CN103558041A - 量测原位应力场作用下土体位移的模型试验装置和试验方法 - Google Patents

量测原位应力场作用下土体位移的模型试验装置和试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种量测原位应力场作用下土体位移的模型试验装置和试验方法，该模型试验装置包括透明模型箱、透水层、孔隙压力测量装置、压力水提供装置、密封盖板，所述密封盖板密封于所述开口处，所述排水腔体设有排水孔，所述土样放置腔体侧壁设有测压孔，所述孔隙压力测量装置位于所述测压孔中、且所述孔隙压力测量装置与所述测压孔为液密封配合，所述密封盖板设有进水管，所述压力水提供装置通过连接进水管与所述土样放置腔体连通，所述压力水提供装置与所述排水孔连通构成水循环系统。本发明的有益效果是本发明的量测原位应力场作用下土体位移的模型试验装置结构简单、操作方便、设备成本低。

Description

量测原位应力场作用下土体位移的模型试验装置和试验方法
技术领域
本发明涉及岩士工程领域，尤其涉及量测原位应力场作用下土体位移的模型试验装置和试验方法。
背景技术
粒子图像测速技术最先应用于流体力学中，通过激光照射流体切面，获得切面上示踪粒子流动前后的照片，通过图像匹配技术，测定示踪颗粒的流速，得到流体的流动速度。由于该种技术具有无干扰、动态、全局观测等优点，粒子图像测速技术的应用已经从开始的流体力学向生物学、空气动力学和岩土工程等多个学科发展。
由于粒子图像测速技术是利用图像相关处理技术将变形前后的图像进行分割和像块互相关处理，因此要求拍摄图像清晰准确，该技术常被应用在小尺寸模型的试验分析测量。小尺寸的模型试验在结构力学、水力学和岩土工程中应用非常广泛，但缩尺后模型中各点的自重应力场远低于原型中原位应力场，强度指标很难满足相似条件，那么试验成果也必然与实际情况相差较大。
而且，目前的试验装置结构复杂、操作不便、设备成本高。
发明内容
为了解决现有技术中试验装置结构复杂、操作不便、设备成本高的问题，本发明提供了一种量测原位应力场作用下土体位移的模型试验装置。
本发明提供了一种量测原位应力场作用下土体位移的模型试验装置，包括透明模型箱、透水层、孔隙压力测量装置、压力水提供装置、密封盖板，所述透明模型箱顶部设有开口，所述密封盖板密封于所述开口处，所述透水层位于所述透明模型箱内部，所述透水层与所述密封盖板之间的空间为土样放置腔体，所述透水层与所述透明模型箱底部之间的空间为排水腔体，所述排水腔体设有排水孔，所述土样放置腔体侧壁设有测压孔，所述孔隙压力测量装置位于所述测压孔中、且所述孔隙压力测量装置与所述测压孔为液密封配合，所述密封盖板设有进水管，所述压力水提供装置通过连接进水管与所述土样放置腔体连通，所述压力水提供装置与所述排水孔连通构成水循环系统。
作为本发明的进一步改进，所述透水层由透水石构成。
作为本发明的进一步改进，所述透水石上设有过滤网。
作为本发明的进一步改进，所述过滤网为土工织物制成。
作为本发明的进一步改进，所述孔隙压力测量装置为孔隙水压力传感器。
作为本发明的进一步改进，所述透明模型箱全部由透明材料制成，或者在所述透明模型箱中拍摄土体变形一侧由透明材料制成。
作为本发明的进一步改进，所述排水孔通过水泵与所述压力水提供装置连通构成水循环系统，所述进水管设置水龙头控制开关；所述压力水提供装置由连接管连接到马氏瓶，由所述马氏瓶来提供稳定的水头，并且连有气泵，对水流加压，控制所需的水力梯度。
作为本发明的进一步改进，该模型试验装置还包括数字照相机，所述数字照相机用于拍摄在试验过程中土样的变形照片。
本发明还公开了一种量测原位应力场作用下土体位移的试验方法，该试验方法使用所述的模型试验装置进行试验，包括如下步骤：
A.将土样分层放入所述透明模型箱中，制备饱和均匀土样；
B.通过压力水提供装置向透明模型箱内控制施加压力水，调整水力梯度，达到要求的原位应力场；
C.通过数字照相机用于拍摄在试验过程中土样的变形照片。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤A中，制备饱和均匀土样的方法是首先通过排水孔对土样施加向上的水头，使土颗粒有向上流动的趋势，然后让土颗粒靠自重沉淀，对土样有一个加密的过程，以此快速制备饱和均匀土样。
本发明的有益效果是：本发明的量测原位应力场作用下土体位移的模型试验装置结构简单、操作方便、设备成本低。
附图说明
图1是本发明的量测原位应力场作用下土体位移的模型试验装置结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种量测原位应力场作用下土体位移的模型试验装置，包括透明模型箱1、透水层3、孔隙压力测量装置5、压力水提供装置6、密封盖板7，所述透明模型箱1顶部设有开口，所述密封盖板7密封于所述开口处，所述透水层3位于所述透明模型箱1内部，所述透水层3与所述密封盖板7之间的空间为土样放置腔体2，所述透水层3与所述透明模型箱1底部之间的空间为排水腔体，所述排水腔体设有排水孔4，所述土样放置腔体2侧壁设有测压孔，所述孔隙压力测量装置5位于所述测压孔中、且所述孔隙压力测量装置5与所述测压孔为液密封配合，所述密封盖板7设有进水管9，所述压力水提供装置6通过连接进水管9与所述土样放置腔体2连通，所述压力水提供装置6与所述排水孔4连通构成水循环系统。
所述孔隙压力测量装置5与所述测压孔为液密封配合的方式可以是用玻璃胶封闭孔隙水压力传感器与测压孔之间的缝隙。
所述透水层3由透水石构成，所述透水石上设有过滤网，所述过滤网为土工织物制成。过滤网防止土颗粒漏出，造成土体流失或试验失败。
所述孔隙压力测量装置5为孔隙水压力传感器。孔隙压力测量装置5可以在测压孔中插入测压管，根据水柱上身的高度差控制水力梯度，得到需要的原位应力场。孔隙水压力传感器测量水压力来控制水力梯度，以此来达到所需的原位应力场。
所述透明模型箱1全部由透明材料制成，或者所述透明模型箱1的一部分由透明材料制成。该透明模型箱1可以是方形，所述透明模型箱1的材料可采用透明有机玻璃或者其它透明材料，所述透明模型箱1与密封盖板7必须严格密封，可以在密封盖板7与透明模型箱1之间加一个橡胶密封垫圈。该透明模型箱1可以四面完全采用透明有机玻璃，也可以只在模型箱正面(量测土体位移的一面)采用透明有机玻璃，其他三面采用钢板或其他材料，做好密封措施。
所述排水孔4通过水泵与所述压力水提供装置6连通构成水循环系统，所述进水管9设置水龙头控制开关；所述压力水提供装置6由连接管连接到马氏瓶，由所述马氏瓶来提供稳定的水头，并且连有气泵，对水流加压，控制所需的水力梯度。
该模型试验装置还包括数字照相机8，所述数字照相机8用于拍摄在试验过程中土样的变形照片。由计算机控制试验过程相机拍照。
本发明还公开了一种量测原位应力场作用下土体位移的试验方法，该试验方法使用模型试验装置进行试验，包括如下步骤：
第一步，将土样分层放入所述透明模型箱1中，制备饱和均匀土样；
第二步，通过压力水提供装置6向透明模型箱1内控制施加压力水，调整水力梯度，达到要求的原位应力场；
第三步，通过数字照相机8用于拍摄在试验过程中土样的变形照片。
在所述第一步中，制备饱和均匀土样的方法是首先通过排水孔4对土样施加向上的水头，使土颗粒有向上流动的趋势，然后让土颗粒靠自重沉淀，对土样有一个加密的过程，以此快速制备饱和均匀土样。通过这种方法能够快速制备饱和均匀的土样。
具体步骤是，首先，在模型箱底部以上距离放一块透水石，在透水石上放置土工织物作为反滤材料，防止土颗粒漏出。将透明土样2分层加入直至达到要求高度，制备得到饱和土样，并且保证土体在模型箱中各处比较均匀。用密封盖板7将透明模型箱1密封，连接孔隙压力量测装置5和数字照相机8。从透明模型箱1主体上部通过马氏瓶加水至指定高度，并通入气，根据孔隙压力量测装置5调整水头至所需的重力场，并稳定一段时间达到渗流的稳定。然后在试验过程采用数字照相机8拍摄箱正面的土体变形照片。试验过程相机固定且不易晃动。后期采用配套图像分析软件定量量测土体的位移场。
在第二步中，对土样加气加水，根据孔隙压力量测装置，调节水力梯度，达到需要的原位应力水平。
本发明的模型试验装置和试验方法具有如下优势：1.应用范围广，粒子图像测速技术以其特有的无干扰、自动化、全局性、简便性等优点，在岩土工程基础实验与工程研究中，都得到了广泛的应用，而且随着计算机和数字图像采集硬件的性能提高，这一技术具有极大的发展潜力。将粒子图像测速技术的优势应用到原位应力场模型试验，使非介入变形测量ng重力场内部土体变形得以实现，扩大粒子图像测速技术的应用范围。2. 均匀性好，原位应力场模型试验利用水在土体中拖拽土颗粒提供的渗流场是均匀力场，试验材料各部分是均匀受力的，其模拟的系统误差较小。3. 设备成本低，渗水力模型设备简单，易于操作，成本较低。
本发明的模型试验装置和试验方法，在岩土工程基础实验与工程研究中，都得到了广泛的应用，而且随着计算机和数字图像采集硬件的性能提高，这一技术具有极大的发展潜力。将粒子图像测速技术的优势应用到原位应力场模型试验，使非介入变形测量原位应力场剖面土体变形得以实现；均匀性好，原位应力场模型试验利用水在土体中拖拽力提供的渗流场是均匀力场，试验材料各部分是均匀受力的，其模拟的系统误差；设备成本低。该模型设备简单，易于操作，成本较低。
本发明试验装置利用水在土体中对土颗粒的拖拽力来提供渗流场，使尺寸缩小n倍的模型土体中的渗流场与重力场之和同土体的实际原位应力场相等。本发明还采用粒子图像测速技术量测原位应力场中模型土体的位移。本发明结合数字图像测量技术和模拟原位应力场的模型试验装置，将模型土样的应力水平提高，并使连续测量和非介入变形测量原位应力场剖面土体变形得以实现。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种量测原位应力场作用下土体位移的模型试验装置，其特征在于：包括透明模型箱（1）、透水层（3）、孔隙压力测量装置（5）、压力水提供装置（6）、密封盖板（7），所述透明模型箱（1）顶部设有开口，所述密封盖板（7）密封于所述开口处，所述透水层（3）位于所述透明模型箱（1）内部，所述透水层（3）与所述密封盖板（7）之间的空间为土样放置腔体（2），所述透水层（3）与所述透明模型箱（1）底部之间的空间为排水腔体，所述排水腔体设有排水孔（4），所述土样放置腔体侧壁设有测压孔，所述孔隙压力测量装置（5）位于所述测压孔中、且所述孔隙压力测量装置（5）与所述测压孔为液密封配合，所述密封盖板（7）设有进水管（9），所述压力水提供装置（6）通过连接进水管（9）与所述土样放置腔体连通，所述压力水提供装置（6）与所述排水孔（4）连通构成水循环系统。
2.根据权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于：所述透水层（3）由透水石构成。
3.根据权利要求2所述的模型试验装置，其特征在于：所述透水石上设有过滤网。
4.根据权利要求3所述的模型试验装置，其特征在于：所述过滤网为土工织物制成。
5.根据权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于：所述孔隙压力测量装置（5）为孔隙水压力传感器。
6.根据权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于：所述透明模型箱（1）全部由透明材料制成，或者在所述透明模型箱（1）中拍摄土体变形一侧由透明材料制成。
7.根据权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于：所述排水孔（4）通过水泵与所述压力水提供装置（6）连通构成水循环系统，所述进水管（9）设置水龙头控制开关；所述压力水提供装置（6）由连接管连接到马氏瓶，由所述马氏瓶来提供稳定的水头，并且连有气泵，对水流加压，控制所需的水力梯度。
8.根据权利要求1至7任一项所述的模型试验装置，其特征在于：该模型试验装置还包括数字照相机（8），所述数字照相机（8）用于拍摄在试验过程中土样的变形照片。
9.一种量测原位应力场作用下土体位移的试验方法，其特征在于，该试验方法使用权利要求8所述的模型试验装置进行试验，包括如下步骤：
A.将土样分层放入所述透明模型箱（1）中，制备饱和均匀土样；
B.通过压力水提供装置（6）向透明模型箱（1）内控制施加压力水，调整水力梯度，达到要求的原位应力场；
C.通过数字照相机（8）用于拍摄在试验过程中土样的变形照片。
10. 根据权利要求9所述的模型试验装置，其特征在于：在所述步骤A中，制备饱和均匀土样的方法是首先通过排水孔（4）对土样施加向上的水头，使土颗粒有向上流动的趋势，然后让土颗粒靠自重沉淀，对土样有一个加密的过程，以此快速制备饱和均匀土样。
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