CN104458535B - 一种用于离心模型试验的土体渗透特性测定装置 - Google Patents

Abstract

一种用于离心模型试验的土体渗透特性测定装置，其放置于土工离心机的吊篮中，其包括一个箱体，所述箱体底部设置有排水口，所述箱体内设置有第一支撑架，所述第一支撑架上设置有一个升降装置，所述升降装置上方设置有上游水箱，所述上游水箱内设置有依次环绕的最内侧的工作区、中间的注水区以及最外侧的溢流区，所述工作区与所述注水区之间设置有第一隔板，所述注水区与所述溢流区之间设置有第二隔板，所述第一隔板与所述第二隔板等高，所述下游水箱设置于所述出水管下方，所述出水管连接有一根延伸至所述下游水箱底部的柔性棉绳。本发明提供的用于离心模型试验的土体渗透特性测定装置，其可对离心模型处于不同水头差环境下时进行精确测定。

Description

一种用于离心模型试验的土体渗透特性测定装置

技术领域

本发明涉及一种可用于对土体的渗透特性进行测定的试验装置，尤其是一种应用土工离心机测定土体渗流和渗透破坏特性的装置。

背景技术

大部分岩土工程灾害(比如强降雨条件下的边坡失稳、基坑坍塌，地下工程突水突泥，堤防工程和土石坝工程的渗透破坏等)都涉及土体的渗透变形和渗透破坏问题，因此在岩土工程设计中需要充分考虑土体的渗流和渗透破坏特性。土工离心试验通过离心力模拟重力，可以保证模型和对应原型的应力状态一致，已经在岩土工程研究领域得到了广泛应用。但是，离心模型试验对应的临界水力梯度等物理量是否和1g模型试验一致还存在争议。王秋生等(离心机模拟中渗流相似率的试验验证,岩土工程学报,2011,33(8):1235-1239.)、隋海宾等(基于离心模型试验的砂土管涌特性研究,河海大学学报(自然科学版),2010,38(5):545-549.)应用离心模型试验研究了土的渗流和渗透破坏规律，但是他们研制的试验装置无法灵活调节上下游水位差，且在高g值(例如大于30g)运行环境中，上下游水箱的水面都会产生大的波动，造成上下游水位差不稳定，从而难以进行精确地测定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于离心模型试验的土体渗透特性测定装置，以减少或避免前面所提到的问题。

具体来说，本发明提供了一种用于离心模型试验的土体渗透特性测定装置，其放置于土工离心机的吊篮中，其包括一个箱体，所述箱体底部设置有排水口，所述箱体内设置有一个第一支撑架，所述第一支撑架上设置有一个升降装置、至少一个模型箱以及至少一个下游水箱，所述升降装置上方设置有一个上游水箱，

所述上游水箱内设置有依次环绕的最内侧的工作区、中间的注水区以及最外侧的溢流区，所述工作区与所述注水区之间设置有第一隔板，所述注水区与所述溢流区之间设置有第二隔板，所述第一隔板与所述第二隔板等高，所述溢流区底部设置有一个引流口，所述工作区底部设置有一个第一出水口，所述第一出水口连接有一根可伸缩套管；

所述模型箱底部设置有一个进水口，所述模型箱内设置有用于进行土体渗透特性测定的离心模型，所述模型箱侧壁设置有一个出水管，所述进水口连接有一个U形钢管，所述U形钢管另一端与所述可伸缩套管连接；

所述下游水箱设置于所述出水管下方，所述出水管连接有一根延伸至所述下游水箱底部的柔性棉绳。

优选地，所述引流口连接有一根指向所述箱体内壁的引流管。

优选地，所述箱体内设置有一个第二支撑架，所述第二支撑架上设置有一个液压作动器，所述液压作动器连接有一个可伸入所述模型箱的加压模块。

优选地，所述加压模块由透水石制成，所述加压模块与所述液压作动器固定连接。

优选地，所述出水管与所述离心模型的距离为3-10mm。

优选地，所述模型箱包括一个圆柱形箱底以及与所述圆柱形箱底可拆卸连接的中空圆柱形箱壁，所述出水管设置于所述中空圆柱形箱壁。

优选地，所述上游水箱设置有至少两个滑轮，所述箱体内设置有与所述滑轮对应的导轨。

优选地，所述箱体的所述排水口设置有一个堵头，在所述箱体底部固定连接有一个潜水泵，所述潜水泵位于所述第一支撑架之下，所述潜水泵通过管道与所述上游水箱的所述注水区连接。

本发明提供的用于离心模型试验的土体渗透特性测定装置，其可以在高g值运行环境中，方便、灵活的对离心模型进行预施压，并对处于不同水头差环境下的离心模型的土体渗透特性进行精确测定。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1显示的是根据本发明的一个具体实施例的一种用于离心模型试验的土体渗透特性测定装置的结构原理示意图；

图2显示的是图1的模型箱的结构示意图；

图3显示的是图1的上游水箱的结构示意图；

图4显示的是根据本发明的一个具体实施例的模型箱的分解结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。

图1显示的是根据本发明的一个具体实施例的一种用于离心模型试验的土体渗透特性测定装置的结构原理示意图，图中粗略显示的是本发明的用于离心模型试验的土体渗透特性测定装置的大致结构，着重显示了其与相对背景技术部分提及的现有技术的主要区别。图2显示的是图1的模型箱的结构示意图；图3显示的是图1的上游水箱的结构示意图。

参见图1-3所示，本发明提供了一种用于离心模型试验的土体渗透特性测定装置，其放置于土工离心机的吊篮1中，其包括一个箱体2，所述箱体2底部设置有排水口，所述箱体2内设置有一个第一支撑架21，所述第一支撑架21上设置有一个升降装置3、至少一个模型箱4以及至少一个下游水箱5，所述升降装置3上方设置有一个上游水箱6，

本发明提供的用于离心模型试验的土体渗透特性测定装置，其可以运行在高g值(例如大于30g)运行环境，在使用时，从离心机外的水源经由离心机供水至所述吊篮1中，供水的管路通至所述上游水箱6，这样就可以对所述上游水箱6持续供水，让所述上游水箱6始终保持溢流状态，从而保障所述上游水箱6的水位稳定。为了避免试验过程中溢出的水过多流入所述吊篮1对离心机造成影响，本发明依靠所述箱体2对溢出的水进行收集，并可通过所述箱体2底部的排水口连接管道经由离心机排出到离心机外。

所述第一支撑架21用于支撑所述升降装置3、所述模型箱4以及所述下游水箱5，其与所述箱体2底面具有一定距离，这样就可以避免试验过程中溢出的水在所述箱体2底部汇集后对所述升降装置3、所述模型箱4以及所述下游水箱5造成影响。

所述升降装置3可以是由伺服电机控制的液压千斤顶，也可以是由伺服电机控制的丝杠螺母组成的螺旋传动结构，其用于在离心试验过程中精确控制所述上游水箱6的升降，从而对离心模型实现精确的水头差控制。

所述上游水箱6内设置有依次环绕的最内侧的工作区61、中间的注水区62以及最外侧的溢流区63，所述工作区61与所述注水区62之间设置有第一隔板600，所述注水区62与所述溢流区63之间设置有第二隔板601，所述第一隔板600与所述第二隔板601等高，所述溢流区63底部设置有一个引流口631，所述工作区61底部设置有一个第一出水口611，所述第一出水口611连接有一根可伸缩套管612；

当从离心机外引入的水源供入所述上游水箱6时，由于在离心运行环境中，水体自身会带来很大的动能，因此在高g值(例如大于30g)运行环境中，其将对上游水箱6的水面稳定带来巨大影响，也就是说，上游水箱6的水位稳定将不能得到保障。为了克服水体动能对水位的影响，如图3中箭头A所示，将从离心机外引入的水源先供入所述注水区62，供水的管路可以伸入到所述注水区62的底部进行供水，由于所述第一隔板600与所述第二隔板601等高，因此，当所述注水区62的水位满出后，将如图3中箭头B所示，同时向所述工作区61和所述溢流区63漫出，待所述工作区61的水面满出后，后继供水时，从所述注水区62溢出的水就不会对所述工作区61的水面稳定带来大的影响，也就能够保障上游水箱6的水位稳定。所述工作区61的水经由所述第一出水口611向所述模型箱4供水，所述溢流区63的水经由所述引流口631排出到所述箱体2，所述可伸缩套管612使得在升降所述上游水箱6时，能够持续对所述模型箱4进行供水。

图3所示的所述上游水箱6虽然是圆柱形结构，但本领域技术人员应当理解，所述上游水箱6也可以是方形截面的柱状结构，这样一方面便于利用钢板焊接制造，另一方面由于离心机吊篮及模型箱均为长方体结构，所述上游水箱6采用方形截面的柱状结构也更容易离心机吊篮及模型箱匹配安装。

所述模型箱4底部设置有一个进水口41，所述模型箱4内设置有用于进行土体渗透特性测定的离心模型9，所述模型箱4侧壁设置有一个出水管42，所述进水口41连接有一个U形钢管43，所述U形钢管43另一端与所述可伸缩套管612连接；

本发明对离心模型进行土体渗透特性测定的原理与背景技术中《基于离心模型试验的砂土管涌特性研究》中的测试原理类似，对离心模型的过水方式均采用下进上出，因此，参见图2所示，所述模型箱4中在所述离心模型9与所述进水口41之间同样可以采用放置密孔板80、滤网的方式对所述离心模型9进行支撑同时防止所述离心模型9的土体掉落至所述进水口41形成阻塞。

因为本发明所提供的用于离心模型试验的土体渗透特性测定装置可以在高g值(例如大于30g)运行环境使用，因此，在所述密孔板80与所述进水口41之间，还可以填充直径1cm以上的玻璃球81，从而在不影响水进入所述模型箱4的基础上提升对所述离心模型9的支撑能力。

所述下游水箱5设置于所述出水管42下方，所述出水管42连接有一根延伸至所述下游水箱5底部的柔性棉绳。在所述下游水箱5中可以放置测量仪器以测量从所述水管42流出的水量的大小和流速，由于本发明所提供的用于离心模型试验的土体渗透特性测定装置可以在高g值(例如大于30g)运行环境使用，因此，所述下游水箱5水面的稳定也就关系到测量数据的精确性，本发明通过在所述出水管42连接一根延伸至所述下游水箱5底部的柔性棉绳，使得从所述出水管42流出的水经由所述柔性棉绳流入所述下游水箱5，从而避免从所述出水管42流出的水直接冲击所述下游水箱5的水面可能造成的水面起伏过大的情况，所述柔性棉绳可以是套在所述出水管42端口的中空棉绳。

在一个优选实施例中，所述引流口631连接有一根指向所述箱体2内壁的引流管。所述引流管可以为一根直管伸入到所述第一支撑架21以下指向所述箱体2箱底，也可以为一根弯管指向所述箱体2的内侧壁，其用于避免从所述引流口631流出的水溅落或洒到所述升降装置3和所述模型箱4等部位。

在一个优选实施例中，所述箱体2内设置有一个第二支撑架22，所述第二支撑架22上设置有一个液压作动器71，所述液压作动器71连接有一个可伸入所述模型箱4的加压模块72。

所述液压作动器71可以将所述加压模块72在所述模型箱4中，按照预定的力压在所述离心模型9上，从而可以使得所述离心模型9可以进行不同条件下的试验。

为了保障所述模型箱4的出水，所述加压模块72采用透水材料制成，例如，所述加压模块72可以由透水石制成，利用透水石良好的透水性能、成型方式较多，以及其具有较优的表面强度和硬度的特性，可以将透水石制成的所述加压模块72通过螺栓连接的方式与所述液压作动器71固定连接。

当然，所述加压模块72也可以是采用钢架框架结构制成与所述模型箱4对应的截面形状，保障其具有足够的刚度和强度，并且使得其可以方便的与所述液压作动器71固定连接，然后在钢架框架外包覆钢丝网，内中填充玻璃珠等填充物，这样也能在保障透水性能的同时为所述离心模型9提供稳定的压力。

为了减少所述加压模块72对所述离心模型9上方空间的占用从而可能带来的对所述出水管42出水的影响，也就是为了减少对测量结果的影响，参见图2，所述出水管42与所述离心模型9的距离h为3-10mm，当所述加压模块72由透水石制成时，所述出水管42与所述离心模型9的距离h为5mm最优。

图4显示的是根据本发明的一个具体实施例的模型箱的分解结构示意图。参见图4所示，在另一个具体实施例中，为了确保所述出水管42与所述离心模型9的距离，本发明对所述模型箱4进行了分体设计，所述模型箱4包括一个圆柱形箱底401以及与所述圆柱形箱底401可拆卸连接的中空圆柱形箱体402，所述出水管42设置于所述中空圆柱形箱体402。

对应于不同高度的所述离心模型9，可以选用不同的所述中空圆柱形箱体402，这样就可以很好的保障所述出水管42与所述离心模型9的距离h。所述圆柱形箱底401与所述中空圆柱形箱体402的连接处可以设置橡胶密封圈等密封件来保障密封性。

在一个优选实施例中，参见图1、3所示，所述上游水箱6设置有至少2个滑轮602，所述箱体2内设置有与所述滑轮602对应的导轨23。这样就能够更精确的控制所述上游水箱6的移动。

在一个优选实施例中，参加图1所示，所述箱体2的所述排水口设置有一个堵头，在所述箱体2底部固定连接有一个潜水泵24，所述潜水泵24位于所述第一支撑架21之下，所述潜水泵24通过管道与所述上游水箱6的所述注水区62连接。通过设置所述潜水泵24，可以在进行土工离心试验之前在所述箱体2中预先注入足量的水，利用所述潜水泵24将水泵入所述上游水箱6，并将所述溢流区63流出的水循环利用，从而不需要考虑从离心机外部取水以及将所述箱体2中的水抽出离心机，也就能够简化对离心机的安装、调试工作量。

本发明提供的用于离心模型试验的土体渗透特性测定装置，其可以在高g值(例如大于30g)运行环境中，方便、灵活的对离心模型进行预施压，并对处于不同水头差环境下的离心模型的土体渗透特性进行精确测定。

本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种用于离心模型试验的土体渗透特性测定装置，其可运行在大于30g的高g值运行环境，其放置于土工离心机的吊篮中，其包括一个箱体，所述箱体底部设置有排水口，所述箱体内设置有一个第一支撑架，所述第一支撑架上设置有一个升降装置、至少一个模型箱以及至少一个下游水箱，所述升降装置上方设置有一个上游水箱，

所述上游水箱内设置有依次环绕的最内侧的工作区、中间的注水区以及最外侧的溢流区，所述工作区与所述注水区之间设置有第一隔板，所述注水区与所述溢流区之间设置有第二隔板，所述第一隔板与所述第二隔板等高，所述溢流区底部设置有一个引流口，所述工作区底部设置有一个第一出水口，所述第一出水口连接有一根可伸缩套管；

所述模型箱底部设置有一个进水口，所述模型箱内设置有用于进行土体渗透特性测定的离心模型，所述离心模型与所述进水口之间放置有密孔板，在所述密孔板与所述进水口之间填充有直径1cm以上的玻璃球，所述模型箱侧壁设置有一个出水管，所述进水口连接有一个U形钢管，所述U形钢管另一端与所述可伸缩套管连接；

所述下游水箱设置于所述出水管下方，所述出水管连接有一根延伸至所述下游水箱底部的柔性棉绳。

2.根据权利要求1所述的测定装置，其特征在于，所述引流口连接有一根指向所述箱体内壁的引流管。

3.根据权利要求1所述的测定装置，其特征在于，所述箱体内设置有一个第二支撑架，所述第二支撑架上设置有一个液压作动器，所述液压作动器连接有一个可伸入所述模型箱的加压模块。

4.根据权利要求3所述的测定装置，其特征在于，所述加压模块由透水石制成，所述加压模块与所述液压作动器固定连接。

5.根据权利要求3所述的测定装置，其特征在于，所述出水管与所述离心模型的距离为3-10mm。

6.根据权利要求1-5之一所述的测定装置，其特征在于，所述模型箱包括一个圆柱形箱底以及与所述圆柱形箱底可拆卸连接的中空圆柱形箱壁，所述出水管设置于所述中空圆柱形箱壁。

7.根据权利要求1所述的测定装置，其特征在于，所述上游水箱设置有至少两个滑轮，所述箱体内设置有与所述滑轮对应的导轨。

8.根据权利要求1所述的测定装置，其特征在于，所述箱体的所述排水口设置有一个堵头，在所述箱体底部固定连接有一个潜水泵，所述潜水泵位于所述第一支撑架之下，所述潜水泵通过管道与所述上游水箱的所述注水区连接。