CN109752238B - 考虑承压水地下连续墙成槽局部失稳模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种考虑承压水地下连续墙成槽局部失稳模型试验装置，包括前侧为有机玻璃的模型箱主体、气压控制系统、泥浆作用控制系统、数据采集系统，通过在模型箱的上部加载板堆载重物施加力以模拟不同深度的土层，在左侧通过气压控制系统形成承压水层，在右侧通过气压控制系统模拟不同高度泥浆液面形成的泥浆支护压力，泥浆作用控制系统保证砂土形成承压水层之后再通过主动控制使之与泥浆接触，数据采集系统用于采集试验所需的数据，并可通过有机玻璃和高清数码相机结合PIV图像处理技术观察试验过程中土层变形的发展情况。本发明具有操作方便、构造简单、控制精确的优点。

Description

考虑承压水地下连续墙成槽局部失稳模型试验装置

技术领域

本发明涉及一种岩土工程模型试验装置，特别涉及一种考虑承压水地下连续墙成槽局部失稳模型试验装置。

背景技术

深基坑地下连续墙施工过程中广泛采用泥浆护壁技术，而槽壁稳定需要泥浆对槽壁的静水压力与地层土压力之间力的平衡来维持，当这种平衡不能满足时，就会造成槽壁整体失稳破坏或者局部坍塌。因而工程界一般认为成槽阶段是地下连续墙施工过程中最易发生失稳破坏的阶段。而一旦事故发生，往往会造成不可挽回的损失。在局部砂性较重的承压水层，局部失稳极容易发生，因此对考虑承压水地下连续墙成槽局部稳定性进行试验模拟就显得十分必要和紧迫。

试验难点在于如何形成承压水层和模拟不同深度的泥浆支护压力，并通过主动控制使承压水层与泥浆接触。这是本申请需要着重改善的地方。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种控制精确的考虑承压水地下连续墙成槽局部失稳模型试验装置。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种考虑承压水地下连续墙成槽局部失稳模型试验装置，包括：

模型箱，其前侧为开口玻璃窗，其上部设有左、中、右开口，所述中开口用于注入和填充试验材料，水和泥浆分别通过左、右开口注入模型箱内；上部加载板设置在中开口区以模拟不同深度的土层；左盖板和右盖板在加压时密封模型箱；第一气压计、第二气压计分别用于测量水和泥浆液面以上的气压；

气压控制系统用于控制模型箱内的水压以模拟承压水层，并用于控制模型箱内的泥浆压力以模拟不同高度泥浆液面形成的泥浆支护压力；

所述泥浆作用控制系统用于控制泥浆与砂土的接触；

所述数据采集系统，包括孔隙水压力计、第一薄膜压力传感器和第二薄膜压力传感器，所述孔隙水压力计被埋设在模型箱中砂土内用于测定砂土的孔隙水压力；所述第一薄膜压力传感器被安置在砂土层底部，用于测定砂土的竖向应力；所述第二薄膜压力传感器被固定在泥浆作用控制系统的挡板左侧并与砂土直接接触，用于测定砂土的水平应力；

通过以上的装置进行模拟试验，使泥浆与砂土逐渐接触，从而对砂土施加泥浆支护压力，通过有机玻璃和高清数码相机结合PIV图像处理技术观察试验过程中土层变形的发展情况。

所述气压控制系统包括第一空气压缩机、第一球阀、第一气体减压阀、第二空气压缩机、第二球阀、第二气体减压阀以及通气管，所述通气管一端与分别第一空气压缩机、第二空气压缩机的输出端连接，另一端分别通过左盖板和右盖板连接模型箱；所述第一球阀和第二球阀安装在通气管上以控制气管的开关；所述第一气体减压阀和第二气体减压阀安装在通气管上以控制和稳定气压。

所述泥浆作用控制系统包括挡板、连杆、滑动腔室、活塞、活塞杆、变速器和电机马达，所述挡板在砂土右侧用于隔离泥浆，挡板刚性连接右侧的活塞，所述滑动腔室在模型箱的右侧，活塞滑动连接在滑动腔室内形成活塞结构，活塞右侧固定有活塞杆，所述变速器安装在电机马达上用于调节输出速度，电机马达与电源的总可控开关连接，一齿条与变速器的变速齿轮啮合实现转动转化为直线运动，齿条的顶部作用在活塞底部的活塞杆上，推动活塞滑动，挡板左侧的砂土随活塞的右移使泥浆和砂土充分接触，泥浆支护压力作用在砂土上。

所述数据采集系统还包括支架、LED灯照明和高清数码相机，所述支架固定在模型箱有机玻璃开窗的前侧，LED灯照明和高清数码相机安装在支架上用于拍摄试验过程。

本发明的优越功效在于：通过在模型箱主体的上部加载板堆载重物或施加力以模拟不同深度的土层，在左侧通过气压控制系统形成承压水层，在右侧通过气压控制系统模拟不同高度泥浆液面形成的泥浆支护压力，泥浆作用控制系统使砂土形成承压水层之后再通过主动控制使之与泥浆接触，数据采集系统采集试验过程中的数据，并通过有机玻璃和高清数码相机结合PIV图像处理技术观察试验过程中土层变形的发展情况，具有操作方便、构造简单、控制精确的优点。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的正视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的B结构剖视图。

图中标号说明:

0－模型箱； 1－第一空气压缩机；

2－第一球阀； 3－第一气体减压阀；

4－第一气压计； 5－第二空气压缩机；

6－第二球阀； 7－第二气体减压阀；

8－第二气压计； 9－左盖板；

10－右盖板； 11－上部加载板；

12－孔隙水压力计； 13－第一薄膜压力传感器；

14－挡板； 15－连杆；

16－滑动腔室； 17－活塞；

18－活塞杆； 19－变速器；

20－电机马达； 21－第二薄膜压力传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

图1示出了本发明实施例的正视图，图2示出了本发明实施例的俯视图，图3示出了图1中B部的结构示意图。如图1-图3所示，本发明提供了一种考虑承压水地下连续墙成槽局部失稳模型试验装置，包括：

模型箱0，其前侧为开口玻璃窗，其上部设有左开口、中开口、右开口。所述中开口用于注入和填充试验材料，所述试验材料包括不透水黏土、砂土、泥浆和水，模型箱0中部由下至上依次填充不透水黏土、砂土和不透水黏土。模型箱0左部注入水，模型箱0右部注入泥浆。上部加载板11设置在中开口区以模拟不同深度的土层；左盖板9和右盖板10在加压时密封模型箱0；

气压控制系统用于控制模型箱内的水压以模拟承压水层，并用于控制模型箱内的泥浆压力以模拟不同高度泥浆液面形成的泥浆支护压力。

所述气压控制系统包括第一空气压缩机1、第一球阀2、第一气体减压阀3、第二空气压缩机5、第二球阀6、第二气体减压阀7以及通气管路。第一空气压缩机1置于模型箱0的左侧，通过管路使第一空气压缩机1的输出对接模型箱0上部的左侧开口，用于对水施加压力形成承压水层；第一空气压缩机1与电源的总可控开关相连以控制压缩机的开启和关闭。在管路上由左到右依次布置了第一球阀2和第一气体减压阀3用于控制气压，手动操作第一球阀2实现进气管道的开启和关闭。第二空气压缩机5置于模型箱0的右侧，通过管路使第二空气压缩机5的输出对接模型箱0上部的右侧开口，用于对泥浆施加压力形成对砂土的泥浆支护压力；第二空气压缩机5与电源的总可控开关相连以控制压缩机的开启和关闭。在管路上由右到左依次布置了第二球阀6和第二气体减压阀7用于控制气压，手动操作第二球阀6实现进气管道开启和关闭。

所述泥浆作用控制系统用于控制泥浆与砂土的接触。所述泥浆作用控制系统包括挡板14、连杆15、滑动腔室16、活塞17、活塞杆18、变速器19和电机马达20，所述挡板14在砂土右侧用于隔离泥浆，挡板14刚性连接右侧的活塞17，所述滑动腔室16在模型箱0的右侧，活塞17滑动连接在滑动腔室16内形成活塞结构，活塞17右侧固定有活塞杆18，所述变速器19安装在电机马达20上用于调节输出速度，电机马达20与电源的总可控开关连接，一齿条与变速器19的变速齿轮啮合实现转动转化为直线运动，齿条的顶部作用在活塞17底部的活塞杆18上，推动活塞17滑动，挡板14左侧的砂土随活塞17的右移使泥浆和砂土充分接触，泥浆支护压力作用在砂土上。

所述数据采集系统，包括孔隙水压力计12、第一薄膜压力传感器13和第二薄膜压力传感器21，所述孔隙水压力计12被埋设在模型箱0中砂土内用于测定砂土的孔隙水压力；所述第一薄膜压力传感器13被安置在砂土层底部，用于测定砂土的竖向应力；所述第二薄膜压力传感器21被固定在泥浆作用控制系统的挡板14左侧并与砂土直接接触，用于测定砂土的水平应力。

所述数据采集系统还包括支架、LED灯照明和高清数码相机，所述支架固定在模型箱有机玻璃开窗的前侧，LED灯照明和高清数码相机安装在支架上用于拍摄记录整个的试验过程。

通过以上的装置进行模拟试验，使泥浆与砂土逐渐接触，从而对砂土施加泥浆支护压力，通过有机玻璃和高清数码相机结合PIV图像处理技术观察试验过程中土层变形的发展情况，具体步骤如下：

第一、清洗模型箱0，尤其是其玻璃使之达到良好的可视度。固定安装好泥浆作用控制系统，安装好挡板14左侧的第二薄膜压力传感器21，并通过主动控制挡板14移动前泥浆不会与砂土接触；

第二、先将一定厚度的不透水黏土填入模型箱0底部，然后在其顶部放置第一薄膜压力传感器13，再将砂土填入模型箱0中部并放置好若干孔隙水压力计12，然后再填入一定厚度的不透水黏土，并安装好上部加载板11。从模型箱0左侧开口加入足够量的水并密封左盖板9并连接第一空气压缩机1。从模型箱右侧开口加入足够量的泥浆并密封右盖板10并连接第二空气压缩机5。确认模型箱0内部各个组件连接正常，各个接口处无漏水、漏气现象；

第三、通过堆载重物或施加力对上部加载板11施加压力，使得第一薄膜压力传感器13达到预定数值并保持稳定；

第四、开启气压控制系统的电源，打开第一球阀2，调节第一气体减压阀3，开始对水施加气压，在第一气压计4和砂土内孔隙水压力计12的数值达到稳定状态时，即达到试验预想模拟的初始状态；接着打开第二球阀6，调节第二气体减压阀7，开始对泥浆施加气压，在第二气压计8达到稳定状态时，即达到对砂土施加泥浆支护压力前的模拟状态；

第五、开始模拟试验，调整变速器19达到预设的情况，启动电机马达20，通过活塞17的移动带动挡板14平移，使得泥浆与砂土主动接触从而对砂土施加泥浆支护压力。此时记录土体位移变形的变化情况，通过PIV技术对数码相机拍摄的数据进行分析得到应变的变化情况。

以上所述仅为本发明的优先实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内之内。

Claims (4)

1.一种考虑承压水地下连续墙成槽局部失稳模型试验装置，其特征在于，包括：

模型箱，其前侧为开口玻璃窗，其上部设有左、中、右开口，所述中开口用于注入和填充试验材料，水和泥浆分别通过左、右开口注入模型箱内；上部加载板设置在中开口区以模拟不同深度的土层；左盖板和右盖板在加压时密封模型箱；第一气压计、第二气压计分别用于测量水和泥浆液面以上的气压；

气压控制系统用于控制模型箱内的水压以模拟承压水层，并用于控制模型箱内的泥浆压力以模拟不同高度泥浆液面形成的泥浆支护压力；

所述泥浆作用控制系统包括挡板、连杆、滑动腔室、活塞、活塞杆、变速器和电机马达，用于控制泥浆与砂土的接触；所述挡板在砂土右侧用于隔离泥浆，挡板刚性连接右侧的活塞，所述滑动腔室在模型箱的右侧，活塞滑动连接在滑动腔室内形成活塞结构，活塞右侧固定有活塞杆，所述变速器安装在电机马达上用于调节输出速度，一齿条与变速器的变速齿轮啮合实现转动转化为直线运动，齿条的顶部作用在活塞底部的活塞杆上，推动活塞滑动，挡板左侧的砂土随活塞的右移使泥浆和砂土充分接触，泥浆支护压力作用在砂土上；

所述数据采集系统，包括孔隙水压力计、第一薄膜压力传感器和第二薄膜压力传感器，所述孔隙水压力计被埋设在模型箱中砂土内用于测定砂土的孔隙水压力；所述第一薄膜压力传感器被安置在砂土层底部，用于测定砂土的竖向应力；所述第二薄膜压力传感器被固定在泥浆作用控制系统的挡板左侧并与砂土直接接触，用于测定砂土的水平应力；

通过以上的装置进行模拟试验，步骤如下：

第一、清洗模型箱，固定安装好泥浆作用控制系统，挡板移动前泥浆不会与砂土接触；

第二、先将一定厚度的不透水黏土填入模型箱底部，然后在其顶部放置第一薄膜压力传感器，再将砂土填入模型箱中部并放置好若干孔隙水压力计，然后再填入一定厚度的不透水黏土，并安装好上部加载板；从模型箱左侧开口加入足够量的水密封，并连接气压控制系统；从模型箱右侧开口加入足够量的泥浆密封，并连接气压控制系统；

第三、通过堆载重物或施加力对上部加载板施加压力，使得第一薄膜压力传感器达到预定数值并保持稳定；

第四、对水施加气压，在第一气压计和砂土内孔隙水压力计的数值达到稳定状态时，达到试验预想模拟的初始状态；对泥浆施加气压，在第二气压计达到稳定状态时，达到对砂土施加泥浆支护压力前的模拟状态；

第五、开始模拟试验，调整变速器达到预设的情况，启动电机马达，通过活塞的移动带动挡板平移，使得泥浆与砂土主动接触从而对砂土施加泥浆支护压力，此时记录土体位移变形的变化情况，通过PIV技术对数码相机拍摄的数据进行分析得到应变的变化情况。

2.根据权利要求1所述的考虑承压水地下连续墙成槽局部失稳模型试验装置，其特征在于：所述气压控制系统包括第一空气压缩机、第一球阀、第一气体减压阀、第二空气压缩机、第二球阀、第二气体减压阀以及通气管，所述通气管一端与分别第一空气压缩机、第二空气压缩机的输出端连接，另一端分别通过左盖板和右盖板连接模型箱；所述第一球阀和第二球阀安装在通气管上以控制气管的开关；所述第一气体减压阀和第二气体减压阀安装在通气管上以控制和稳定气压。

3.根据权利要求1所述的考虑承压水地下连续墙成槽局部失稳模型试验装置，其特征在于：电机马达与电源的总可控开关连接。

4.根据权利要求1所述的考虑承压水地下连续墙成槽局部失稳模型试验装置，其特征在于：所述数据采集系统还包括支架、LED灯照明和高清数码相机，所述支架固定在模型箱有机玻璃开窗的前侧，LED灯照明和高清数码相机安装在支架上用于拍摄试验过程。

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