CN110164281A - 一种模拟台风暴雨条件下土体崩解特性的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟台风暴雨条件下土体崩解特性的实验装置及方法，该实验装置包括模拟台风暴雨实验装置、量测装置、集液槽和用于放置土体试样的放样网板，模拟台风暴雨实验装置包括高位水箱、控制阀、流量计、配水管、配水支管网和多个洒水喷头，高位水箱经配水管连接配水支管网，各洒水喷头分布于配水支管网上，以在洒水时模拟降雨，控制阀和流量计设于配水管上，放样网板位于洒水范围内且通过吊绳吊设于实验支架下，量测装置的采集单元设于吊绳上，以采集土体试样的变化数据，集液槽位于放样网板下侧，以收集实验过程中土体试样崩解产生的土壤与水的混合液体。该实验装置及方法有利于模拟台风暴雨条件，揭示土体崩解特性。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程土工实验技术领域，具体涉及一种模拟台风暴雨条件下土体崩解特性的实验装置及方法。
背景技术
土体的崩解性，又称土体湿化性，是指土样遇水湿化后，由于土粒间的结构联结和强度丧失，使土体崩散解体的特性。土的崩解性可用崩解所需时间、崩解速度、崩解量和崩解方式来说明。
中国东南沿海是中国遭受台风灾害影响最严重的地区之一，台风带来的暴雨型地质灾害是该地区发生频率最高、影响范围最大的岩土工程问题。根据建国以来东南沿海台风登陆引起的最大日降雨量统计数据，70%台风能造成暴雨，日降雨量一般在100~400mm/d，最大日降达1000mm，受台风影响严重的浙江沿海地区最大日降雨量一般都高于200mm/d，过程降雨量在300mm 以上。一般中期出现降水峰值，峰值前期降水快速增加，后期降水缓慢下降，降雨周期为3~6d，出现暴雨的天数一般为1~3d，极大值为1h左右。
由于台风暴雨型地质灾害具有群发性、爆发性强、位置不确定性等特点，容易造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失。同时，花岗岩残积土是中国东南沿海地区广泛分布的一种带有典型性质的一种土体，为燕山期花岗岩类岩石在湿热条件下经长期物理、化学作用形成并残留于原地，其成因决定了它具有别于其他土层的特性，其工程性能已越来越受到人们的关注。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟台风暴雨条件下土体崩解特性的实验装置及方法，该实验装置及方法有利于模拟台风暴雨条件，揭示土体崩解特性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种模拟台风暴雨条件下土体崩解特性的实验装置，包括模拟台风暴雨实验装置、量测装置、集液槽和用于放置土体试样的放样网板，所述模拟台风暴雨实验装置包括高位水箱、控制阀、流量计、配水管、配水支管网和多个洒水喷头，所述高位水箱经配水管连接配水支管网，所述各洒水喷头分布于配水支管网上，以在洒水时模拟降雨，所述控制阀和流量计设于配水管上，所述放样网板位于洒水范围内且通过吊绳吊设于实验支架下，所述量测装置的采集单元设于吊绳上，以采集土体试样的变化数据，所述集液槽位于放样网板下侧，以收集实验过程中土体试样崩解产生的土壤与水的混合液体。
进一步地，所述配水支管网上连接有末端试水装置，所述末端试水装置主要由与配水支管网连接的试水管，设于试水管上的压力表、试水控制阀、试水流量计和试水接头，以及设于试水接头出口处的雨量计组成。
进一步地，还包括备用水系统，所述备用水系统主要由备用水池，连接备用水池与配水管的连接管，设于连接管上的水泵、控制阀和流量计，以及用于控制水泵的水泵控制设备组成。
进一步地，所述量测装置主要由设于吊绳上的采集单元和通过数据线与其电性连接的计算机组成。
进一步地，所述实验装置包括多个量测装置，各量测装置具有不同的采集单元，所述放样网板和集液槽的数量与量测装置的数量相同。
进一步地，所述实验装置包括两个量测装置，其中一个量测装置的采集单元为测力计，另一个量测装置的采集单元为电子天平。
进一步地，所述放样网板为一圆形平板，所述圆形平板上开始有多个圆孔。
本发明还提供了一种模拟台风暴雨条件下土体崩解特性的实验方法，包括以下步骤：
步骤S1、安装调试模拟台风暴雨实验装置，根据待模拟区域设定时间内台风登陆引起的最大日降雨量统计数据，通过末端试水装置，以及不同的高位水箱高度，分别调试出模拟不同台风暴雨条件下不同的雨强降雨条件；
步骤S2、将采集单元分别为测力计和电子天平的两个量测装置与相应的放样网板、集液槽安装调试好；
步骤S3、将两个土体试样分别放置在两个放样网板上，通过两个量测装置采集并计算ΔF、F 0、ΔM、M 0，所述ΔF为放入第一土体试样前后测力计读数的变化值，所述F 0为放入第一土体试样后，实验开始时的测力计读数，所述ΔM为放入第二土体试样前后电子天平读数的变化值，所述M 0为放入第二土体试样后，实验开始时的电子天平读数；
步骤S4、启动模拟台风暴雨实验装置，并在实验过程中按一定的时间间隔自动实时同步记录两个量测装置的读数F t 、M t ，所述F t 为t时刻的测力计读数，M t 为t时刻的电子天平读数，直至土体试样完全通过放样网板；
步骤S5、剔除异常数据，联立式（1）、（2）、（3），计算得出土体试样的实验崩解量：
A t = (F 0 – F t ) /ΔF×100% （1）
B t = (M 0 – M t ) /ΔM×100% （2）
D t = (A t + B t ) / 2 （3）
其中，A t 为第一土体试样在t时刻的崩解量，B t 为第二土体试样在t时刻的崩解量，D t 为土体试样在t时刻的实验崩解量。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：提供了一种模拟台风暴雨条件下土体崩解特性的实验装置及方法，通过设计的模拟台风暴雨实验装置与量测装置、集液槽和用于放置土体试样的放样网板的配合工作，模拟了不同台风暴雨条件下不同的雨强降雨条件，在此基础上分析揭示花岗岩残积土的崩解特性，具有很强的实际意义。
附图说明
图1是本发明实施例的装置示意图。
图中：1—高位水箱，2—流量计，3—末端试水装置，4—备用水池，5—水泵，6—水泵控制设备，7—控制阀，8—水流指示器，9—配水管，10—配水支管网，11—洒水喷头，12—测力计，13—电子天平，14—放样网板，15—集液槽，16—数据线，17—计算机，18—压力表，19—试水接头，20—雨量计。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种模拟台风暴雨条件下土体崩解特性的实验装置，如图1所示，包括模拟台风暴雨实验装置、量测装置、集液槽15、用于放置土体试样的放样网板14、末端试水装置3和备用水系统。模拟台风暴雨实验装置包括高位水箱1、控制阀7、流量计2、配水管9、配水支管网10和多个洒水喷头11，高位水箱1经配水管9连接配水支管网10，各洒水喷头11分布于配水支管网10上，以在洒水时模拟降雨，控制阀7和流量计2设于配水管9上，放样网板14位于洒水范围内且通过吊绳吊设于实验支架下，量测装置的采集单元设于吊绳上，以采集土体试样的变化数据，集液槽15位于放样网板14下侧，以收集实验过程中土体试样崩解产生的土壤与水的混合液体，集中排出实验室，防止污染实验环境。末端试水装置3主要由与配水支管网10连接的试水管，设于试水管上的压力表18、试水控制阀7、试水流量计2和试水接头19，以及设于试水接头19出口处的雨量计20组成。备用水系统主要由备用水池4，连接备用水池4与配水管9的连接管，设于连接管上的水泵5、控制阀7和流量计2，以及用于控制水泵5的水泵控制设备6组成。
在本实施例中，实验装置包括两个量测装置，其中一个量测装置的采集单元为测力计12，另一个量测装置的采集单元为电子天平13，以实时同步获取实验过程中多个不同量纲维度的土体实验崩解特性，减小实验结果误差，测力计12和电子天平13分别通过数据线16与计算机17电性连接。放样网板14和集液槽15的数量与量测装置的数量相同。
在本实施例中，放样网板14为一圆形平板，圆形平板上开始有多个圆孔。圆形平板直径为12cm，平板上开设的圆孔孔径为5mm。
本发明还提供了上述实验装置对应的模拟台风暴雨条件下土体崩解特性的实验方法，包括以下步骤：
步骤S1、安装调试模拟台风暴雨实验装置，根据建国以来东南沿海台风登陆引起的最大日降雨量统计数据，通过末端试水装置，以及不同的高位水箱高度，分别调试出模拟不同台风暴雨条件下不同的雨强降雨条件，包括200mm/d，300mm/d，400mm/d，500mm/d，……，等。
步骤S2、将采集单元分别为测力计和电子天平的两个量测装置与相应的放样网板、集液槽安装调试好，以实时同步获取实验过程中力和质量的大小及变化。
步骤S3、将两个土体试样分别放置在两个放样网板上，通过两个量测装置采集并计算ΔF、F 0、ΔM、M 0，ΔF为放入第一土体试样前后测力计读数的变化值，F 0为放入第一土体试样后，实验开始时的测力计读数，ΔM为放入第二土体试样前后电子天平读数的变化值，M 0为放入第二土体试样后，实验开始时的电子天平读数。
其中，土体试样的制备方法为：取东南沿海工程场地的原位土，取样后立即通过薄膜密封，保持土体的天然特性。在实验室通过切土刀制备边长为5cm 的立方体试样。
步骤S4、启动模拟台风暴雨实验装置，并在实验过程中按一定的时间间隔（30s或1min）自动实时同步记录两个量测装置的读数F t 、M t ，F t 为t时刻的测力计读数，M t 为t时刻的电子天平读数，直至土体试样完全通过放样网板；
步骤S5、剔除异常数据，联立式（1）、（2）、（3），计算得出土体试样的实验崩解量：
A t = (F 0 – F t ) /ΔF×100% （1）
B t = (M 0 – M t ) /ΔM×100% （2）
D t = (A t + B t ) / 2 （3）
其中，A t 为第一土体试样在t时刻的崩解量，B t 为第二土体试样在t时刻的崩解量，D t 为土体试样在t时刻的实验崩解量。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种模拟台风暴雨条件下土体崩解特性的实验装置，其特征在于，包括模拟台风暴雨实验装置、量测装置、集液槽和用于放置土体试样的放样网板，所述模拟台风暴雨实验装置包括高位水箱、控制阀、流量计、配水管、配水支管网和多个洒水喷头，所述高位水箱经配水管连接配水支管网，所述各洒水喷头分布于配水支管网上，以在洒水时模拟降雨，所述控制阀和流量计设于配水管上，所述放样网板位于洒水范围内且通过吊绳吊设于实验支架下，所述量测装置的采集单元设于吊绳上，以采集土体试样的变化数据，所述集液槽位于放样网板下侧，以收集实验过程中土体试样崩解产生的土壤与水的混合液体。
2.根据权利要求1所述的一种模拟台风暴雨条件下土体崩解特性的实验装置，其特征在于，所述配水支管网上连接有末端试水装置，所述末端试水装置主要由与配水支管网连接的试水管，设于试水管上的压力表、试水控制阀、试水流量计和试水接头，以及设于试水接头出口处的雨量计组成。
3.根据权利要求1所述的一种模拟台风暴雨条件下土体崩解特性的实验装置，其特征在于，还包括备用水系统，所述备用水系统主要由备用水池，连接备用水池与配水管的连接管，设于连接管上的水泵、控制阀和流量计，以及用于控制水泵的水泵控制设备组成。
4.根据权利要求1所述的一种模拟台风暴雨条件下土体崩解特性的实验装置，其特征在于，所述量测装置主要由设于吊绳上的采集单元和通过数据线与其电性连接的计算机组成。
5.根据权利要求4所述的一种模拟台风暴雨条件下土体崩解特性的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括多个量测装置，各量测装置具有不同的采集单元，所述放样网板和集液槽的数量与量测装置的数量相同。
6.根据权利要求5所述的一种模拟台风暴雨条件下土体崩解特性的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括两个量测装置，其中一个量测装置的采集单元为测力计，另一个量测装置的采集单元为电子天平。
7.根据权利要求1所述的一种模拟台风暴雨条件下土体崩解特性的实验装置，其特征在于，所述放样网板为一圆形平板，所述圆形平板上开始有多个圆孔。
8.一种模拟台风暴雨条件下土体崩解特性的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、安装调试模拟台风暴雨实验装置，根据待模拟区域设定时间内台风登陆引起的最大日降雨量统计数据，通过末端试水装置，以及不同的高位水箱高度，分别调试出模拟不同台风暴雨条件下不同的雨强降雨条件；
步骤S2、将采集单元分别为测力计和电子天平的两个量测装置与相应的放样网板、集液槽安装调试好；
步骤S3、将两个土体试样分别放置在两个放样网板上，通过两个量测装置采集并计算ΔF、F 0、ΔM、M 0，所述ΔF为放入第一土体试样前后测力计读数的变化值，所述F 0为放入第一土体试样后，实验开始时的测力计读数，所述ΔM为放入第二土体试样前后电子天平读数的变化值，所述M 0为放入第二土体试样后，实验开始时的电子天平读数；
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D t = (A t + B t ) / 2 （3）
其中，A t 为第一土体试样在t时刻的崩解量，B t 为第二土体试样在t时刻的崩解量，D t 为土体试样在t时刻的实验崩解量。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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