CN109440836B - 一种可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置及方法，其特征在于：它包括模型箱，稳压真空泵，土壤水分传感器，激光位移传感器，PIV测试系统，供水系统，电机控制系统，轴承传动系统；通过在模型箱支承滑轨上设置螺纹孔，可实现挡土墙后填料为有限和无限宽度；通过稳压真空泵控制填料的基质吸力，同时基于土壤水分传感器可时时监测填料含水量的迁移变化；通过激光位移传感器可监控挡土墙运动过程的位移变化；通过电机控制系统可实现挡土墙足够缓慢的运动，以模拟实际工程中挡土墙的位移变化过程；通过轴承传动系统实现挡土墙不同的位移模式，以模拟实际工程中挡土墙的不同破坏模式。

Description

一种可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置及方法

技术领域：

本发明涉及一种挡土墙试验装置，尤其涉及一种可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置及方法。

背景技术：

自然界中浅层土体均处于非饱和状态，如何考虑基质吸力对土压力的影响是亟需解决的问题，目前非饱和土压力研究均是基于理论求解及现场监测，很少有模型试验研究，而模型试验中大多是采用先配置一定含水量的填料土样，再通过静力或动力击实方法分层击实填料，然而这种方法获得的非饱和土样，其基质吸力分布并非均匀的，原因在于土样击实过程中，击实上层土样时，下层土样会在上层传递的动力作用下出现脱水，致使填料土样出现了基质吸力的非均质性。相反，一般采用砂雨法制备干砂样可获得均质土样。

同时基质吸力控制一般采用两种方式：一种是采用悬挂柱法，即通过控制U型管液面低于土样高度形成负压，使土样本身在压差作用下吸收水分，最终达到平衡状态时负压为基质吸力；另一种是采用轴平移技术，该方法需要借助高进气值陶土板进水不进气特性，施加的气压便为基质吸力。但对于模型试验而言，悬挂柱法由于施加基质吸力力的范围只有1-40kPa，并且难以在模型试验中操作，并且耗时过长，而轴平移技术难以获得满足模型尺寸的高进气值陶土板，上述两种方法均无法在模型试验中应用。因而有必要开发一种可调控填料基质吸力的备样试验方法，并且把该方法应用到挡土墙模型试验中，以研究基质吸力对挡土墙土压力影响，同时也可为工程设计和相关模型试验研究提供一种有效手段。

发明内容：

为解决上述技术问题，本发明提出一种可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置及方法。本发明能够有效控制制备土样的基质吸力，特别地，这套装置及方法可以用于分析在各种位移模式及有限及无限填料宽度下基质吸力对挡土墙土压力分布的影响。

为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：

一种可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置，包括模型箱1-1，模型箱1-1上部连通有稳压真空泵1-10；模型箱1-1内安装有竖向设置的挡土墙1-3；挡土墙1-3一侧安装有压力检测装置并与模型箱1-1侧壁之间填充有填料；挡土墙1-3另一侧连接有横向平移结构；填料下方固定有可关闭多孔板1-7，可关闭多孔板1-7下方安装有可控温加热管1-12；模型箱可关闭多孔板1-7下方的模型箱1-1部分连通有供水系统；模型箱1-1上成形有冷空气入口1-15和冷空气出口1-16；冷空气入口1-15和冷空气出口1-16均安装有阀门；填料内安装有土壤水分传感器1-2。

进一步的改进，还包括PIV测试系统，所述PIV测试系统包括工业相机5-1，工业相机5-1点连接有计算机5-2。

进一步的改进，所述横向平移结构包括轴承传动系统和电机控制系统；所述轴承传动系统包括与挡土墙1-3轴接的螺纹丝杆3-3，螺纹丝杆3-3连接有电动机2-1，电动机2-1电连接电机控制系统的伺服驱动器2-5，伺服驱动器2-5电连接有单轴脉冲控制器2-4；螺纹丝杆3-3上螺纹连接有活动套3-2，活动套3-2与挡土墙1-3之间铰接有可拆卸支承钢杆3-1。

进一步的改进，所述电动机2-1通过法兰板2-3连接有减速机2-2，减速机2-2与螺纹丝杆3-3相连，配合螺纹丝杆3-3安装有激光位移传感器1-6。

进一步的改进，所述填料上方固定有铜丝网1-11，铜丝网1-11的孔径小于填料的颗粒径粒。

进一步的改进，所述供水系统包括供水箱4-8，供水箱4-8通过管道与模型箱1-1底部连通，管道上安装有水阀4-2。

进一步的改进，所述供水箱4-8连通有供水瓶4-7；供水箱4-8和供水瓶4-7之间安装有电磁阀4-6，电磁阀4-6电连接有控制箱4-5，控制箱4-5电连接有处于供水箱4-8内的液位控制器4-4。

进一步的改进，所述供水箱4-8底部连通有烧瓶4-3，烧瓶4-3连通有水银压差计4-9。

进一步的改进，所述稳压真空泵1-10通过可控温加热管1-12与模型箱1-1连通；可控温加热管1-12上安装有聚氟乙烯滤纸1-13；所述基质为沙土。

一种可调控基质吸力的挡土墙模型试验方法，包括如下步骤：

步骤一、关闭模型箱1-1中的可关闭多孔板1-7，用螺栓固定挡土墙1-3上下侧，采用砂雨法配置干填料，高度由所需的土样密实度确定；

步骤二、调整基质吸力阶段：

密封模型箱1-1上部分，同时接入稳压真空泵1-10，并设定好真空度，开启可关闭多孔板1-7，接入供水系统，开启可调控温加热管1-12；

步骤三、稳定基质吸力阶段：

记录土壤水分传感器1-2读数，直至稳定不变，且水银压差计4-9读数不变，关闭稳压真空泵1-10，闭合可关闭多孔板1-7，开启冷空气入口1-15和冷空气出口1-16，直至土壤水分传感器1-2读数不变，记录此时的读数。

步骤四：挡土墙1-3发生位移阶段：

关闭冷空气出口和冷空气入口，启动电机系统和PIV测试系统，记录土壤水分传感器1-2读数变化并存储，记录挡土墙1-3位移变化过程。

本发明的优点在于：

1.通过稳压真空泵控制真空度以调整模型箱中的负压差，使水分在压差作用下发生迁移。

2.模型箱底部装有可控温加热管，可升高水温，提高水分的自由能，降低水的粘度，加速水分扩散。

3.特制模型中通入冷空气可使填料土样中的水分冷凝成液态水。

4.电机控制系统可控制挡土墙低速位移，同时可模拟挡土墙不同的位移模式，包括平动T，绕墙顶RT，绕墙底转动RB。

5.挡土墙位于模型箱滑轨不同的位置可模拟挡土墙后两种不同填料的宽度，包括有限和无限填料。

6.解决非饱和填料采用湿样(配置一定含水量)分层击实难以获得均质填料，或采用湿样砂雨法难以大面积实施的难题。

附图说明

图1为本发明的一种可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置图；

图2为电机控制系统结构示意图；

图3为轴承传动系统结构示意图；

图4为供水系统结构示意图；

图5为PIV测试系统结构示意图；

主要附图标记说明：

图中1-1模型箱；1-2土壤水分传感器；1-3挡土墙；1-4；微型土压力盒；1-5法兰圈；1-6激光位移传感器；1-7可关闭多孔板；1-8土工织物；1-9快插接头1；1-10稳压真空泵；1-11铜丝网；1-12可控温加热管；1-13聚氟乙烯滤纸；1-14交叉钢杆；1-15冷空气入口；1-16冷空气出口；2-1电动机；2-2减速机；2-3法兰板；2-4单轴脉冲控制器；2-5伺服驱动器；3-1可拆卸支承钢杆；3-2活动套；3-3螺纹丝杆；3-4联轴器；3-5滚珠轴承；3-6铰接螺栓1；3-7铰接螺栓2；4-1快插接头2；4-2水阀；4-3烧瓶；4-4液位控制器；4-5控制箱；4-6电磁阀；4-7供水瓶；4-8供水箱；4-9水银压差计；5-1工业相机；5-2计算机；5-3支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实验方式对本发明作进一步说明：

如图1所示的一种可模拟干湿循环及地下水共同作用的挡土墙模型试验装置及方法，包括模型箱、稳压真空泵、土壤水分传感器、激光位移传感器、PIV测试系统、电机控制系统、轴承传动系统、供水系统。

图1中，模型箱1-1由有机空玻璃和方钢通过螺栓拼接而成，两者之间的缝隙可以通过建筑胶填充；模型箱上下部采用法兰圈1-5对接，法兰圈1-5与模型箱1-1上下部钢架通过螺栓连接。

图2中，电机控制系统中减速机2-2一端通过联轴器3-4与螺纹丝杆3-3连接，另一端与电动机2-1通过法兰板2-3对接，电动机2-1和单轴脉冲控制器2-4的控制端均连接在伺服驱动器2-5上。

图3中，轴承传动系统中可拆卸支撑钢杆3-1一端通过铰接螺栓1 3-6连接在活动套3-2上，另一端连接固定于挡土墙1-3中部的铰接螺栓2 3-7上；螺纹丝杆3-3一端与减速机2-2通过联轴器3-4相连，另一端支承载滚珠轴承3-5上，滚珠轴承3-5可以焊接在模型箱1-1的交叉钢杆1-12上。

图4中，PIV测试系统中工业相机5-1正对挡土墙1-3，并将拍摄图片传输至计算机5-2经过计算机编程处理后可获得填料的变形和应变。

图5中，供水系统中液位控制器4-4、电磁阀4-6与控制箱4-5连接并受其控制，其中电磁阀4-6控制补水瓶4-7中水是否下落，补水瓶4-7与供水箱4-8相连，用于控制供水箱4-8液面与模型箱1-1中可关闭多孔板1-7高度齐平，水银压差计4-9用于测量模型箱1-1中土样基质吸力水平。

图1中，稳压真空泵1-10可与模型箱1-1通过快插接口1 1-9连接，快插接口11-9上密封有聚氟乙烯滤纸1-13,通过调整稳压真空泵1-10的真空度值可控制填料土体的基质吸力。

图1中，供水系统与模型箱1-1底部通过导水管连接。微型土压力盒1-4埋置在挡土墙1-3墙面预留的孔洞中，并利用结构胶填充缝隙。

上述可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置及方法，包括如下步骤：

参考图1，关闭模型箱1-1中可关闭多孔板1-7，用螺栓固定挡土墙1-3上下侧，以一定高度采用砂雨法配置干填料，高度由所需的土样密实度确定。

调整基质吸力阶段，

具体地，密封模型箱1-1上部分，同时接入稳压真空泵1-10，并设定好真空度，开启可关闭多孔板1-7，接入供水系统，开启可调控温加热管1-12。

稳定基质吸力阶段，

具体地，记录土壤水分传感器1-2读数，直至稳定不变，且水银压差计4-9读数不变，关闭稳压真空泵1-10，闭合可关闭多孔板1-7，开启冷空气入口1-15和出口1-16一段时间，直至土壤水分传感器1-2读数不变，记录此时的读数。

挡土墙1-3发生位移阶段，

具体地，关闭冷空气出口和入口，启动电机系统和PIV测试系统，记录土壤水分传感器1-2读数变化并存储，记录挡土墙1-3位移变化过程。

本发明适用于砂土。

上述实施例仅仅是本发明的一个实施方式，对其进行的简单替换等也均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置，其特征在于：包括模型箱(1-1)，模型箱(1-1)上部连通有稳压真空泵(1-10)；模型箱(1-1)内安装有竖向设置的挡土墙(1-3)；挡土墙(1-3)一侧安装有压力检测装置并与模型箱(1-1)侧壁之间填充有填料；挡土墙(1-3)另一侧连接有横向平移结构；填料下方固定有可关闭多孔板(1-7)，可关闭多孔板(1-7)下方安装有可控温加热管(1-12)；模型箱可关闭多孔板(1-7)下方的模型箱(1-1)部分连通有供水系统；模型箱(1-1)上成形有冷空气入口(1-15)和冷空气出口(1-16)；冷空气入口(1-15)和冷空气出口(1-16)均安装有阀门；填料内安装有土壤水分传感器(1-2)。

2.如权利要求1所述的可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置，其特征在于，还包括PIV测试系统，所述PIV测试系统包括工业相机(5-1)，工业相机(5-1)点连接有计算机(5-2)。

3.如权利要求1所述的可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置，其特征在于，所述横向平移结构包括轴承传动系统和电机控制系统；所述轴承传动系统包括与挡土墙(1-3)轴接的螺纹丝杆(3-3)，螺纹丝杆(3-3)连接有电动机(2-1)，电动机(2-1)电连接电机控制系统的伺服驱动器(2-5)，伺服驱动器(2-5)电连接有单轴脉冲控制器(2-4)；螺纹丝杆(3-3)上螺纹连接有活动套(3-2)，活动套(3-2)与挡土墙(1-3)之间铰接有可拆卸支承钢杆(3-1)。

4.如权利要求3所述的可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置，其特征在于，所述电动机(2-1)通过法兰板(2-3)连接有减速机(2-2)，减速机(2-2)与螺纹丝杆(3-3)相连，配合螺纹丝杆(3-3)安装有激光位移传感器(1-6)。

5.如权利要求1所述的可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置，其特征在于，所述填料上方固定有铜丝网(1-11)，铜丝网(1-11)的孔径小于填料的颗粒径粒。

6.如权利要求1所述的可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置，其特征在于，所述供水系统包括供水箱(4-8)，供水箱(4-8)通过管道与模型箱(1-1)底部连通，管道上安装有水阀(4-2)。

7.如权利要求6所述的可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置，其特征在于，所述供水箱(4-8)连通有供水瓶(4-7)；供水箱(4-8)和供水瓶(4-7)之间安装有电磁阀(4-6)，电磁阀(4-6)电连接有控制箱(4-5)，控制箱(4-5)电连接有处于供水箱(4-8)内的液位控制器(4-4)。

8.如权利要求6所述的可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置，其特征在于，所述供水箱(4-8)底部连通有烧瓶(4-3)，烧瓶(4-3)连通有水银压差计(4-9)。

9.如权利要求1所述的可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置，其特征在于，所述稳压真空泵(1-10)可与模型箱(1-1)通过快插接口(11-9)连接，快插接口(11-9)上密封有聚氟乙烯滤纸(1-13)。

10.如权利要求1所述的可调控基质吸力的挡土墙模型试验装置，其特征在于，包括如下使用步骤：

步骤一、关闭模型箱(1-1)中的可关闭多孔板(1-7)，用螺栓固定挡土墙(1-3)上下侧，采用砂雨法配置干填料，高度由所需的土样密实度确定；

步骤二、调整基质吸力阶段：

密封模型箱(1-1)上部分，同时接入稳压真空泵(1-10)，并设定好真空度，开启可关闭多孔板(1-7)，接入供水系统，开启可调控温加热管(1-12)；

步骤三、稳定基质吸力阶段：

记录土壤水分传感器(1-2)读数，直至稳定不变，且水银压差计(4-9)读数不变，关闭稳压真空泵(1-10)，闭合可关闭多孔板(1-7)，开启冷空气入口(1-15)和冷空气出口(1-16)，直至土壤水分传感器(1-2)读数不变，记录此时的读数；

步骤四：挡土墙(1-3)发生位移阶段：

关闭冷空气出口和冷空气入口，启动电机系统和PIV测试系统，记录土壤水分传感器(1-2)读数变化并存储，记录挡土墙(1-3)位移变化过程。

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