；11.水源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1中，一种用于流-固耦合模型试验中的水压加载控制系统，包括试验台架1，试验台架1采用密封设计，内铺设有若干层相似材料2，试验台架内部、相似材料的上面有用于水压加载的水箱3，试验台架的顶部设有与所述水箱3相通的注水孔，注水孔通过水管10与试验台架1外部的水源11连接，且注水孔与水源11之间设有控制注水的控制系统。
所述试验台架1为刚性密封台架，试验台架1外部采用高强度刚性结构架，内部采用高强度钢化玻璃密封箱，高强度钢化玻璃密封箱采用若干块高强度钢化玻璃制作，高强度钢化玻璃交接处采用隔水性的高强玻璃胶密封。
所述相似材料2为遇水不软化崩解的非亲水性材料，渗透系数在小于10-5cm/s。
所述水箱为密封水箱3，相似材料与试验台架1的接触处用隔水性的凡士林密封，形成凡士林密封圈4，试验台架1模型架周边及顶部注水孔处采用隔水性的高强玻璃胶进行密封，形成玻璃胶密封圈5。
所述控制系统由控制开关6、流速计8和流量计7组成，根据所需水压调节控制开关6，并通过流速计8和流量计7进行监控。
一种用于流-固耦合模型试验中的水压加载控制系统的加载方法，其采用上述加载控制系统，包括以下步骤：
A.铺设相似材料2，材料铺设到设计高度后，用凡士林4将相似材料与模型架接触处密封；
B.模型架封顶，并用隔水性的高强玻璃胶5将模型架及注水孔处密封；
C.根据模型试验的设计要求和模型架尺寸，将设计水压换算成注入水量，并在控制系统的调节下加入设计设计水量；
D.如果设计所需水头高度超过水箱高度，需将剩余水头高度换算成剩余水压，借助加压泵9施加，同时通过控制系统控制水速，将加压扰动控制在试验允许的范围内。
Claims (7)
1.一种用于流-固耦合模型试验中的水压加载控制系统，其特征在于：它包括密封的试验台架，试验台架内铺设有若干层相似材料，试验台架内部、相似材料的上面设有用于水压加载的水箱，试验台架的顶部设有与所述水箱相通的注水孔，注水孔通过水管与试验台架外部的水源连接，且注水孔与水源之间设有控制注水的控制系统。
2.根据权利要求1所述的用于流-固耦合模型试验中的水压加载控制系统，其特征在于：所述试验台架为刚性密封台架，试验台架外部采用高强度刚性结构架，内部采用高强度钢化玻璃密封箱。
3.根据权利要求2所述的用于流-固耦合模型试验中的水压加载控制系统，其特征在于：所述高强度钢化玻璃密封箱采用若干块高强度钢化玻璃制作，高强度钢化玻璃交接处采用隔水性的高强玻璃胶密封。
4.根据权利要求1所述的用于流-固耦合模型试验中的水压加载控制系统，其特征在于：所述相似材料为遇水不软化崩解的非亲水性材料，渗透系数小于10-5cm/s。
5.根据权利要求1所述的用于流-固耦合模型试验中的水压加载控制系统，其特征在于：所述水箱为密封水箱，相似材料上边缘与试验台架的接触处用隔水性的凡士林密封，试验台架顶部注水孔处采用隔水性的高强玻璃胶密封。
6.根据权利要求1所述的用于流-固耦合模型试验中的水压加载控制系统，其特征在于：所述控制系统由控制开关、流速计和流量计组成，根据所需水压调节控制开关，并通过流速计和流量计进行监控。
7.一种用于流-固耦合模型试验中的水压加载控制系统的加载方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.铺设相似材料，材料铺设到设计高度后，用凡士林将相似材料与试验台架接触处密封；
B. 试验台架封顶，并用隔水性的高强玻璃胶将试验台架及注水孔处密封；
C.根据模型试验的设计要求和模型架尺寸，将设计水压换算成注入水量，并在控制系统的调节下加入设计水量；
D.如果设计所需水头高度超过水箱高度，需将剩余水头高度换算成剩余水压，借助加压泵施加，同时通过控制系统控制水速，将加压扰动控制在试验允许的范围内。
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