CN104897553A - 一种分层饱和土渗流固结模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分层饱和土渗流固结模拟装置，该模型装置包括容器装置、弹簧-活塞装置、加载装置、给排水装置和量测装置，所述的容器装置包括盛水容器(1)和收集容器(2)，所述的盛水容器(1)和收集容器(2)通过给排水装置连接，所述的弹簧-活塞装置设置在盛水容器(1)内部，用来模拟分层土体，所述的加载装置固定在弹簧-活塞装置顶部，对弹簧-活塞装置施加荷载，所述的给排水装置设置在加载装置上，所述的量测装置设置在盛水容器侧壁上用来测量静水压力。与现有技术相比，本发明模拟装置联接简单方便，可模拟分层土体不同弹性模量的土骨架和孔隙比，试验接近真实环境，对帮助理解太沙基一维固结理论具有良好效果。

Description

一种分层饱和土渗流固结模拟装置

技术领域

本发明涉及一种土渗流固结模拟装置，尤其是涉及一种分层饱和土渗流固结模拟装置。

背景技术

土力学是土木工程专业一门重要的技术基础课程，饱和土渗流固结问题是土力学中非常重要的研究课题，由于涉及到大量的力学物理概念，并且相关知识比较抽象，传统的教学方式通常采用在黑板上进行大量数学符号的理论公式推导，它涉及到土体的有效应力、孔隙水压力、土体沉降量随时间变化等问题，这对刚接触饱和土渗流固结问题的学生来讲是一个挑战和困难。为了让学生能更好地理解和掌握饱和土体渗流固结知识，在教学中常常采用弹簧-活塞模型来作为辅助手段来形象描述土体固结过程中有效应力与孔隙水压力相互转化的关系，但缺少相应的实物模型在课堂上进行教学演示。

目前关于土体固结装置的专利如下：

授权公告号为CN 203069454U的中国专利公开了一种土体一维固结装置，包括安装压力室的底座，装配试样的三开模压力室，设置在压力室上、中、底部用于限制侧向变形的环箍，土样上下部放置透水石，顶部加盖压力帽，以及作用于压力帽上的加载装置，在竖直的加载装置上安设百分表或直接在透水石顶部安装位移传感器，该装置安装方便，操作简单，但只适用于某些压缩性低的土体的一维固结试验；

公开号为CN 104020055 A的中国专利公开了一种多功能粗颗粒土直剪、固结装置，该装置包括矩形结构的反力架，反力架内一侧的第一高度调节工作台上的水平液压千斤顶和另一侧的水平承载机构；水平液压千斤顶和水平承载机构之间的反力架顶梁上向下设置有传力柱和垂直液压千斤顶，垂直液压千斤顶的活塞杆端部设置有水平承压板，位于水平承压板正下方自上而下设置有上剪切盒和下剪切盒；围绕下剪切盒的盒口设置有水槽；下剪切盒的底部设置有滚轴排；该装置实现对粗颗粒土的室内直剪试验、室内固结试验和原位直剪试验三种功能；

授权公告号为CN 203688417 U的中国专利公开了一种测定土样的多层固结渗透仪，该渗透仪的空气压缩机与气水交换器的入口相连接，气水交换器的出口与渗透固结装置相连接，调压及压力监测装置分别与气水交换器、渗透固结装置相连接，多个渗透固结装置相串联，每个渗透固结装置分别与调压及压力监测装置相连接，渗透固结装置与括单杠杆双联固结仪为加压连接，该渗透仪可测量不同材料组合在一起时的总的渗透系数；

上述发明专利多以测定土体在渗流固结状态下的土体参数为主，并不能从本质上揭示土体固结过程中有效应力与孔隙水压力相互转化的规律，且实际工程中天然土体多以分层形式存在，借助上述发明专利无法考虑分层饱和土的渗流固结问题，同时在大学课堂上无法借助这些装置向同学们生动、具体地讲解土体固结理论。

发明内容

本发明的目的就是为了弥补现有土体固结试验装置无法考虑实际工程中土体分层特性，且无法直观地揭示土体固结过程中有效应力与孔隙水压力相互转化规律的不足，提供一种能够模拟分层饱和土的渗流固结问题的分层饱和土渗流固结模拟装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种分层饱和土渗流固结模拟装置，其特征在于，所述的模型装置包括容器装置、弹簧-活塞装置、加载装置、给排水装置和量测装置，所述的容器装置包括盛水容器和收集容器，所述的盛水容器和收集容器通过给排水装置连接，所述的弹簧-活塞装置设置在盛水容器内部，用来模拟分层土体，所述的加载装置固定在弹簧-活塞装置顶部，对弹簧-活塞装置施加荷载，所述的给排水装置设置在加载装置上，所述的量测装置设置在盛水容器侧壁上用来测量静水压力。

所述的容器装置采用高刚度钢化玻璃材料制成，所述的盛水容器装满水，模拟土体中的孔隙水，所述的收集容器收集模拟分层饱和土固结试验时从盛水容器中排出的水，盛水容器和收集容器的侧壁和底部均不透水。

所述的弹簧-活塞装置由多层带孔活塞板和弹簧连接而成，其中各层带孔活塞板水平设置，相邻层带孔活塞板之间通过弹簧连接，弹簧模拟土骨架，活塞上的小孔模拟土体孔，小孔的疏密用来模拟土体的孔隙比。

所述的弹簧每层设置不同的劲度系数，模拟分层土体不同的弹性模量。为保证每层带孔活塞板能够平稳地移动，每层布置5根劲度系数相同的弹簧，各弹簧布置点如图3所示。根据土体弹性模量E_s的定义，

$E_s=\frac{\mathrm{\σ}}{\mathrm{\ϵ}}$

设每层弹簧的劲度系数为k，每层带孔活塞板上每根弹簧所受力为F，弹簧的压缩量为Δx，根据弹簧劲度系数的定义，

$k=\frac{F}{\mathrm{\Δ}x}$

设每层带孔活塞板的横截面积为A，相邻带孔活塞板之间的高度为H，则有

$\mathrm{\σ}=\frac{5F}{A},\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δ}x}{H}$

根据上式可得到土体弹性模量E_s与弹簧劲度系数k之间的关系为

$E_s=\frac{5kH}{A}$

所述的弹簧-活塞装置的带孔活塞板上设有活塞孔旋转开关，带孔活塞板由两层孔隙分布相同但厚度较薄的带孔活塞板叠加构成，通过扭动活塞孔旋转开关来控制上下层孔隙重合部分的大小，来调节孔隙大小。

所述的加载装置包括加载托盘、支撑连杆和钢管，所述的加载托盘通过支撑连杆固定在顶层带孔活塞板上，钢管穿过加载托盘中心并与弹簧-活塞装置顶部接触。

所述的加载托盘上放置加载砝码，对弹簧-活塞装置施加荷载。

所述的加载砝码由两片对称的薄钢板拼接而成，与加载托盘形状相匹配，中间留有与钢管匹配的圆孔，用于加载砝码的定位。

所述的给排水装置为改进型的虹吸管，所述的虹吸管由软管、气腔和水流控制阀组成，所述的软管的一端从钢管中插入至弹簧-活塞装置的上表面，另一端连接水龙头给盛水容器输水或气腔，所述的气腔与收集容器管接，管路上设置水流控制阀。

所述的测量装置包括多根测压管，所述的测压管固定在盛水容器外壁，测压管的测量点分别设置在每层弹簧-活塞装置中弹簧的中间高度，测量由于施加荷载产生超静孔隙压力。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)带孔活塞板与弹簧联接简单方便，可设置多层弹簧-活塞装置以模拟层状土体，每层弹簧可设置不同的劲度系数，可模拟分层土体中具有不同弹性模量的土骨架。

(2)带孔活塞板的孔隙大小可进行调整，可模拟土体不同的孔隙比。

(3)加载装置由四根连杆稳定支撑，托盘中间固定一根贯穿的钢管，为虹吸管的安装预留通道，同时帮助砝码更好地定位，使荷载均匀地施加到顶层带孔活塞上。

(4)给排水装置为改进型的虹吸管，能够实现从水龙头输水至盛水容器，或者通过挤压气腔使虹吸管按照虹吸原理工作，将顶层带孔活塞上的水排出到收集容器，使固结试验更接近真实环境。

(5)对帮助学生深刻理解太沙基一维固结理论具有可触摸、即看即所得的直接效果，可模拟土体的有效应力、孔隙水压力随时间变化规律，通过改变模型的排水条件、加载条件、弹簧劲度系数来开展课外学术活动。

附图说明

图1为实施例1中本发明装置的主视结构示意图；

图2为实施例1中本发明装置的内部结构示意图；

图3为实施例1中本发明装置带孔活塞板俯视结构示意图；

图4为实施例1中本发明装置加载装置托盘的的俯视结构示意图；

图5为实施例1中本发明装置加载装置砝码的俯视结构示意图；

图中，1为盛水容器，2为收集容器，3为砝码托盘，4为支撑连杆，5为钢管，6为软管，7为气腔，8为水流控制阀，9为测压管，10为带孔活塞板，11为弹簧，12为活塞板和弹簧连接点，13为加载装置托盘与连杆连接点，14为加载砝码，15为活塞孔旋转开关。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

对于饱和土，土体一般是逐渐被压缩，部分水量从土体中排出，土中超静孔隙水压力相应地转化为有效应力，直至变形趋于稳定，这一过程称为固结。本发明装置用来模拟分层饱和土固结实验为学生展示饱和土固结机理，提升课堂教学效果。

本发明一种分层饱和土渗流固结模拟装置包括容器装置、弹簧-活塞装置、加载装置、给排水装置和量测装置。容器装置包括盛水容器1和收集容器2，盛水容器1和收集容器2通过给排水装置连接，弹簧-活塞装置设置在盛水容器1内部，用来模拟分层土体，加载装置固定在弹簧-活塞装置顶部，对弹簧-活塞装置施加荷载，给排水装置设置在加载装置上，量测装置设置在盛水容器侧壁上用来测量静水压力。

图1是装置的主视结构示意图，容器装置由盛水容器1和收集容器2组成，通过给排水装置连接，盛水容器1装满水，模拟土体中的孔隙水，收集容器2收集模拟分层饱和土固结试验时从盛水容器1中排出的水，盛水容器1和收集容器2的侧壁和底部均不透水，盛水容器1的侧壁采用刚度较大的钢化玻璃制成，便于学生在课堂演示教学中直接观察实验现象；加载装置由砝码托盘3、支撑连杆4和钢管5组成，加载托盘3通过支撑连杆4固定在顶层带孔活塞板10上，稳定性更好，加载砝码14放置在加载托盘3上，对弹簧-活塞装置施加荷载，加载砝码14由两片对称的薄钢板拼接而成，与加载托盘3形状相匹配，中间留有与钢管5匹配的圆孔，钢管5穿过加载托盘3中心并与弹簧-活塞装置顶部接触，以便用于加载砝码14的定位，使荷载能够均匀地施加到顶层带孔活塞板10上，同时为给排水装置留下管道；给排水装置为改进型的虹吸管，由软管6、气腔7和水流控制阀8组成，软管6的一端从钢管5中插入至弹簧-活塞装置的上表面，另一端连接水龙头给盛水容器输水或气腔7，气腔7与收集容器2管接，管路上设置水流控制阀8；测量装置由3根测压管9组成，测压管9固定在盛水容器1外壁，测压管9的测量点分别设置在每层弹簧-活塞装置中弹簧11的中间高度，用于量测模型装置加载状态下产生的超孔隙水压力。

图2是装置的内部结构示意图，弹簧-活塞装置设置在盛水容器1中，由3层带孔活塞板10和弹簧11连接而成，其中各层带孔活塞板10水平设置，相邻层带孔活塞板10之间通过弹簧11连接，弹簧11模拟土骨架，活塞上的小孔模拟土体孔，小孔的疏密用来模拟土体的孔隙比；每层弹簧11可设置不同的劲度系数，用来模拟分层土体不同的弹性模量，带孔活塞板10的孔隙大小可根据需要进行调整，以便模拟土体不同的孔隙比。

图3是带孔活塞板10俯视结构示意图，上面设置有均匀分布的孔隙以及弹簧和活塞板连接点12。带孔活塞板10由两层孔隙分布相同但厚度较薄的带孔活塞板叠加构成，通过扭动活塞孔旋转开关15来控制上下层孔隙重合部分的大小，可用于控制孔隙的透水孔大小的开合。

图4是砝码托盘3的俯视结构示意图，上面设置有托盘与连杆连接点13。

图5是加载砝码14的俯视结构示意图，加载砝码14的形状为中间留孔的半圆形薄钢板，与加载托盘3的结构相适应。

当运用本装置开始进行模拟饱和土渗流固结实验时，首先将给排水装置的软管6一端与水龙头相连接，对盛水容器1进行输水至水面与顶层带孔活塞板10齐平为止；装置在加载前，带孔活塞板10的自重由弹簧11和盛水容器1中的水产生的静水压力共同承担，此时装置模拟的情况相当于土体在自重情况下已完成固结，即为正常固结状态，每层弹簧-活塞装置中的弹簧11均承受一定的压力相当于土体中的有效固结应力，测压管9显示的读数相当于土体中的静孔隙水压力。将加载砝码14轻轻地放置在砝码托盘3上，在施加荷载的瞬间，由于盛水容器1中的水来不及向外排出，而本试验中水看作不可压缩液体，因此各层弹簧-活塞装置的弹簧11没有压缩，外部荷载全部由水来承担，记录测压管9中的读数，测压管9的读数增大，增加的部分相当于土体中的超空隙水压力，随后水由顶层带孔活塞板10排出，挤压气腔7将水及时地由软管6排出到收集容器2中。加载一段时间后，由于各层带孔活塞板10上存在排水小孔，水逐渐从顶层活塞板10的排水孔经软管6排出至收集容器2中，带孔活塞板10位置下降，弹簧11由于压缩产生的反力平衡了一部分由加载砝码14产生的外加荷载，水分担的荷载相应减少，当测压管9的读数不再变化，即超空隙水压力全部消散完成时，弹簧11不再压缩，盛水容器1中的水不再向外排出，此时装置模拟的分层饱和土体完成整个渗流固结过程。

本装置对帮助学生深刻理解太沙基一维固结理论具有可触摸、即看即所得的直接效果，可模拟土体的有效应力、孔隙水压力随时间变化规律，通过改变模型的排水条件、加载条件、弹簧劲度系数来开展课外学术活动。

Claims (10)

1.一种分层饱和土渗流固结模拟装置，其特征在于，所述的模型装置包括容器装置、弹簧-活塞装置、加载装置、给排水装置和量测装置，所述的容器装置包括盛水容器(1)和收集容器(2)，所述的盛水容器(1)和收集容器(2)通过给排水装置连接，所述的弹簧-活塞装置设置在盛水容器(1)内部，用来模拟分层土体，所述的加载装置固定在弹簧-活塞装置顶部，对弹簧-活塞装置施加荷载，所述的给排水装置设置在加载装置上，所述的量测装置设置在盛水容器侧壁上用来测量静水压力。

2.根据权利要求1所述的一种分层饱和土渗流固结模拟装置，其特征在于，所述的容器装置采用高刚度钢化玻璃材料制成，所述的盛水容器(1)装满水，模拟土体中的孔隙水，所述的收集容器(2)收集模拟分层饱和土固结试验时从盛水容器(1)中排出的水，盛水容器(1)和收集容器(2)的侧壁和底部均不透水。

3.根据权利要求1所述的一种分层饱和土渗流固结模拟装置，其特征在于，所述的弹簧-活塞装置由多层带孔活塞板(10)和弹簧(11)连接而成，其中各层带孔活塞板(10)水平设置，相邻层带孔活塞板(10)之间通过弹簧(11)连接，弹簧(11)模拟土骨架，活塞上的小孔模拟土体孔，小孔的疏密用来模拟土体的孔隙比。

4.根据权利要求3所述的一种分层饱和土渗流固结模拟装置，其特征在于，所述的弹簧(11)每层设置不同的劲度系数，模拟分层土体不同的弹性模量。

5.根据权利要求3所述的一种分层饱和土渗流固结模拟装置，其特征在于，所述的弹簧-活塞装置的带孔活塞板(10)上设有活塞孔旋转开关(15)，带孔活塞板(10)由两层孔隙分布相同但厚度较薄的带孔活塞板叠加构成，通过扭动活塞孔旋转开关(15)来控制上下层孔隙重合部分的大小来调节孔隙大小。

6.根据权利要求5所述的一种分层饱和土渗流固结模拟装置，其特征在于，所述的加载装置包括加载托盘(3)、支撑连杆(4)和钢管(5)，所述的加载托盘(3)通过支撑连杆(4)固定在顶层带孔活塞板(10)上，钢管(5)穿过加载托盘(3)中心并与顶层带孔活塞板(10)接触。

7.根据权利要求6所述的一种分层饱和土渗流固结模拟装置，其特征在于，所述的加载托盘(3)上放置加载砝码(14)，对弹簧-活塞装置施加荷载。

8.根据权利要求7所述的一种分层饱和土渗流固结模拟装置，其特征在于，所述的加载砝码(14)由两片对称的薄钢板拼接而成，与加载托盘(3)形状相匹配，中间留有与钢管(5)匹配的圆孔，用于加载砝码(14)的定位。

9.根据权利要求1所述的一种分层饱和土渗流固结模拟装置，其特征在于，所述的给排水装置为改进型的虹吸管，所述的虹吸管由软管(6)、气腔(7)和水流控制阀(8)组成，所述的软管(6)的一端从钢管(5)中插入至弹簧-活塞装置的上表面，另一端连接水龙头给盛水容器输水或气腔(7)，所述的气腔(7)与收集容器(2)管接，管路上设置水流控制阀(8)。

10.根据权利要求1所述的一种分层饱和土渗流固结模拟装置，其特征在于，所述的测量装置包括多根测压管(9)，所述的测压管(9)固定在盛水容器(1)外壁，测压管(9)的测量点分别设置在每层弹簧-活塞装置中弹簧(11)的中间高度，测量由于施加荷载产生超静孔隙压力。