CN111623720B - 一种用于室内黏性土piv模型试验的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于室内黏性土PIV模型试验的试验装置及试验方法，所述试验装置包括喷砂装置和模型箱，所述模型箱不具有上盖且至少一个侧面为透明，所述模型箱的内侧面上涂覆硅脂，所述模型箱的透明侧面上设有对照点和控制点，且对照点和控制点上均涂覆硅脂，所述模型箱内底部设有排水机构，所述模型箱内填充黏土，所述黏土置于排水机构上，所述黏土的上方设有加载机构；所述喷砂装置内设有示踪粒子，所述喷砂装置用于将示踪粒子喷至模型箱的透明侧面内表面的硅脂上。本发明所提供的试验装置操作简便，克服了黏性土PIV的试验示踪颗粒问题。本发明所提供的试验方法，设计合理，流程简单，便于操作，能够保证试验结果的准确性。

Description

一种用于室内黏性土PIV模型试验的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及岩土工程和室内试验相关技术领域，尤其是涉及一种用于室内黏性土PIV模型试验的试验装置及试验方法。

背景技术

颗粒图像测速技术（Particle Image Velocimetry，简称PIV），是一种基于图像分析的多点、瞬态和无接触的测速技术，广泛用于流体力学的试验中。PIV技术可在同一时间记录空间中大量粒子的速度，同时展现流场的空间结构以及分析粒子的流动特性，这是传统单点测速技术无法实现的。PIV技术在使用中，其速度场测量需要依靠示踪粒子，当示踪粒子的流动性足够高时，通过测量示踪粒子段在某一时间间隔△t内的位移矢量，就可以反映整个流场空间内各点真实的运动状态。

随着岩土工程的发展，PIV技术逐渐用于砂性土的室内模型试验，以获得土体在不同工况下的位移场和速度矢量，例如砂性土的基础与砂土的动静相互作用特性、基坑开挖和隧道开挖等研究。由于砂土本身颗粒较大（主要由砂粒组成粒径>0.075mm），直接采用高速相机可以直接捕捉砂粒的位移和速度矢量。而对于黏性土，主要由黏粒组成（粒径<0.005mm），其粒径较小，高速相机无法直接捕捉黏粒的位移和速度矢量，因此在研究黏性土的位移特性时，需要在黏性土中增加示踪粒子。

鉴于目前还未有专门针对室内黏性土PIV模型试验的试验装置和试验方法，因此，为了室内黏性土PIV模型试验的顺利开展，建立适用于室内黏性土PIV模型试验专门的试验装置以及试验方法，具有重要的科研意义。

发明内容

本发明的第一个目的在于一种用于室内黏性土PIV模型试验的试验装置，能够满足黏性土室内PIV模型试验的相关研究要求。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种用于室内黏性土PIV模型试验的试验装置，其特征在于：所述用于室内黏性土PIV模型试验的试验装置包括喷砂装置和模型箱，所述模型箱不具有上盖且至少一个侧面为透明，所述模型箱的内侧面上涂覆硅脂，所述模型箱的透明侧面上设有对照点和控制点，且对照点和控制点上均涂覆硅脂，所述模型箱内底部设有排水机构，所述排水机构用于将模型箱内黏土中的水从模型箱内排出，所述模型箱内填充黏土，所述黏土置于排水机构上，所述黏土的上方设有加载机构，所述加载机构用于给黏土施加向下的压力；所述喷砂装置内设有示踪粒子，所述喷砂装置用于将示踪粒子喷至模型箱的透明侧面内表面的硅脂上。

在采用以上技术方案的基础上，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案：所述喷砂装置包括气缸、活塞、轴杆、把手、漏斗、气动接头、硅胶圆管、封口盖；所述气缸内置活塞，所述气缸下部内侧设有气缸内螺纹，所述活塞的上端连接轴杆，所述轴杆的上端设有把手；所述漏斗的上部外侧设有漏斗外螺纹，所述漏斗的底端设有气动接头，所述气动接头内插入硅胶圆管，所述硅胶圆管的另一端设有封口盖。

作为本发明的优选技术方案：所述模型箱的透明侧面为有机玻璃面板，所述模型箱为钢制模型槽，所述钢制模型槽与有机玻璃面板相应的一侧设有螺栓孔，所述有机玻璃面板经螺栓与螺栓孔紧固于钢制模型槽上。

作为本发明的优选技术方案：所述排水机构包括砂砾排水层、土工布和排水阀，所述排水阀与砂砾排水层的侧面相连通且设置在模型箱的侧面上，所述砂砾排水层设置在模型箱内底部，所述砂砾排水层的顶部铺设土工布，所述土工布上装填黏土。

作为本发明的优选技术方案：所述加载机构包括加载板和加载重物，所述加载板设于模型箱的黏土顶部且完全覆盖黏土上表面，所述加载重物设于加载板上。

作为本发明的优选技术方案：所述示踪粒子为黑色粉砂或者黄色粉砂。

本发明还有一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种利用用于室内黏性土PIV模型试验的试验装置进行室内黏性土PIV模型试验的试验方法。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种利用用于室内黏性土PIV模型试验的试验装置进行室内黏性土PIV模型试验的试验方法，其特征在于：所述试验方法包括以下步骤：

步骤一，喷砂装置准备：

步骤101，将硅胶圆管插入漏斗底部的气动接头，将硅胶圆管端部安装上封口盖；

步骤102，向漏斗装入制备好的黑色粉砂；

步骤103，将漏斗和气缸通过漏斗外螺纹和气缸内螺纹进行紧固，形成一体；

步骤二，模型箱准备：

步骤201，卸除钢制模型槽上的螺栓，将有机玻璃面板卸下；

步骤202，在有机玻璃面板内表面贴上对照点和控制点，并在模型箱内侧面上涂抹上硅脂；

步骤203，按压步骤一形成的喷砂装置，将黑色粉砂均匀喷至有机玻璃面板内表面的硅脂表面上，如黏土本身为黑色，可直接选用黄色粉砂；

步骤204，将有机玻璃面板通过螺栓紧固于钢制模型槽；

步骤三，黏土样准备：

步骤301，在钢制模型槽底部铺设好砂砾排水层，同时铺设土工布；

步骤302，缓慢倒入搅拌好的黏土泥浆；

步骤303，吊装加载板至钢制模型槽顶面，放置于黏土泥浆上；

步骤304，将加载重物放置于加载板上，对黏土泥浆进行固结；

在步骤三中，可对模型箱中制备的黏土进行不同种类试验，通过在有机玻璃面板前放置高速摄像机，得到两张不同时刻照片黑色粉砂的位置移动，从而计算得到黑色粉砂的位移场和速度矢量场，反映黏土的变形情况，为室内模型试验提供黏土二维变形的量测方法。

本发明在采用上述技术方案的同时，还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案：步骤304中，粘着于有机玻璃面板的硅脂上的黑色粉砂，与倒入模型箱内的黏土紧密贴合，可以随着黏土固结一同运动。

作为本发明的优选技术方案：在步骤三中，黏土固结完成后，由于黑色粉砂已经与黏土紧密贴合，可以直接在有机玻璃面板前放置高速摄像机，通过捕捉黑色粉砂与对照点和控制点的位移，来测定黏土在不同试验工况下的位移场和速度矢量场，为室内模型试验提供可靠的土体变形数据，此外，黏土倒入钢制模型中的整个过程也可以在有机玻璃面板前放置高速摄像机，以捕捉黏土未固结以及固结过程中的位移场和速度矢量场。

本发明提供一种用于室内黏性土PIV模型试验的试验装置及试验方法，具有如下有益效果：

1、本发明所述漏斗底部具有气动接头，硅胶圆管可直接插入气动接头，气动接头的存在可以保证硅胶圆管外壁的密闭性，同时硅胶圆管底端具有封口盖，试验前可将黑色粉砂倒入漏斗中，封口盖的存在可保证漏斗中的黑色粉砂不漏撒，同时方便取用。

2、本发明通过所述气缸上的气缸内螺纹和漏斗上的漏斗外螺纹，使得气缸和漏斗完美连接，并且保证气缸和漏斗之间的密闭性良好，同时气缸上具有活塞装置，以上部件一同形成完整的喷砂装置；使用时，可以通过按压活塞上的把手，将漏斗中的黑色粉砂通过漏斗底部插着的硅胶圆管喷出，并且喷射出的黑色粉砂具有良好的均匀性。

3、本发明所述有机玻璃面板可拆卸，可通过螺栓和钢制模型槽上的螺栓孔紧固于钢制模型槽上，倒入黏土前即可将有机玻璃面板拆卸，并涂抹硅脂，放置对照点和控制点，通过喷砂装置将黑色粉砂均匀喷射至硅脂中，通过硅脂的黏性将黑色粉砂完全吸附，最后将有机玻璃面板重新紧固于钢制模型槽上，整个过程可在倒入黏土前实现，操作简便，同时硅脂又有较好的润滑性，在倒入黏土后，硅脂可以降低黏土与模型槽的摩阻力，同时通过随后的固结过程，可以将黑色粉砂与黏土的紧密贴合，实现黑色粉砂与黏土一同运动。

4、本发明所述黑色粉砂可以作为白色高岭土等浅色黏土的示踪颗粒，开展黏土PIV模型试验时，可以直接在有机玻璃面板前放置高速摄像机，通过捕捉黑色粉砂与对照点和控制点的位移，来测定浅色黏土（例如白色高岭土）在不同试验工况下，例如黏土未固结时、固结过程以及固结完成后的位移场和速度矢量场，为室内模型试验提供可靠的全过程土体变形数据。

综上所述，本发明结构简单、设计合理，所述漏斗底部具有气动接头，所述硅胶圆管可直接插入气动接头，气动接头的存在可以保证了硅胶圆管外壁的密闭性；同时硅胶圆管底端具有封口盖，封口盖的存在可保证漏斗中的黑色粉砂不漏撒，同时方便取用；通过气缸上的气缸内螺纹和漏斗上的漏斗外螺纹，使得气缸和漏斗完美连接，并且保证气缸和漏斗之间的密闭性良好，同时气缸上具有活塞，以上部件一同形成了完整的喷砂装置；有机玻璃面板可通过螺栓和钢制模型槽上的螺栓孔紧固于钢制模型槽上，倒入黏土前即可将有机玻璃面板拆卸，并涂抹硅脂，放置对照点和控制点，通过形成的喷砂装置将黑色粉砂均匀地喷射至硅脂中，通过硅脂的黏性将黑色粉砂完全吸附，最后将有机玻璃面板重新紧固于钢制模型槽上，整个过程可在倒入黏土前实现，操作简便；硅脂又有较好的润滑性，在倒入黏土后，硅脂可以降低黏土与模型槽的摩阻力，同时通过随后的固结过程，可以将黑色粉砂与黏土的紧密贴合，实现黑色粉砂与黏土一同运动，黑色粉砂即实现了作为白色高岭土等浅色黏土的示踪颗粒的能力；开展黏土PIV模型试验时，可以直接在有机玻璃面板前放置高速摄像机，通过捕捉黑色粉砂与对照点和控制点的位移，来测定浅色黏土（例如白色高岭土）在不同试验工况下，例如黏土未固结时、固结过程以及固结完成后的位移场和速度矢量场，为室内模型试验提供可靠的全过程土体变形数据。

附图说明

图1为本发明所提供的用于室内黏性土PIV模型试验的试验装置的喷砂装置的图示；

图2为本发明所提供的用于室内黏性土PIV模型试验的试验装置的模型槽的立体图；

图3为喷砂装置使用时用于室内黏性土PIV模型试验的试验装置的状态图；

图4为模型槽内黏土固结时用于室内黏性土PIV模型试验的试验装置的状态图。

具体实施方式

参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。

实施例1：

一种用于室内黏性土PIV模型试验的试验装置，包括气缸1、活塞2、轴杆3、把手4、气缸内螺纹5、漏斗外螺纹6、漏斗7、气动接头8、硅胶圆管9、封口盖10、黑色粉砂11、钢制模型槽12、有机玻璃面板13、螺栓孔14、螺栓15、对照点16、控制点17、硅脂18、排水阀19、砂砾排水层20、黏土21、加载板22、加载重物23。

气缸1为钢制中空圆柱体，其中置有活塞2，同时下部具有气缸内螺纹5；活塞2为橡胶制成，固定于钢制轴杆3之上；把手4为钢制，通过焊接与钢制轴杆3相连；漏斗7为钢制，上部为中空圆柱体，且具有漏斗外螺纹6，下部为中空圆锥体，底端有气动接头8；硅胶圆管9可插入气动接头8中，同时气动接头8可以保证硅胶圆管9外壁的密闭性；漏斗7中具有黑色粉砂11，同时硅胶圆管9底端具有封口盖10，可保证试验前黑色粉砂11不漏撒；试验时，可通过气缸1上的气缸内螺纹5和漏斗7上的漏斗外螺纹6，使得气缸1和漏斗7完美连接，卸除封口盖10，通过推动把手4，压缩气缸1内空气，可以实现从硅胶圆管9中喷出黑色粉砂11；钢制模型槽12正面具有螺栓孔14；有机玻璃面板13可通过螺栓15和钢制模型槽12上的螺栓孔14，紧固于钢制模型槽12之上；有机玻璃面板13可拆卸，其上具有对照点16和控制点17，并且有机玻璃面板13的内侧面涂抹有硅脂18；硅脂18具有黏性和润滑性，可通过喷砂装置将黑色粉砂11均匀喷射于硅脂18上，并附着于有机玻璃面板13上；钢制模型槽12侧面具有排水阀19，底部具有砂砾排水层20；黏土21位于砂砾排水层20之上，其上放置加载板22，通过加载重物23对黏土21进行加载固结；砂砾排水层20可以作为黏土21的排水通道。在黏土21固结完毕后，拆卸加载重物23和加载板22，即可进行黏土的PIV试验。可设计不同的试验方案，在有机玻璃面板前放置高速摄像机，在试验过程中通过捕捉黑色粉砂来测定黏土（例如白色高岭土）在不同试验工况下的位移场和速度矢量场，为室内模型试验提供可靠的土体变形数据。

实施例2：

一种利用用于室内黏性土PIV模型试验的试验装置进行室内黏性土PIV模型试验的试验方法，所述试验方法包括以下步骤：

步骤一，喷砂装置准备：

步骤101，将硅胶圆管插入漏斗底部的气动接头，将硅胶圆管端部安装上封口盖；

步骤102，向漏斗装入制备好的黑色粉砂；

步骤103，将漏斗和气缸通过漏斗外螺纹和气缸内螺纹进行紧固，形成一体；

步骤二，模型箱准备：

步骤201，卸除钢制模型槽上的螺栓，将有机玻璃面板卸下；

步骤202，在有机玻璃面板内表面贴上对照点和控制点，并在模型箱内所有侧面上涂抹上硅脂；

步骤203，按压步骤一形成的喷砂装置，将黑色粉砂均匀喷至有机玻璃面板内表面的硅脂表面上，如黏土本身为黑色，可直接选用黄色粉砂；

步骤204，将有机玻璃面板通过螺栓紧固于钢制模型槽；

步骤三，黏土样准备：

步骤301，在钢制模型槽底部铺设好砂砾排水层，同时铺设土工布；

步骤302，缓慢倒入搅拌好的黏土泥浆；

步骤303，吊装加载板至钢制模型槽顶面，放置于黏土泥浆上；

步骤304，将加载重物放置于加载板上，对黏土泥浆进行固结，粘着于有机玻璃面板的硅脂上的黑色粉砂，与倒入模型箱内的黏土紧密贴合，可以随着黏土固结一同运动。；

在步骤三中，可对模型箱中制备的黏土进行不同种类试验，通过在有机玻璃面板前放置高速摄像机，得到两张不同时刻照片黑色粉砂的位置移动，从而计算得到黑色粉砂的位移场和速度矢量场，可以测定浅色黏土（例如白色高岭土）在不同试验工况下，例如黏土未固结时、固结过程以及固结完成后的位移场和速度矢量场，反映黏土的变形情况，为室内模型试验提供可靠的全过程土体变形数据，为室内模型试验提供黏土全过程二维变形的量测方法。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.根据用于室内黏性土PIV模型试验的试验装置进行室内黏性土PIV模型试验的试验方法，其特征在于：

所述用于室内黏性土PIV模型试验的试验装置包括喷砂装置和模型箱，所述模型箱不具有上盖且至少一个侧面为透明，所述模型箱的内侧面上涂覆硅脂，所述模型箱的透明侧面上设有对照点和控制点，且对照点和控制点上均涂覆硅脂，所述模型箱内底部设有排水机构，所述排水机构用于将模型箱内黏土中的水从模型箱内排出，所述模型箱内填充黏土，所述黏土置于排水机构上，所述黏土的上方设有加载机构，所述加载机构用于给黏土施加向下的压力；所述喷砂装置内设有示踪粒子，所述喷砂装置用于将示踪粒子喷至模型箱的透明侧面内表面的硅脂上；

所述喷砂装置包括气缸、活塞、轴杆、把手、漏斗、气动接头、硅胶圆管、封口盖；所述气缸内置活塞，所述气缸下部内侧设有气缸内螺纹，所述活塞的上端连接轴杆，所述轴杆的上端设有把手；所述漏斗的上部外侧设有漏斗外螺纹，所述漏斗的底端设有气动接头，所述气动接头内插入硅胶圆管，所述硅胶圆管的另一端设有封口盖；

所述模型箱的透明侧面为有机玻璃面板，所述模型箱为钢制模型槽，所述钢制模型槽与有机玻璃面板相应的一侧设有螺栓孔，所述有机玻璃面板经螺栓与螺栓孔紧固于钢制模型槽上；

所述排水机构包括砂砾排水层、土工布和排水阀，所述排水阀与砂砾排水层的侧面相连通且设置在模型箱的侧面上，所述砂砾排水层设置在模型箱内底部，所述砂砾排水层的顶部铺设土工布，所述土工布上装填黏土；

所述加载机构包括加载板和加载重物，所述加载板设于模型箱的黏土顶部且完全覆盖黏土上表面，所述加载重物设于加载板上；

所述示踪粒子为黑色粉砂或者黄色粉砂；

所述试验方法包括以下步骤：

步骤一，喷砂装置准备：

步骤101，将硅胶圆管插入漏斗底部的气动接头，将硅胶圆管端部安装上封口盖；

步骤102，向漏斗装入制备好的黑色粉砂；

步骤103，将漏斗和气缸通过漏斗外螺纹和气缸内螺纹进行紧固，形成一体；

步骤二，模型箱准备：

步骤201，卸除钢制模型槽上的螺栓，将有机玻璃面板卸下；

步骤202，在有机玻璃面板内表面贴上对照点和控制点，并在模型箱内所有侧面上涂抹上硅脂；

步骤203，按压步骤一形成的喷砂装置，将黑色粉砂均匀喷至有机玻璃面板内表面的硅脂表面上，如黏土本身为黑色，可直接选用黄色粉砂；

步骤204，将有机玻璃面板通过螺栓紧固于钢制模型槽；

步骤三，黏土样准备：

步骤301，在钢制模型槽底部铺设好砂砾排水层，同时铺设土工布；

步骤302，缓慢倒入搅拌好的黏土泥浆；

步骤303，吊装加载板至钢制模型槽顶面，放置于黏土泥浆上；

步骤304，将加载重物放置于加载板上，对黏土泥浆进行固结；

在步骤三中，可对模型箱中制备的黏土进行不同种类试验，通过在有机玻璃面板前放置高速摄像机，得到两张不同时刻照片黑色粉砂的位置移动，从而计算得到黑色粉砂的位移场和速度矢量场，反映黏土的变形情况，为室内模型试验提供黏土二维变形的量测方法。

2.按照权利要求1所述的试验方法，其特征在于：步骤304中，粘着于有机玻璃面板的硅脂上的黑色粉砂，与倒入模型箱内的黏土紧密贴合，随着黏土固结一同运动。

3.按照权利要求1所述的试验方法，其特征在于：步骤三中，固结完成后，由于黑色粉砂已经与黏土紧密贴合，直接在有机玻璃面板前放置高速摄像机，通过捕捉黑色粉砂与对照点和控制点的位移，来测定黏土在不同试验工况下的位移场和速度矢量场，为室内模型试验提供可靠的土体变形数据。

Images