CN110333334A - 模拟填方工程界面浸水变形失稳的物理模型试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模拟填方工程界面浸水变形失稳的物理模型试验装置，模型箱前侧设有开口玻璃窗，用于观察模型箱内的状况；模型箱用于填充试验材料，试验材料包括梯形状岩石、黄土、重塑土和水；喷淋控制组件用于模拟模型箱内的降水情况和地下水入渗情况；温度控制组件用于控制黄土的温度和模拟填方工程时的温度；数据采集系统用于采集试验数据；控制模块用于连接各个组件；本发明的喷淋控制系统通过模拟降雨喷头、模拟地下水入渗喷头与电动球阀可根据实际情况调整降雨量与地下水水位上升量，从而设计试验方案，更好地模拟降雨条件及地下水入渗条件下填方工程界面浸水变形失稳的现象，具有操作方便、构造简单和控制精确等特点。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程模型试验装置技术领域，具体涉及一种模拟填方工程界面浸水变形失稳的物理模型试验装置。
背景技术
非饱和黄土常具有明显的湿陷性，是干旱、半干旱地区工程建设中经常遇到的问题土。我国是世界上黄土分布面积最广的国家，河南省就分布有大面积、大厚度的非饱和黄土，特别在豫西洛阳、三门峡等地区，黄土覆盖厚度从几米到上百米，其中湿陷性黄土占比达到60％左右，黄土分布区气候干旱，导致黄土具有低含水量、大孔隙度和碳酸盐含量高等特征，因此天然状态下的黄土虽然强度较高，压缩性小，但在一定压力下，湿陷性黄土遇水会发生崩解、湿陷，将导致建筑物、市政管道出现不同程度的倾斜、变形、构件破坏事故，严重影响着填方工程的安全。
目前对于填方工程中黄土湿陷性的研究主要集中于如何解决其填方过程中路基基底处理、强夯消除湿陷性等方面，较少关注岩土工程领域中可能出现的填方界面浸水变形失稳破坏问题。考虑到填方工程成本高、施工难度大，一旦发生界面浸水变形失稳破坏现象，将会造成人员伤亡和大量的财产损失，并且可能引发一系列不可逆的生态污染。这些后果应引起广泛关注，对于界面浸水变形失稳的研究迫在眉睫。
在大范围、超高填方工程中，由于持续强降雨和复杂渗流场变化，导致界面浸水变形失稳机理十分复杂。近些年国内外学者对传统岩土工程中黄土湿陷变形现象的研究有了长足的发展，多采用数值模拟、基于经典土力学理论中的解析方法和试验研究，对于填方工程界面浸水变形方面缺乏相关的研究。模型试验通过适当的缩尺比例能够直观地模拟土体的工作状态，进而获得相关的数据。要考虑持续强降雨和地下水位上升条件下的填方工程界面浸水变形失稳就必须能够控制降水量、地下水入渗量和黄土温度，目前国内外还没有研制出有关的试验模型装置。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种考虑降雨和地下水入渗条件下的模拟填方工程界面浸水变形失稳的物理模型试验装置。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种模拟填方工程界面浸水变形失稳的物理模型试验装置，其包括：模型箱、喷淋控制组件、温度控制组件、数据采集组件和控制模块。
其中，模型箱前侧设有开口玻璃窗，用于观察模型箱内的状况；模型箱上侧设有开口和上盖，上盖用于打开或闭合开口，开口用于填充试验材料，试验材料包括梯形状岩石、黄土、重塑土和水，梯形状岩石竖向布置在模型箱内右侧，黄土斜向布置在梯形状岩石的梯形面上，重塑土布置在模型箱内左侧；喷淋控制组件用于模拟模型箱内的降水情况和地下水入渗情况；温度控制组件用于控制黄土的温度和模拟填方工程时的温度；数据采集系统用于采集试验数据；控制模块包括微控制器、与微控制器相接的显示屏，并用于协调各组件工作。
优选地，喷淋控制组件包括电动泵、水箱、第一电动球阀、第二电动球阀、第三电动球阀、第四电动球阀、模拟降雨喷头、模拟地下水入渗喷头和水管，水箱和模型箱通过水管连通，电动泵设置在水箱上并用于将水箱内的水泵入模型箱内，第一电动球阀设置在与模型箱连接的管路上以控制水管的开关，第二电动球阀设置在模型箱的底部水管与顶部水管的分叉处以控制水流的方向，第三电动球阀设置在与模拟地下水入渗喷头相接的管路上以控制模拟地下水入渗喷头的水流大小，第四电动球阀设置在与模拟降雨喷头相接的管路上以控制模拟降雨喷头的水流大小；所述第一电动球阀、第二电动球阀、第三电动球阀、第四电动球阀的输入端均与微控制器相连，且电动球阀型号均为JG90-Q-1/2-DX-MF3-50-J-10。
优选地，温度控制组件包括加热棒和温度传感器；加热棒埋设在黄土内并用于黄土加热；温度传感器埋设在黄土内并用于测量黄土的温度，型号为pt-100；加热棒与微控制器相连，以用于控制加热棒的开关以及功率；温度传感器与微控制器相连，以用于实时监测、反馈试验过程中黄土的温度变化。
优选地，数据采集组件包括前位移计和后位移计，前位移计设于黄土上，后位移计设于梯形状岩石的斜面上，前位移计用于测量黄土与重塑土交界面的位移量，后位移计用于测量黄土与梯形状岩石交界面的位移量，前位移计和后位移计的输出端均与微控制器相连，两者读数之差即为黄土的压缩量。
前位移计和后位移计均为VWD型振弦式位移计。
优选地，数据采集组件包括监控系统，监控系统包括支架、LED照明灯、数码相机和监测点，支架设于模型箱的开口玻璃窗的前侧，LED照明灯和数码相机安装在支架上用于拍摄记录试验过程，监测点用于记录土体位移，监测点沿高度均匀布置4排于观测窗一侧，每排布置3个观测点。
优选地，微控制器为STM32F103VET6微控制器，IO口较多，便于传感器组连接，功耗低，且内含ADC模块，减少外围电路设计。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
第一、本发明的物理模型试验装置中喷淋控制系统通过模拟降雨喷头、模拟地下水入渗喷头与电动球阀可根据实际情况调整降雨量与地下水水位上升量，从而设计试验方案，更好地模拟降雨条件及地下水入渗条件下填方工程界面浸水变形失稳的现象，具有操作方便、构造简单和控制精确等特点。
第二、本发明的物理模型试验装置中温度控制系统通过分布在黄土内部的加热棒，能够精确地控制黄土的温度变化，因此这样可根据实际情况加热黄土，从而更好地模拟填方工程界面浸水变形过程中温度的变化情况。
第三、本发明的物理模型试验装置中模型箱前侧为有机玻璃，通过监测系统可以很清晰地观察土体的变化，可视化程度高，因此通过监视系统采集图像信息可以完整地记录实验过程中土体发生的变化。
第四、本发明的物理模型试验装置中数据采集系统采用监测点配合数码相机的方式记录土体变形，当土体发生变形时，监测点也随之移动，移动轨迹由数码相机记录下来，因而能得到试验过程中完整的变化过程。
附图说明
图1为本发明的模拟填方工程界面浸水变形失稳的物理模型试验装置的结构示意图。
图2为本发明中图1的A-A结构剖视图。
图3为本发明中图1的B-B结构剖视图。
图4为本发明中图1的C结构剖视图。
图5为本发明中图1的D结构剖视图。
图6为本发明的电路原理框图。
附图标记：0-模型箱，1-梯形状岩石，2-黄土，3-重塑土，4-电动泵，5-水箱，6-第一电动球阀，7-第二电动球阀，8-第三电动球阀，9-第四电动球阀，10-模拟降雨喷头，11-模拟地下水入渗喷头，12-显示屏，13-加热棒，14-前位移计，15-温度传感器，16-后位移计，17-监测点，18-支架，19-LED照明灯，20-数码相机，21-微控制器。
具体实施方式
本发明提供了一种模拟填方工程界面浸水变形失稳的物理模型试验装置。
如图1所示，本发明的模拟填方工程界面浸水变形失稳的物理模型试验装置包括：模型箱0、喷淋控制组件、温度控制组件、数据采集组件和控制模块；模型箱0前侧设有开口有机玻璃窗，从而方便对模型箱0内的土体进行观察；模型箱0上侧设有开口和上盖，上盖用于打开或闭合开口，从而方便填充试验材料和对装置的各个组件进行装配和调试；模型箱0内侧放置试验材料，其包括由右至左依次填充的梯形状岩石1、黄土2和重塑土3，梯形状岩石1竖向布置在模型箱0内右侧，黄土2斜向布置在梯形状岩石1的梯形面上，重塑土3布置在模型箱0内左侧；喷淋控制组件用于模拟模型箱0内的降水情况和地下水入渗情况；温度控制组件用于控制黄土2的温度和模拟填方工程时的温度；数据采集系统用于采集试验数据；控制模块包括微控制器21、与微控制器21相接的显示屏12，控制模块用于控制各个组件一同工作。
如图2所示，喷淋控制组件包括电动泵4、水箱5、第一电动球阀6、第二电动球阀7、第三电动球阀8、第四电动球阀9、模拟降雨喷头10、模拟地下水入渗喷头11和相关水管，水箱5和模型箱0通过水管连通，电动泵4和水箱5置于模型箱0的一侧，具体地，电动泵4设置在水箱5上并用于将水箱5内的水泵入模型箱0内，通过相关管道使水箱5的输出端与模拟降雨喷头10、模拟地下水入渗喷头11相连，电动泵4与电源的总可控开关相连并用于控制电动泵4的开启和关闭；在管路上由左至右依次布置第一电动球阀6、第二电动球阀7、第三电动球阀8和第四电动球阀9，第一电动球阀6设置在与模型箱0连接的管路上以控制水管的开关并用于控制水箱5的进出水，第二电动球阀7设置在模型箱0的底部水管与顶部水管的分叉处以控制水流的方向，第三电动球阀8设置在与模拟地下水入渗喷头11相接的管路上以控制模拟地下水入渗喷头11的水流大小，第四电动球阀9设置在与模拟降雨喷头10相接的管路上以控制模拟降雨喷头10的水流大小，如图6所示，第一电动球阀6、第二电动球阀7、第三电动球阀8、第四电动球阀9的输入端均与微控制器21相连，且电动球阀型号均为JG90-Q-1/2-DX-MF3-50-J-10。
如图3所示，温度控制组件包括加热棒13和温度传感器15；加热棒13埋设在黄土2内并用于黄土2加热；温度传感器15埋设在黄土2内并用于测量黄土2的温度，型号为pt-100；加热棒13的输入端与微控制器21相连，以用于控制加热棒13的开关以及功率；所述温度传感器15的输入端与微控制器21相连，以用于实时监测、反馈试验过程中黄土2的温度变化。
如图4所示，数据采集组件包括前位移计14和后位移计16，前位移计14设于黄土2上，后位移计16设于梯形状岩石1的斜面上，前位移计14用于测量黄土2与重塑土3交界面的位移量，后位移计16用于测量黄土2与梯形状岩石1交界面的位移量，前位移计14和后位移计16的输出端均与微控制器21相连，两者读数之差即为黄土的压缩量，当两者读数之差为正时，表明黄土层受到压缩，层厚变小；当两者读数之差为负时，表明黄土层发生膨胀，层厚变大；当两者读数之差为零时，表明黄土层未发生变形，前位移计14和后位移计16的读数之差与黄土2层厚的比值即可视为黄土层的应变大小，所述前位移计14和后位移计16均为VWD型振弦式位移计。
如图5所示，数据采集组件又称拍摄组件，其包括监控系统，监控系统包括支架18、LED照明灯19、数码相机20和监测点17，支架18设于模型箱0的开口玻璃窗的前侧，LED照明灯19和数码相机20安装在支架18上用于拍摄记录试验过程，监测点17随着土体的变形而移动并用于完整记录变形的过程，监测点17沿高度均匀布置4排于观测窗一侧，每排布置3个观测点。
微控制器21为STM32F103VET6微控制器，IO口较多，便于传感器组连接，功耗低，且内含ADC模块，减少外围电路设计。
本发明的模拟填方工程界面浸水变形失稳的物理模型试验装置的操作过程包括如下步骤：
步骤一，清洗模型箱0，尤其是其玻璃使之达到良好的可视度，之后将完整的梯形状岩石1布置在模型箱0的右侧，在梯形状岩石1的斜面上布置若干后位移计16，梯形状岩石1的斜面上覆盖一定厚度的黄土2，黄土2内插入加热棒13和温度传感器15，然后在黄土2上布置若干前位移计14，模型箱0左侧填入一定量的重塑土3，在模型箱0上方和下方布置水管与各个电动球阀，向水箱5加入足够量水，确保模型箱0内部各个组件连接正常，各个接口处无漏水现象。
步骤二，开启喷淋控制组件和温度控制组件的电源，开启监视系统，确保各个系统能够正常运转，此时为状态1。
步骤三，开始模拟试验，打开第一电动球阀6，打开第二电动球阀7使水流流入模型箱0上方水管开始对黄土2进行降雨，从而模拟降雨条件下填方工程界面浸水变形情况，前位移计14与后位移计16将分别记录黄土2与重塑土3交界面的位移量、黄土2与梯形状岩石1交界面的位移量，通过第四电动球阀9控制模拟降雨喷头10的水量大小，直至土体发生变形失稳破坏。
步骤四，恢复至状态1，开始模拟试验，打开第一电动球阀6，打开第二电动球阀7使水流流入模型箱0下方水管开始对黄土2进行地下水入渗，从而模拟地下水水位抬升条件下填方工程界面浸水变形情况，前位移计14与后位移计16将分别记录黄土2与重塑土3交界面的位移量、黄土2与梯形状岩石1交界面的位移量，通过第三电动球阀8控制模拟地下水入渗喷头11的水量大小，直至土体发生变形失稳破坏。
步骤五，恢复至状态1，开始模拟试验，打开第一电动球阀6，打开第二电动球阀7使水流同时流入模型箱0下方与上方水管开始对黄土2进行地下水入渗与降雨，从而模拟降雨和地下水水位抬升条件下填方工程界面浸水变形情况，前位移计14与后位移计16将分别记录黄土2与重塑土3交界面的位移量、黄土2与梯形状岩石1交界面的位移量，通过第三电动球阀8控制模拟地下水入渗喷头11的水量大小，通过第四电动球阀9控制模拟降雨喷头10的水量大小，直至土体发生变形失稳破坏。
在步骤三、步骤四和步骤五中监视系统记录土体位移变形的变化情况，通过PIV技术对数码相机20拍摄的数据进行分析，可以得到各个监测点17在很短时间间隔内的位移，即可以代表各个监测点17处土颗粒的位移。
根据黄土层压缩量与监测点出土颗粒的位移变化情况，得到不同降雨、地下水条件下填方工程界面浸水变形失稳破坏规律，为相关工程实施做出指导。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种模拟填方工程界面浸水变形失稳的物理模型试验装置，其特征在于：其包括：模型箱(0)、喷淋控制组件、温度控制组件、数据采集组件和控制模块；
所述模型箱(0)前侧设有开口玻璃窗，用于观察所述模型箱(0)内的状况；所述模型箱(0)上侧设有上盖，用于打开或闭合开口；所述模型箱(0)内侧放置梯形状岩石(1)、黄土(2)和重塑土(3)，所述梯形状岩石(1)竖向布置在所述模型箱(0)内右侧，所述黄土(2)斜向布置在所述梯形状岩石(1)的梯形面上，所述重塑土(3)布置在所述模型箱(0)内左侧；
所述喷淋控制组件用于模拟所述模型箱(0)内的降水情况和地下水入渗情况；
所述温度控制组件用于控制所述黄土(2)的温度和模拟填方工程时的温度；
所述数据采集系统用于采集试验数据；
所述控制模块包括微控制器(21)、与微控制器(21)相接的显示屏(12)，并用于协调各组件的工作。
2.根据权利要求1所述的模拟填方工程界面浸水变形失稳的物理模型试验装置，其特征在于：喷淋控制组件包括电动泵(4)、水箱(5)、第一电动球阀(6)、第二电动球阀(7)、第三电动球阀(8)、第四电动球阀(9)、模拟降雨喷头(10)、模拟地下水入渗喷头(11)和水管，所述水箱(5)和所述模型箱(0)通过所述水管连通，所述电动泵(4)设置在所述水箱(5)上并用于将所述水箱(5)内的水泵入所述模型箱(0)内，所述第一电动球阀(6)设置在与所述模型箱(0)连接的管路上以控制水管的开关，所述第二电动球阀(7)设置在所述模型箱(0)的底部水管与顶部水管的分叉处以控制水流的方向，所述第三电动球阀(8)设置在与模拟地下水入渗喷头(11)相接的管路上以控制模拟地下水入渗喷头(11)的水流大小，所述第四电动球阀(9)设置在与模拟降雨喷头(10)相接的管路上以控制模拟降雨喷头(10)的水流大小，所述第一电动球阀(6)、第二电动球阀(7)、第三电动球阀(8)、第四电动球阀(9)的输入端均与微控制器(21)相连。
3.根据权利要求1所述的模拟填方工程界面浸水变形失稳的物理模型试验装置，其特征在于：所述温度控制组件包括加热棒(13)和温度传感器(15)；所述加热棒(13)埋设在黄土(2)内并用于黄土(2)加热；所述温度传感器(15)埋设在黄土(2)内并用于测量黄土(2)的温度；
所述加热棒(13)的输入端与微控制器(21)相连，以用于控制加热棒(13)的开关以及功率；所述温度传感器(15)的输入端与微控制器(21)相连，以用于实时监测、反馈试验过程中黄土(2)的温度变化。
4.根据权利要求1所述的模拟填方工程界面浸水变形失稳的物理模型试验装置，其特征在于：所述数据采集组件包括前位移计(14)和后位移计(16)，所示前位移计(14)设于所述黄土(2)上，所述后位移计(16)设于所述梯形状岩石(1)的斜面上，所述前位移计(14)用于测量黄土(2)与重塑土(3)交界面的位移量，所述后位移计(16)用于测量黄土(2)与梯形状岩石(1)交界面的位移量；所述前位移计(14)和后位移计(16)的输出端均与微控制器(21)相连，两者读数之差即为黄土的压缩量。
5.根据权利要求1所述的模拟填方工程界面浸水变形失稳的物理模型试验装置，其特征在于：
所述数据采集组件包括监控系统，所述监控系统包括支架(18)、LED照明灯(19)、数码相机(20)和监测点(17)，所述支架(18)设于模型箱(0)的开口玻璃窗的前侧，所述LED照明灯(19)和数码相机(20)安装在所述支架(18)上用于拍摄记录试验过程，所述监测点(17)用于记录土体位移，所述监测点(17)沿高度均匀布置4排于观测窗一侧，每排布置3个观测点。
6.根据权利要求1所述的模拟填方工程界面浸水变形失稳的物理模型试验装置，其特征在于：所述微控制器(21)为STM32F103VET6微控制器，IO口较多，便于传感器组连接，功耗低，且内含ADC模块，减少外围电路设计。
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