CN111879633B - 一种用于自由落体动力触探试验的室内模型装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于自由落体动力触探试验的室内模型装置，包括自由落体试验舱、压力试验舱、固结试验舱、电动液压千斤顶、真空固结模块、支撑舱壁以及底板；所述自由落体试验舱由Ⅰ型圆筒形舱壁和顶部盖板通过紧固件连接组合；所述压力试验舱由Ⅱ型圆筒形舱壁通过紧固件连接组合；所述固结试验舱由Ⅲ型圆筒形舱壁拼接组合；所述自由落体试验舱和压力试验舱由连接盖板通过紧固件连接；所述固结试验舱与电动液压千斤顶通过固结试验舱底板焊接。本发明可以对软土试样进行先期真空预压固结，并配合自由落体动力触探仪进行不同深度海底浅层超软土原位模拟试验。

Description

一种用于自由落体动力触探试验的室内模型装置

技术领域

本发明属于岩土工程室内测试技术领域，具体涉及一种用于自由落体动力触探试验的室内模型装置。

背景技术

近年来，随我国海洋强国战略的不断实施与深化，海洋工程项目不断增加，规模不断扩大，海洋岩土工程参数的准确获取显得格外重要，传统岩土工程测试技术已不能很好的满足现阶段海洋岩土工程的要求，以自由落体动力触探装置为代表的新型海洋岩土工程测试设备应运而生，该类设备具有操作简便、快速、经济、可高效的评价海底浅层超软土工程特性，成为海洋岩土工程勘察实践中强有力的测试工具。但该类设备在我国发展还处于起步阶段，发展还不成熟，各种相关测试参数与解译方法亟需大量科学试验进行分析研究，因海洋工程所具有的特殊试验环境的限制，进行大量现场原位试验极其困难，因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种用于自由落体动力触探试验的室内模型装置，可以对软土试样进行先期真空预压固结，并配合自由落体动力触探仪进行不同深度海底浅层超软土原位模拟试验。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于自由落体动力触探试验的室内模型装置，包括自由落体试验舱、压力试验舱、固结试验舱、电动液压千斤顶、真空固结模块、支撑舱壁以及底板；所述自由落体试验舱由Ⅰ型圆筒形舱壁和顶部盖板通过紧固件连接组合；所述压力试验舱由Ⅱ型圆筒形舱壁通过紧固件连接组合；所述固结试验舱由Ⅲ型圆筒形舱壁拼接组合；所述自由落体试验舱和压力试验舱由连接盖板通过紧固件连接；所述固结试验舱与电动液压千斤顶通过固结试验舱底板焊接，所述自由落体试验舱设置在压力试验舱上方，所述固结试验舱设置在压力试验舱内，固结试验舱外径与压力试验舱内径之间设有间隙，电动液压千斤顶上方连接固结试验舱，下方连接底板，支撑舱壁设置在压力试验舱下方。

所述顶部盖板上部设有注水阀、排气阀，下部设有电子释放器，所述注水阀、排气阀通过导管与下部自由落体试验舱连通，所述电子释放器可以与自由落体触探仪连接，并实现自动释放功能，所述顶部盖板与Ⅰ型圆筒形舱壁通过紧固件连接并设有O形橡胶密封圈。

所述Ⅰ型圆筒形舱壁为上下两端带有突出部分的圆筒形构件，各构件之间通过紧固件连接并设有O形橡胶密封圈。

所述连接盖板为倒T型，上部直径和Ⅰ型圆筒形舱壁相同，下部直径和Ⅱ型圆筒形舱壁相同，下部设有增压注水阀和压力传感器，所述增压注水阀通过导管与下部压力试验舱连通，所述压力传感器可以实时监测压力试验舱内的液体压力。

所述Ⅱ型圆筒形舱壁为上下两端带有突出部分的圆筒形构件，各构件之间通过紧固件连接并设有O形橡胶密封圈，舱壁内表面设有橡胶内垫。

所述Ⅲ型圆筒形舱壁为圆筒形构件，下部设有V形橡胶密封垫。

所述固结试验舱内部设有透水板和上、下排水板，所述透水板和上、下排水板均为圆盘形构件，直径等于固结试验舱内径，所述上、下排水板之间设有坡度为2°~5°的坡形排水面，所述上排水板设有若干均匀分布的排水孔，所述排水孔与坡形排水面连通。

所述固结试验舱设有固结试验舱底板，所述固结试验舱底板与下部电动液压千斤顶焊接，可通过电动液压千斤顶进行上下移动，固结试验舱底板设有排水通道，通过导管与真空固结模块连接。

所述真空固结模块包括固结排水阀、水箱、真空抽气阀和真空泵，所述水箱带有刻度，可量测固结试验舱排出液体的体积。

所述支撑舱壁为圆筒形构件，内表面设有橡胶内垫，上部与Ⅱ型圆筒形舱壁通过紧固件相连，并设有O形橡胶密封圈，下部与底板焊接，所述支撑舱壁上部设有排水阀，所述排水阀通过导管与压力试验舱连通。

本发明的有益效果是：

本发明提出的一种用于自由落体动力触探试验的室内模型装置，可以进行模拟原位不同深度下海底浅层超软土自由落体动力触探试验，可以解决自由落体动力触探设备在发展初期不能大量进行海洋岩土工程项目现场原位试验的困难，可以为各种相关测试参数的获取与解译方法的确定提供大量科学试验依据，推动以自由落体动力触探设备为代表的新型海洋岩土工程测试设备的发展。

附图说明

图1是本发明采用的一种用于自由落体动力触探试验的室内模型装置示意图。

图2是本发明的局部放大示意图。

附图标记列表：

1-注水阀，2-排气阀，3-导管，4-顶部盖板，5-O形橡胶密封圈，6-紧固件，7-电子释放器，8-Ⅰ型环圆筒形舱壁，9-自由落体触探仪，10-自由落体试验舱，11-连接盖板，12-增压注水阀，13-压力传感器，14-压力试验舱，15-Ⅱ型圆筒形舱壁，16-橡胶内垫，17-弹性橡胶膜，18-Ⅲ型圆筒形舱壁，19-V形橡胶密封垫，20-固结试验舱，21-透水板，22-上排水板，23-排水孔，24-下排水板，25-坡形排水面，26-排水阀，27-固结试验舱底板，28-支撑舱壁，29-底板，30-电动液压千斤顶，31-固结排水阀，32-真空抽气阀，33-真空泵，34-水箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示，本发明的一种用于自由落体动力触探试验的室内模型装置，包括自由落体试验舱10、压力试验舱14、固结试验舱20、电动液压千斤顶30、真空固结模块（固结排水阀31、水箱34、真空抽气阀32和真空泵33）、支撑舱壁28以及底板29；自由落体试验舱10由Ⅰ型圆筒形舱壁8和顶部盖板4通过紧固件6连接组合；压力试验舱14由Ⅱ型圆筒形舱壁15通过紧固件6连接组合；固结试验舱20由Ⅲ型圆筒形舱壁18拼接组合；自由落体试验舱10和压力试验舱14由连接盖板11通过紧固件6连接；从外表看，从上到下依次为由落体试验舱10、压力试验舱14、支撑舱壁28以及底板29；在压力试验舱14内部设有固结试验舱20，固结试验舱20与电动液压千斤顶30通过固结试验舱底板27焊接。

Ⅰ型圆筒形舱壁8直径小于Ⅱ型圆筒形舱壁15的直径，Ⅱ型圆筒形舱壁15的直径大于Ⅲ型圆筒形舱壁18的直径，Ⅱ型圆筒形舱壁15与支撑舱壁28直径相同，Ⅰ型圆筒形舱壁8、Ⅱ型圆筒形舱壁15、Ⅲ型圆筒形舱壁18都是一节节组合而成。

顶部盖板4为圆盘形构件，直径与Ⅰ型环圆筒形舱壁8外径相同，材质为有机玻璃或不锈钢，但不仅限于此，设有两个通孔，通过导管3连接注水阀1、排气阀2，下部设有电子释放器7，可以与如自由落体触探仪9此类设备连接，并实现自动释放功能，顶部盖板4与Ⅰ型圆筒形舱壁8通过紧固件6连接并设有O形橡胶密封圈5。

Ⅰ型圆筒形舱壁8为上下两端带有突出部分的圆筒形构件，材质为有机玻璃或不锈钢，但不仅限于此，单个构件直径为200mm~400mm不等，高度为200mm~500mm不等，可根据试验具体要求，确定Ⅰ型圆筒形舱壁8的数量，各构件之间通过紧固件6连接并设有O形橡胶密封圈5，所述O形橡胶密封圈5规格与Ⅰ型圆筒形舱壁8规格相匹配。

连接盖板11上部直径和Ⅰ型圆筒形舱壁8相同，下部直径和Ⅱ型圆筒形舱壁15相同，下部设有增压注水阀12和压力传感器13，增压注水阀通过导管3与下部压力试验舱14连通，压力传感器13可以实时监测压力试验舱14内的液体压力。

Ⅱ型圆筒形舱壁15为上下两端带有突出部分的圆筒形构件，材质为有机玻璃或不锈钢，但不仅限于此，单个构件直径为1300mm~2000mm不等，并保证其直径大于Ⅲ型圆筒形舱壁18的直径，高度为200mm~1000mm不等，可根据试验具体要求，确定Ⅱ型圆筒形舱壁15的数量，各构件之间通过紧固件6连接并设有O形橡胶密封圈5，所述O形橡胶密封圈5规格与Ⅱ型圆筒形舱壁15规格相匹配，舱壁内表面设有橡胶内垫16。

Ⅲ型圆筒形舱壁18为圆筒形构件，材质为有机玻璃或不锈钢，但不仅限于此，下部设有V形突出部分，上部设有V形凹槽，V形凹槽内设有V形橡胶密封垫19，单个构件直径为1200mm~1900mm不等，并保证其直径小于Ⅱ型圆筒形舱壁15的直径，使Ⅱ型圆筒形舱壁15与Ⅲ型圆筒形舱壁18有一定空隙，确保液体可以自由流入，高度为100mm~500mm不等，可根据试验具体要求，确定Ⅲ型圆筒形舱壁18的数量，各构件之间通过重力拼接组合（在抽真空阶段V形橡胶密封垫越压越紧，不会产生漏气），最上部Ⅲ型圆筒形舱壁18可覆盖弹性橡胶膜17，并可确保固结试验舱20密闭性。

固结试验舱20内部设有透水板21、上排水板22和下排水板24，透水板21、上排水板22和下排水板24均为圆盘形构件，直径等于固结试验舱20内径，透水板21为多孔材料制作，可确保只允许液体通过，而土体不能通过，上排水板22和下排水板24设有坡度为2°~5°的坡形排水面25，如图2所示，利于土体在固结过程中进行排水，上排水板22设有若干均匀分布的排水孔23，排水孔23与坡形排水面25连通。

固结试验舱20设有固结试验舱底板27，固结试验舱底板27与下部电动液压千斤顶30焊接，可通过电动液压千斤顶30进行上下移动，固结试验舱底板27下部边缘有突出部分，突出部分可与支撑舱壁28内表面的橡胶内垫紧密贴合，以确保压力试验舱14的密封性，固结试验舱底板27设有排水通道，并通过导管3与真空固结模块连接。

真空固结模块包括固结排水阀31、水箱34、真空抽气阀32和真空泵33，水箱34为有机玻璃材质，容量为2L-10L，并带有刻度，可量测在土体固结阶段固结试验舱20排出液体的体积，以评判土体固结的程度，固结排水阀31通过导管3插入水箱34下部，真空抽气阀32通过导管3插入水箱34上部，水箱34具有良好的密封性。

支撑舱壁28为圆筒形构件，直径与Ⅱ型圆筒形舱壁15相同，材质为有机玻璃或不锈钢，起到支撑上部结构的作用，内表面设有橡胶内垫16，上部与Ⅱ型圆筒形舱壁15通过紧固件6相连，并设有O形橡胶密封圈5，所述O形橡胶密封圈5规格与Ⅱ型圆筒形舱壁15规格相匹配，下部与底板29焊接，所述支撑舱壁28上部设有排水阀26，排水阀26通过导管3与压力试验舱14连通, 支撑舱壁28高度可确保电动液压千斤顶30在最大行程时，固结试验舱底板27下部边缘有突出部分仍在排水阀26通道的下部。

所述紧固件6为螺栓螺母连接，但不仅限于此。

电动液压千斤顶30下部与底板29焊接，上部与固结试验舱底板27焊接，可通过控制器调节，进行上升或下降。

使用本发明的一种用于自由落体动力触探试验的室内模型装置进行模拟试验时，试验过程分为两个阶段。

第一阶段：软土试样的真空固结阶段。本阶段不使用自由落体试验舱10和压力试验舱14，故将其移出，具体操作步骤如下：将电动液压千斤顶30通过控制器调节到最下端，依次将下排水板24、上排水板22、透水板21放置在固结试验舱底板27上，根据试验具体要求，将一定数量的Ⅲ型圆筒形舱壁18由下到上依次拼接至所需试验高度，关闭固结排水阀31，将一定数量的软土试样放入固结试验舱20中，并加入适量水进行充分搅拌，使试样成为完全饱和试样，将弹性橡胶膜17覆盖到固结试验舱20上部，罩住做上端Ⅲ型圆筒形舱壁18，以确保其密封性，打开固结排水阀31和真空抽气阀32，将真空泵33接通电源并打开开关，使其工作，固结试验舱内的软土试样会在内外压力差的作用下进行排水固结，液体会通过透水板21、排水孔23、坡形排水面25流入水箱34，可根据水箱34内的刻度，量测排出液体的体积，进而评价软土试样的固结程度，待软土试样的固结程度满足试验要求，依次关闭真空抽气阀32、固结排水阀31，关闭真空泵33开关并切断其电源，准备进入下一阶段试验。

第二阶段：自由落体动力触探模拟试验。在第一阶段的基础上，撤去真空固结模块与弹性橡胶膜17，将真空固结后的软土试样继续放置在固结试验舱中，关闭排水阀26，根据试验具体要求，由下到上依次放置一定数量的Ⅱ型圆筒形舱壁15，并通过紧固件6和O形橡胶密封圈5进行连接，压力试验舱14上部与连接盖板11通过紧固件6和O形橡胶密封圈5进行连接，关闭增压注水阀12，根据试验具体要求，连接盖板11上部由下到上依次放置一定数量的Ⅰ型环圆筒形舱壁8, 并通过紧固件6和O形橡胶密封圈5进行连接，将自由落体触探仪9与顶部盖板4上的电子释放器7连接，将自由落体触探仪9与顶部盖板4作为一个整体放置在自由落体试验舱10的顶端，并通过紧固件6和O形橡胶密封圈5进行连接，使自由落体触探仪9进入自由落体试验舱10内部，打开注水阀1、排气阀2，通过注水阀1向试验舱内进行注水，与此同时，舱内气体通过排气阀2排除舱外，待液体通过排气阀2溢出时，停止注水，关闭注水阀1、排气阀2，打开压力传感器13，控制电动液压千斤顶30上升，当压力传感器13数值在即将达到试验所需压力值时，暂停电动液压千斤顶30升降，打开增压注水阀12，通过外部设备增压注水，使压力试验舱压力达到试验所需压力值，关闭增压注水阀12，通过控制器控制电子释放器7释放自由落体触探仪9，自由落体触探仪9在试验舱内自由下落，穿过水层，贯入到固结试验舱20内的软土试样中，停止运动，此过程中试验数据通过无线传输方式传输到电脑终端进行保存，打开排水阀26，排出试验舱内液体，待液体排净，依次拆卸顶部盖板4、Ⅰ型环圆筒形舱壁8、连接盖板11、Ⅱ型圆筒形舱壁15，对固结试验舱20内软土试样破坏情况进行记录拍照，试验结束。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (3)

1.一种用于自由落体动力触探试验的室内模型装置，其特征在于，包括自由落体试验舱、压力试验舱、固结试验舱、电动液压千斤顶、真空固结模块、支撑舱壁以及底板；所述自由落体试验舱由Ⅰ型圆筒形舱壁和顶部盖板通过紧固件连接组合；所述顶部盖板上部设有注水阀、排气阀，下部设有电子释放器，所述注水阀、排气阀通过导管与下部自由落体试验舱连通，所述电子释放器与自由落体触探仪连接，所述顶部盖板与Ⅰ型圆筒形舱壁通过紧固件连接并设有O形橡胶密封圈；所述Ⅰ型圆筒形舱壁为上下两端带有突出部分的圆筒形构件，各构件之间通过紧固件连接并设有O形橡胶密封圈；所述压力试验舱由Ⅱ型圆筒形舱壁通过紧固件连接组合；所述固结试验舱由Ⅲ型圆筒形舱壁拼接组合；所述Ⅲ型圆筒形舱壁为圆筒形构件，下部设有V形橡胶密封垫，所述固结试验舱内部设有透水板和上、下排水板，所述透水板和上、下排水板均为圆盘形构件，直径等于固结试验舱内径，所述上、下排水板之间设有坡度为2-5°的坡形排水面，所述上排水板设有若干均匀分布的排水孔，所述排水孔与坡形排水面连通，所述自由落体试验舱和压力试验舱由连接盖板通过紧固件连接；所述连接盖板为倒T型，上部直径和Ⅰ型圆筒形舱壁相同，下部直径和Ⅱ型圆筒形舱壁相同，下部设有增压注水阀和压力传感器，所述增压注水阀通过导管与下部压力试验舱连通，所述Ⅱ型圆筒形舱壁为上下两端带有突出部分的圆筒形构件，各构件之间通过紧固件连接并设有O形橡胶密封圈，Ⅱ型圆筒形舱壁内表面设有橡胶内垫，所述自由落体试验舱设置在压力试验舱上方，所述固结试验舱设置在压力试验舱内，固结试验舱外径与压力试验舱内径之间设有间隙，电动液压千斤顶上方连接固结试验舱底板，下方连接底板，支撑舱壁设置在压力试验舱下方；所述真空固结模块包括固结排水阀、水箱、真空抽气阀和真空泵，所述水箱带有刻度，固结排水阀插入水箱下部，真空抽气阀插入水箱上部，真空泵连接水箱，

其试验过程分为两个阶段；

第一阶段：软土试样的真空固结阶段：本阶段不使用自由落体试验舱和压力试验舱，具体操作步骤如下：将电动液压千斤顶通过控制器调节到最下端，依次将下排水板、上排水板、透水板放置在固结试验舱底板上，用Ⅲ型圆筒形舱壁由下到上依次拼接至所需试验高度，关闭固结排水阀，将一定数量的软土试样放入固结试验舱中，并加入水进行充分搅拌，使试样成为完全饱和试样，将弹性橡胶膜覆盖到固结试验舱上部，罩住上端Ⅲ型圆筒形舱壁，以确保其密封性，打开固结排水阀和真空抽气阀，将真空泵接通电源并打开开关，使其工作，固结试验舱内的软土试样会在内外压力差的作用下进行排水固结，液体会通过透水板、排水孔、坡形排水面流入水箱，根据水箱内的刻度，量测排出液体的体积，进而评价软土试样的固结程度，待软土试样的固结程度满足试验要求，依次关闭真空抽气阀、固结排水阀，关闭真空泵开关并切断其电源，准备进入下一阶段试验；

第二阶段：自由落体动力触探模拟试验：在第一阶段的基础上，撤去真空固结模块与弹性橡胶膜，将真空固结后的软土试样继续放置在固结试验舱中，关闭排水阀，根据试验具体要求，由下到上依次放置一定数量的Ⅱ型圆筒形舱壁，并通过紧固件和O形橡胶密封圈进行连接，压力试验舱上部与连接盖板通过紧固件和O形橡胶密封圈进行连接，关闭增压注水阀，根据试验具体要求，连接盖板上部由下到上依次放置一定数量的Ⅰ型环圆筒形舱壁，并通过紧固件和O形橡胶密封圈进行连接，将自由落体触探仪与顶部盖板上的电子释放器连接，将自由落体触探仪与顶部盖板作为一个整体放置在自由落体试验舱的顶端，并通过紧固件和O形橡胶密封圈进行连接，使自由落体触探仪进入自由落体试验舱内部，打开注水阀、排气阀，通过注水阀向试验舱内进行注水，与此同时，舱内气体通过排气阀排除舱外，待液体通过排气阀溢出时，停止注水，关闭注水阀、排气阀，打开压力传感器，控制电动液压千斤顶上升，当压力传感器数值在即将达到试验所需压力值时，暂停电动液压千斤顶升降，打开增压注水阀，通过外部设备增压注水，使压力试验舱压力达到试验所需压力值，关闭增压注水阀，通过控制器控制电子释放器释放自由落体触探仪，自由落体触探仪在试验舱内自由下落，穿过水层，贯入到固结试验舱内的软土试样中，停止运动，此过程中试验数据通过无线传输方式传输到电脑终端进行保存，打开排水阀，排出试验舱内液体，待液体排净，依次拆卸顶部盖板、Ⅰ型环圆筒形舱壁、连接盖板、Ⅱ型圆筒形舱壁，对固结试验舱内软土试样破坏情况进行记录拍照，试验结束。

2.根据权利要求1所述的一种用于自由落体动力触探试验的室内模型装置，其特征在于：所述固结试验舱设有固结试验舱底板，所述固结试验舱底板与下部电动液压千斤顶焊接，固结试验舱底板设有排水通道，通过导管与真空固结模块连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于自由落体动力触探试验的室内模型装置，其特征在于：所述支撑舱壁为圆筒形构件，内表面设有橡胶内垫，上部与Ⅱ型圆筒形舱壁通过紧固件相连，并设有O形橡胶密封圈，下部与底板焊接，所述支撑舱壁侧面上部设有排水阀，所述排水阀通过导管与压力试验舱连通。

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