CN110887954A - 一种可控制土洞形成过程的物理模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控制土洞形成过程的物理模拟实验装置及方法，所述实验装置主要包括土洞模拟箱、渗流模拟装置、重力模拟装置；实验过程中通过调节渗流模拟装置的供水塔的水头高度提供水渗流力，利用重力模拟装置的传输带的摩擦模拟自重应力，作用于土洞模拟箱中的岩土体，模拟有覆盖土的岩溶发育区，岩面以上的土体在自重应力、地下水渗流力因素影响下，遭到流失迁移至岩溶通道，而形成土中洞穴的过程。本试验装置结构简单，成本低廉，本实验方法操作方法简便，用土量少，适合多种条件组合下多次重复实验，并能实现单一变量对土洞形成变形规律的影响效应，对研究岩溶地面塌陷防治措施有着重要的理论及工程意义。

Description

一种可控制土洞形成过程的物理模拟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土室内物理模拟实验技术领域，具体是涉及一种可控制土洞形成过程的物理模拟实验装置及方法。

背景技术

土洞是在有覆盖土的岩溶发育区，岩面以上的土体在自重应力、地下水渗流力等因素影响下，遭到流失迁移而形成土中的洞穴。其形成需有易被潜蚀的土层，其下有排泄、储存潜蚀物的岩溶通道。土洞是岩溶的一种隐蔽的不良地质现象，洞穴不断向地面扩张后顶板失稳产生塌落或引发地面变形沉陷，最终可能形成地质灾害或是工程事故。大量工程实践证明，土洞形成与发展的过程是岩溶地面塌陷的前期阶段或者说是孕育阶段，更是岩溶地面塌陷监测预警的关键时期。因此讨论土洞发育规律，对研究岩溶塌陷防治措施有着重要的理论及工程意义。

通过室内模型试验可模拟土洞导致地面变形的过程和规律，同时室内模型试验也是验证土洞形成过程的理论分析和数值模拟是否合理的方法之一。以往研究地面变形的物理模型往往只能观测到地表变形结果，不能实时捕捉到在自重应力和渗流力作用在土体时，土层内部土洞发育和演化的过程。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供了一种可控制土洞形成过程的物理模拟实验装置及方法。

本发明的技术方案是：

一种可控制土洞形成过程的物理模拟实验装置，包括渗流模拟装置、重力模拟装置和土洞模拟箱；

所述渗流模拟装置主要包括供水塔、与供水塔底部引出的导管相连通的泄水口、用于调节所述泄水口高度的高度调节装置、从所述供水塔底部引出的导水管、设在所述导水管上的渗流阀门及垂直安装于导水管上的观测管；

所述高度调节装置具体包括一个滑轮和一个绕过该滑轮的拉伸，拉伸一端固定在导管上端，另一端为自由端，通过拉动拉绳的自由端可带动导管上升或下降，从而控制泄水口13的高度，进一步控制水头高度h。

所述供水塔固定，所述供水塔底部通过进水阀门与自来水管相连；

打开进水阀门，自来水注入供水塔，使得供水塔内水位抬升，再通过调节泄水口的高度和进水量，模拟水位变化，维持渗流水压恒定后即可在观测管中读出水压；

所述重力模拟装置包括实验台、位于所述实验台两端的滚筒、绕过所述滚筒并与滚筒组成一个联动装置的传输带、用于为滚筒提供驱动力的驱动电机以及用于调节驱动电机的功率以进一步控制传输带的移动速度的驱动电机调节开关；所述实验台后端设有用于调整实验台倾角的千斤顶；

所述土洞模拟箱为长方体形，顶部为可拆卸透明板，前端为可拆卸挡板，所述挡板上开设有挡板出口，可根据实验需要更换挡板出口的大小和位置，土洞模拟箱后端连接所述渗流模拟装置的导水管，土洞模拟箱后端通过固定绳固定，所述重力模拟装置的传输带穿过土洞模拟箱的底部。土洞模拟箱内土体因渗流或是自重随传输带一起运动时，挡板阻止了这种运动。挡板出口用来模拟运移土洞内潜蚀物的岩溶通道。

进一步地，在上述方案中，所述导管为软管，能够通过所述高度调节装置控制导管的提升和降低。

进一步地，在上述方案中，所述驱动电机安装于实验台内且位于所述滚筒及传输带所包围形成的空间内。

进一步地，在上述方案中，所述导水管通过若干个支管与所述土洞模拟箱后端连接。用于分散供水，能够更加精确的模拟渗流过程。

进一步地，在上述方案中，所述土洞模拟箱后端的固定绳上设有用于记录模拟箱受力情况的拉力计。

进一步地，在上述方案中，所述土洞模拟箱为正四棱柱形，底边长为1.5m。

进一步地，在上述方案中，所述可拆卸透明板材质为透明亚克力板。拆卸下来方便箱内填土，安装上试验时便于观察土体变化。

进一步地，在所述土洞模拟箱前侧的实验台下方还设有水槽，用于收集从土洞模拟箱内流出来的水及土壤。

本发明还可包括其他辅助设施如照相机等录像设施，可用于对所模拟的土洞形成过程的记录。

一种控制土洞形成过程的物理模拟实验方法，主要包括以下步骤：

S1、通过千斤顶调整实验台倾角，关闭土洞模拟箱的挡板出口，在挡板与传输带接触处涂抹凡士林，起到一定密封作用；在土洞模拟箱内根据实验方案分层填土；利用重力模拟装置的传输带运动一段距离后停止，模拟土层在自然重力下的状态，然后打开挡板出口；

S2、模拟土洞形成过程的渗流场和重力场耦合；根据耦合方式不同分为两种方法，一种是渗流-重力顺序耦合法，另一种是渗流-重力完全耦合法；

S21、所述渗流-重力顺序耦合法具体为：通过将单渗流场分析和单重力场分析按照顺序进行多次循环来实现的，即：

S211、模拟重力场：先开启驱动电机带动传输带移动，利用重力模拟装置先模拟土层在重力下的状态后，停止摩擦；

S212、模拟渗流过程：再调节固定泄水口的高度，打开渗流阀门，土洞模拟箱开始进水，模拟渗流过程，在土体饱水或有一定变化后，关闭渗流阀门；

S213、循环上述S21和S22的操作；

S22、所述渗流-重力完全耦合法具体为：在一次单独的分析中同时考虑渗流场和重力场的相互作用，即：

同时打开渗流阀门和驱动电机，土洞模拟箱内渗流进水的同时传输带进行移动，渗流场和重力场共同作用，观察土体变化规律，观察过程中可随时停止传输带和关闭进水开关。

进一步地，所述实验台的倾角调节范围为0-45°。

进一步地，可更换不同的传输带使摩擦系数可调。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

第一，本试验装置结构简单，成本低廉，操作方法简便，用土量少，适合多种条件组合下多次重复实验，以便得出土洞发育规律。

第二，传输带运动可以随意控制，即摩擦力可随时出现或消失，能够直接连续地观察到模型的整个破坏过程。

第三，本装置利用供水塔水头高度h的变化模拟地下水水位变化，利用传输带与土体的摩擦力模拟岩土体自重应力，从而实现渗流和重力耦合模拟，并使其影响因素可控。

第四，可通过调整模拟箱挡板缺口数量尺寸，实验台倾斜角度，更换传输带调整摩擦系数，调整水头高度等模拟不同条件下土洞演化规律，实现单一变量对土洞形成变形规律的影响效应。

第五，本发明可以作为验证土洞形成理论分析和数值模拟是否合理的方法，对研究岩溶地面塌陷防治措施有着重要的理论及工程意义。

附图说明

图1是本发明实验装置的整体结构示意图；

图2是本发明的土洞模拟箱和实验台的俯视示意图；

图3是本发明的土洞模拟箱和实验台的主视示意图；

其中，1-渗流模拟装置、11-供水塔、12-导管、13-泄水口、14-高度调节装置、141-滑轮、142-拉绳、15-导水管、16-渗流阀门、17-观测管、18-进水阀门、2-重力模拟装置、21-实验台、22-滚筒、23-传输带、24-驱动电机、25-千斤顶、3-土洞模拟箱、31-可拆卸透明板、32-挡板、33-挡板出口、34-拉力计、4-水槽。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本发明进行更进一步详细的说明：

实施例1

如图1所示的一种可控制土洞形成过程的物理模拟实验装置，包括渗流模拟装置1、重力模拟装置2和土洞模拟箱3；

所述渗流模拟装置1主要包括供水塔11、与供水塔11底部引出的导管12相连通的泄水口13、用于调节所述泄水口13高度的高度调节装置14、从所述供水塔11底部引出的导水管15、设在所述导水管15上的渗流阀门16及垂直安装于导水管15上的观测管17；所述导管12为软管，能够通过所述高度调节装置14控制导管12的提升和降低；所述高度调节装置14具体包括一个滑轮141和一个绕过该滑轮的拉伸142，拉伸一端固定在导管上端，另一端为自由端，通过拉动拉绳的自由端可带动导管上升或下降，从而控制泄水口13的高度，进一步控制水头高度h。

所述供水塔11固定，所述供水塔11底部通过进水阀门18与自来水管相连；

打开进水阀门18，自来水注入供水塔11，使得供水塔11内水位抬升，再通过调节泄水口13的高度和进水量，模拟水位变化，维持渗流水压恒定后即可在观测管17中读出水压；

所述重力模拟装置2包括实验台21、位于所述实验台21两端的滚筒22、绕过所述滚筒22并与滚筒22组成一个联动装置的传输带23、用于为滚筒22提供驱动力的驱动电机24以及用于调节驱动电机24的功率以进一步控制传输带23的移动速度的驱动电机调节开关；所述驱动电机24安装于实验台21内且位于所述滚筒22及传输带23所包围形成的空间内；所述实验台21后端设有用于调整实验台21倾角的千斤顶25；

所述土洞模拟箱3为正四棱柱形，底边长为1.5m，顶部为可拆卸透明板31，其材质为透明亚克力板，拆卸下来方便箱内填土，安装上试验时便于观察土体变化。前端为可拆卸挡板32，所述挡板32上开设有挡板出口33，可根据实验需要更换挡板出口的大小和位置，土洞模拟箱3后端连接所述渗流模拟装置1的导水管15，所述导水管15通过若干个支管151与所述土洞模拟箱3后端连接，用于分散供水，能够更加精确的模拟渗流过程。土洞模拟箱3后端通过固定绳固定，并连接有用于记录模拟箱受力情况的拉力计34，所述重力模拟装置2的传输带23穿过土洞模拟箱3的底部。土洞模拟箱3内土体因渗流或是自重随传输带23一起运动时，挡板32阻止了这种运动。挡板出口33用来模拟运移土洞内潜蚀物的岩溶通道。

在土洞模拟箱3前侧的实验台下方还设有水槽4，用于收集从土洞模拟箱3内流出来的水及土壤。

还可包括其他辅助设施如照相机等录像设施，可用于对所模拟的土洞形成过程的记录。

实施例2

利用实施例1的实验装置模拟土洞形成过程，单独模拟重力场，具体步骤为：

S1、通过千斤顶25调整实验台21处于水平位置，选择传输带23的摩擦系数为0.6，关闭土洞模拟箱3的挡板出口33，在挡板32与传输带23接触处涂抹凡士林，起到一定密封作用；在土洞模拟箱3内根据实验方案分层填土；利用重力模拟装置2的传输带23运动0.3m的距离后停止，模拟土层在自然重力下的状态，然后打开挡板出口；

S2、模拟土洞形成过程的重力场：关闭渗流装置，只开动重力模拟装置，开启驱动电机24带动传输带23移动，利用重力模拟装置2先模拟土层在重力下的状态后，停止摩擦。

实施例3

利用实施例1的实验装置模拟土洞形成过程，模拟渗流-重力顺序耦合法，具体步骤为：

S1、通过千斤顶25调整实验台21倾角至30°，选择传输带23的摩擦系数为0.6，关闭土洞模拟箱3的挡板出口33，在挡板32与传输带23接触处涂抹凡士林，起到一定密封作用；在土洞模拟箱3内根据实验方案分层填土；利用重力模拟装置2的传输带23运动0.5m的距离后停止，模拟土层在自然重力下的状态，然后打开挡板出口；

S2、模拟土洞形成过程的渗流-重力顺序耦合，通过将单渗流场分析和单重力场分析按照顺序进行多次循环来实现的，即：

S211、模拟重力场：先开启驱动电机24带动传输带23移动，利用重力模拟装置2先模拟土层在重力下的状态后，停止摩擦；

S212、模拟渗流过程：再调节固定泄水口13的高度，打开渗流阀门16，土洞模拟箱3开始进水，模拟渗流过程，在土体饱水或有一定变化后，关闭渗流阀门16；

S213、循环上述S21和S22的操作。

实施例4

利用实施例1的实验装置模拟土洞形成过程，模拟渗流-重力完全耦合法，具体步骤为：

S1、通过千斤顶25调整实验台21倾角至45°，选择传输带23的摩擦系数为0.8，关闭土洞模拟箱3的挡板出口33，在挡板32与传输带23接触处涂抹凡士林，起到一定密封作用；在土洞模拟箱3内根据实验方案分层填土；利用重力模拟装置2的传输带23运动1m的距离后停止，模拟土层在自然重力下的状态，然后打开挡板出口；

S2、模拟土洞形成过程的渗流-重力完全耦合法，在一次单独的分析中同时考虑渗流场和重力场的相互作用，即：

同时打开渗流阀门16和驱动电机24，土洞模拟箱3内渗流进水的同时传输带23进行移动，渗流场和重力场共同作用，观察土体变化规律，观察过程中可随时停止传输带和关闭进水开关。

Claims (10)

1.一种可控制土洞形成过程的物理模拟实验装置，其特征在于，包括渗流模拟装置(1)、重力模拟装置(2)和土洞模拟箱(3)；

所述渗流模拟装置(1)主要包括供水塔(11)、与供水塔(11)底部引出的导管(12)相连通的泄水口(13)、用于调节所述泄水口(13)高度的高度调节装置(14)、从所述供水塔(11)底部引出的导水管(15)、设在所述导水管(15)上的渗流阀门(16)及垂直安装于导水管(15)上的观测管(17)；

所述供水塔(11)固定，所述供水塔(11)底部通过进水阀门(18)与自来水管相连；

所述重力模拟装置(2)包括实验台(21)、位于所述实验台(21)两端的滚筒(22)、绕过所述滚筒(22)并与滚筒(22)组成一个联动装置的传输带(23)、用于为滚筒(22)提供驱动力的驱动电机(24)以及用于调节驱动电机(24)的功率以进一步控制传输带(23)的移动速度的驱动电机调节开关；所述实验台(21)后端设有用于调整实验台(21)倾角的千斤顶(25)；

所述土洞模拟箱(3)为长方体形，顶部为可拆卸透明板(31)，前端为可拆卸挡板(32)，所述挡板(32)上开设有挡板出口(33)，土洞模拟箱(3)后端连接所述渗流模拟装置(1)的导水管(15)，土洞模拟箱(3)后端通过固定绳固定，所述重力模拟装置(2)的传输带(23)穿过土洞模拟箱(3)的底部。

2.根据权利要求1所述的一种可控制土洞形成过程的物理模拟实验装置，其特征在于，所述导管(12)为软管，能够通过所述高度调节装置(14)控制导管(12)的提升和降低。

3.根据权利要求1所述的一种可控制土洞形成过程的物理模拟实验装置，其特征在于，所述驱动电机(24)安装于实验台(21)内且位于所述滚筒(22)及传输带(23)所包围形成的空间内。

4.根据权利要求1所述的一种可控制土洞形成过程的物理模拟实验装置，其特征在于，所述导水管(15)通过若干个支管(151)与所述土洞模拟箱(3)后端连接。

5.根据权利要求1所述的一种可控制土洞形成过程的物理模拟实验装置，其特征在于，所述土洞模拟箱(3)后端的固定绳上设有用于记录模拟箱受力情况的拉力计(34)。

6.根据权利要求1所述的一种可控制土洞形成过程的物理模拟实验装置，其特征在于，所述土洞模拟箱(3)为正四棱柱形，底边长为1.5m。

7.根据权利要求1所述的一种可控制土洞形成过程的物理模拟实验装置，其特征在于，所述可拆卸透明板(31)材质为透明亚克力板。

8.利用权利要求1-7任意一项所述的装置进行土洞形成过程的物理模拟实验方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

S1、通过千斤顶(25)调整实验台(21)倾角，关闭土洞模拟箱(3)的挡板出口(33)，在挡板(32)与传输带(23)接触处涂抹凡士林；在土洞模拟箱(3)内根据实验方案分层填土；利用重力模拟装置(2)的传输带(23)运动一段距离后停止，模拟土层在自然重力下的状态，然后打开挡板出口；

S2、模拟土洞形成过程的渗流场和重力场耦合；根据耦合方式不同分为两种方法，一种是渗流-重力顺序耦合法，另一种是渗流-重力完全耦合法；

S21、所述渗流-重力顺序耦合法具体为：通过将单渗流场分析和单重力场分析按照顺序进行多次循环来实现的，即：

S211、模拟重力场：先开启驱动电机(24)带动传输带(23)移动，利用重力模拟装置(2)先模拟土层在重力下的状态后，停止摩擦；

S212、模拟渗流过程：再调节固定泄水口(13)的高度，打开渗流阀门(16)，土洞模拟箱(3)开始进水，模拟渗流过程，在土体饱水或有一定变化后，关闭渗流阀门(16)；

S213、循环上述S21和S22的操作；

S22、所述渗流-重力完全耦合法具体为：在一次单独的分析中同时考虑渗流场和重力场的相互作用，即：

同时打开渗流阀门(16)和驱动电机(24)，土洞模拟箱(3)内渗流进水的同时传输带(23)进行移动，渗流场和重力场共同作用，观察土体变化规律，观察过程中可随时停止传输带和关闭进水开关。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述实验台(21)的倾角调节范围为0-45°。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，可更换不同的传输带(23)使摩擦系数可调。

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