CN112365782B - 一种含气土变形实验模型系统及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含气土变形实验模型系统及实验方法，该系统包括：模型箱，所述模型箱内填充砂土或细玻璃珠，用于进行一系列的含气土变形实验；注水系统，所述注水系统用于向所述模型箱内注水，并控制所述模型箱水位，以模拟地层中地下水位的变化；注气系统，所述注气系统用于向所述模型箱内注入多种混合气体，并且实时调控注气速率；变形检测系统，所述变形检测系统用于记录和检测所述模型箱内的土体变形的情况。
Description
技术领域
本发明涉及含气土变形模型实验技术领域，尤其涉及一种含气土变形实验模型系统及实验方法。
背景技术
含气土在世界范围内广泛分布，主要集中分布在五大洲滨海区域以及河流经过的平原地区。沿海冲积平原以及河流经过的平原是重要城市所在地，城市的发展和繁荣带来了基础建设的需求。在我国东部和中部地区交通和水利设施建设常遭遇含气土，因勘查和施工中遭遇含气土气体喷发造成巨大经济损失和人员伤亡的事件多次发生。
近些年来，城市的扩张和蓝色(海洋)经济空间的拓展为基础设施建设增添了巨大动力。由于人们对于含气土的工程力学性质认识不足，在进行地铁、电站、基坑、大型跨海桥梁、深水港码头建设的过程中遭遇了一些工程事故。这些事故轻者影响建、构筑物的使用功能，重者造成人员伤亡和巨大经济损失，例如：安徽沿江水利设施因含气土存在，地基发生不均匀沉降，造成设施开裂无法使用；上海某隧道施工时遭遇含气土气体释放致使隧道下部粉砂层受到扰动并被掏空，造成重大经济损失；上海浦东某隧道施工过程中因周围含气土气体释放产生不均匀横向移动和轴线沉降；杭州湾大桥在建设过程中遭遇了气体喷发致使勘测作业受阻。
气体的存在可能会改变土的沉降特性、抗剪强度以及循环荷载作用下的液化特性。对于陆域含气土，工程上多采用排气井预先排气，但是气体的排放会引起土体的变形，进而引起地面沉降；对于海洋含气土，在波浪力和机械冲击作用下会因气体的累积降低其稳定性，严重时会引发海底滑坡、油气井喷、管线上浮甚至破裂等事故。上述问题都涉及到含气土的变形问题，为了减少甚至避免类似的事故再次发生，有必要研发一种能够对含气土进行多种实验的模型箱来研究含气土气体喷发成灾机理和含气土的变形特征。
发明内容
本发明实施例的目的在是提供一种含气土变形实验模型系统及实验方法，以至少解决相关技术中存在的气体单一以及不能考虑地下水影响的问题。
为了达到上述目的，本发明实施例所采用的技术方案如下：
第一发明，本发明提供一种含气土变形实验模型系统，包括：
模型箱，所述模型箱内填充砂土或细玻璃珠，用于进行一系列的含气土变形实验；
注水系统，所述注水系统用于向所述模型箱内注水，并控制所述模型箱水位，以模拟地层中地下水位的变化；
注气系统，所述注气系统用于向所述模型箱内注入多种混合气体，并且实时调控注气速率；
变形检测系统，所述变形检测系统用于记录和检测所述模型箱内的土体变形的情况。
进一步地，还包括气体回收系统，所述气体回收系统用于收集所述模型箱内排出的气体，并将气体进行压缩后进行循环利用。
进一步地，所述气体回收系统包括气体收集管、气压传感器、开关、气体压缩机、气体回收软管和集气瓶，所述气体收集管与气体压缩机进气口相连通，所述气体回收软管的两端分别连通气体压缩机出气口和集气瓶的入口，所述模型箱的气体出口与所述气体回收管相连通。
进一步地，所述注水系统包括输水管、输水开关、水箱，所述模型箱的注水入口与所述的输水管的一端相连通，所述的输水管的另一端与所述水箱相连通，所述输水开关布置在所述输水管上。
进一步地、根据权利要求所述的一种含气土变形实验模型系统，其特征在于，所述注水系统还包括连通器液柱管，所述连通器液柱管与所述水箱相连通。
进一步地，所述变形检测系统包括若干光纤位移计、解调器、数据传输线和计算机，所述若干光纤位移计埋设在所述模型箱内，所述光纤位移计通过数据传输线与所述解调器相连，所述解调器与计算机相连。
进一步地，所述注气系统包括流量开关、流量传感器和储气瓶，所述储气瓶的出口与所述流量传感器的入口相连通，所述流量传感器的出口与所述流量开关入口相连通，所述流量开关的出口与所述模型箱相连通。
进一步地，所述储气瓶有一个或多个，通过多通阀连接。
进一步地，所述模型箱放置在振动台上。
第二方面，本发明提供一种应用第一方面所述的含气土实验模型箱系统的实验方法，包括如下步骤：
(1)通过水箱向模型箱内注水，当水箱与模型箱水位相等且稳定时关闭输水开关，以模拟原位含气土的地下水浸润深度；
(2)打开储气瓶向模型箱内注气，观察含气土砂床变形情况，当砂床中形成贯通的孔道时关闭储气瓶开关并读取流量传感器的读数；
(3)通过光纤位移计记录含气砂土的变形量，在计算机中读取相应数据；
(4)进行注气实验时，开启气体压缩机开关，通过气压计控制气体压缩机的开关，当模型箱内气压大于101KPa时，启动气体压缩机，将气体注入集气瓶中，当气压小于101KPa时，关闭气体压缩机，始终保持模型箱内气压为一个标准大气压。
根据以上技术方案，本发明的有益效益在于：
(1)采用注水系统向模型箱内注水的方式研究地下水位变化对含气土变形的影响，有效地解决了传统含气土模型箱实验工况单一的问题；相对于传统模型箱实验只向干燥砂土注气，本发明更符合含气土定义和工程实际工况。
(2)注气系统中采用四通，可以研究气体种类和比例成分对含气土变形的影响。
(3)采用气体回收系统回收实验气体，可以实现实验气体循环利用，解决模型箱内气体释放对大气造成污染及使人员中毒等问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种含气土实验模型箱结构示意图(正面图)；
图2是本发明实施例提供的四通结构示意图(正面图)；
附图标记说明：1.储气瓶、2.储气瓶开关、3.输气管、4.四通、5.止回阀、6.流量传感器计、7.模型箱体、8.输水管、9.连通器液柱管、10.水箱、11.光纤位移计、12.数据传输线、13.计算机、14.气体回收管道、15.气压传感器、16.开关、17.气体压缩机、18.气体回收软管、19.集气瓶、20.输水开关、21.解调器、22、振动台、4a.输气接口1、4b.输气接口2、4c.输气接口3、4d.固定孔位、4e.气体输出口。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，本实施例提供一种含气土变形实验模型系统，包括：
模型箱7，所述模型箱7内填充砂土或细玻璃珠，用于进行一系列的含气土变形实验。
注水系统，所述注水系统用于向模型箱内注水，以模拟地层中地下水位的变化。注水系统包括水箱10、连通器液柱管9、输水开关20和输水管8等。模型箱7的注水入口与所述的输水管8的一端相连通，输水管8的另一端与所述水箱10相连通，输水开关20布置在所述输水管8上。其中水箱为模型箱供水模拟原位含气土地下水位的变化，连通器液柱管用来观测水箱中的水位并为模型箱内水位是否达到平衡提供依据，输水开关用于控制水箱向模型箱注水。连通器液柱管可以直观地观察水箱和模型箱内水位变化情况，原理简单操作便捷。输水管从模型箱底部注水，可以排出砂土孔隙之间的空气使得砂土初始饱和度较高，实验成果可靠性高。
注气系统，所述注气系统用于向所述模型箱内注入多种混合气体，并且实时调控注气速率。注气系统由储气瓶1、输气管开关2、输气管3、四通4、止回阀5和流量计传感器6组成。所述输气管3和气体收集管14材质和直径均相同；输气管3左端连接四通4，输气管3右端连接储气瓶1；气体回收管14左端连接模型箱7，右端连接气体压缩机17。储气瓶为模型箱提供实验所需气体；四通用于连接多个储气瓶以便研究多种混合气体对含气土的影响；止回阀可防止由于储气瓶压力不够时，砂土回流造成输气管堵塞，也可防止气体回流引起气体流量计产生数据错误；流量计用于记录注气流量的值。输气管从模型箱底板中心部位向模型箱内注气，可以最大程度减小四周边界对实验的影响。
变形检测系统，所述变形检测系统用于记录和检测所述模型箱内的土体变形的情况。变形检测系统包括光纤位移计11、调解器21、数据传输线12和计算机13等。光纤位移计11埋设在所述模型箱7内，光纤位移计11通过数据传输线12与解调器21相连，解调器21与计算机相连。光纤位移计，光纤位移计用于监测含气土变形量；数据传输线将光纤位移计产生的光信号传给解调器；调解器将光纤位移计产生的光信号解调为计算机可识别的数字信号；计算机通过记录存储解调器解调的数字信号并在绘制土体变形曲线。变形检测系统不需要人工读数，不仅减小了实验读数误差，并且加快了实验进程。利用计算机强大的存储和计算能力，可连续地记录含气土的变形数据，同时计算机可实时绘制出直观的图像，可以准确地判断实验进程。
气体回收系统包括气压自动控制器15、开关16、气体压缩机17、气体回收软管18、集气瓶19。气体收集管14与气体压缩机17进气口相连通，气体回收软管18的两端分别连通气体压缩机17出气口和集气瓶19的入口，模型箱的气体出口与所述气体回收管14相连通。气压自动控制器根据模型箱内气压值控制气体压缩机开关的开启和关闭，气体压缩机将气体加压注入集气瓶，集气瓶用于回收实验气体。气体回收系统的应用可以回收实验气体，并且对开展甲烷这类易燃易爆气体的含气土变形实验提供了安全保障。
本实施例中，还包括气体回收系统，所述气体回收系统用于收集所述模型箱内排出的气体，并将气体进行压缩后进行循环利用。所述气体回收系统包括气体收集管14、气压传感器15、开关16、气体压缩机17、气体回收软管18和集气瓶19，所述气体收集管14与气体压缩机17进气口相连通，所述气体回收软管18的两端分别连通气体压缩机17出气口和集气瓶19的入口，所述模型箱7的气体出口与所述气体回收管14相连通。
本实施例中，所述注水系统包括输水管8、输水开关20、水箱10，所述模型箱7的注水入口与所述的输水管8的一端相连通，所述的输水管8的另一端与所述水箱10相连通，所述输水开关20布置在所述输水管8上。
本实施例中，所述注水系统还包括连通器液柱管9，所述连通器液柱管9与所述水箱相连通。
本实施例中，所述变形检测系统包括若干光纤位移计11、解调器21、数据传输线12和计算机13，所述若干光纤位移计11埋设在所述模型箱7内，所述光纤位移计11通过数据传输线12与所述解调器21相连，所述解调器21与计算机相连。
本实施例中，所述注气系统包括流量开关5、流量传感器6和储气瓶1，所述储气瓶1的出口与所述流量传感器6的入口相连通，所述流量传感器6的出口与所述流量开关5入口相连通，所述流量开关5的出口与所述模型箱相连通。
本实施例中，所述储气瓶1有一个或多个，通过多通阀连接。
本实施例中，所述模型箱7放置在振动台22上。
本实施例还提供一种应用上述的含气土实验模型箱系统的实验方法，包括如下步骤：
(1)通过水箱向模型箱内注水，当水箱与模型箱水位相等且稳定时关闭输水开关20，以模拟原位含气土的地下水浸润深度；
(2)打开储气瓶向模型箱内注气，观察含气土砂床变形情况，当砂床中形成贯通的孔道时关闭储气瓶开关并读取流量传感器的读数；
(3)通过光纤位移计记录含气砂土的变形量，在计算机中读取相应数据；
(4)进行注气实验时，开启气体压缩机开关，通过气压计控制气体压缩机的开关，当模型箱内气压大于101KPa时，启动气体压缩机，将气体注入集气瓶中，当气压小于101KPa时，关闭气体压缩机，始终保持模型箱内气压为一个标准大气压。
下面简述发明装置的试验过程：
固定四通4的固定孔位4d，并将输气口4a、4b、4c与储气罐1相连,4e通过输气管与止回阀5相连。打开水箱10和模型箱7之间的输水开关20，通过水箱向模型箱内注水。注水的过程中观察与水箱连接的连通器液柱9的高度，当液柱高度达到预设值时关闭开关。注水完毕之后，打开储气瓶与模型箱之间的开关2，向模型箱内注气。通过储气瓶自带的压力表观测输出的气体的压力值，并记录下来。通过储气瓶阀门开合程度控制注气压力的大小，当模型箱内的砂床形成贯通的孔道时关闭开关并记录流量计的读数。
进行注气时，，开启气体压缩机开关，通过气压自动控制器控制气体压缩机17的开关，当模型箱内气压大于101KPa时，启动气体压缩机，将气体注入储气罐中。当气压小于101KPa时，关闭气体压缩机，始终保持模型箱内气压为一个标准大气压。待实验结束后通过气体压缩机向集气瓶19注入气体，将实验气体储存于集气瓶中。
实验过程中查看计算机实时处理的位移数据，当数据出现突变时停止实验，检查模型箱内砂床是否形成贯通的孔道。若位移图像出现突变模型箱内砂床刚好出现贯通孔道，则停止注气，实验结束；反之，需要暂停注气并检查分析，确定是否需要继续注气。
一次实验完成后，及时保存和整理计算机中的数据。关闭储气瓶开关2，手动开启气体压缩机17，将模型箱内气体全部压缩注入集气瓶19中。将与模型箱相连的注气系统、数据采集系统、注水系统以及气体回收系统的连接断开，启动振动台，使模型箱内砂床恢复到实验前的状态。关闭振动台，重新连接模型箱和各个系统。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种含气土变形实验模型系统，其特征在于，包括：
模型箱（7），所述模型箱（7）内填充砂土或细玻璃珠，用于进行含气土变形实验；
注水系统，所述注水系统用于向所述模型箱内注水，并控制所述模型箱水位，以模拟地层中地下水位的变化；
注气系统，所述注气系统用于向所述模型箱内注入多种混合气体，并且实时调控注气速率；
变形检测系统，所述变形检测系统用于记录和检测所述模型箱内的土体变形的情况；
其中，还包括气体回收系统，所述气体回收系统用于收集所述模型箱内排出的气体，并将气体进行压缩后进行循环利用；
其中，所述气体回收系统包括气体回收管道（14）、气压传感器（15）、开关（16）、气体压缩机（17）、气体回收软管（18）和集气瓶（19），所述气体回收管道（14）与气体压缩机（17）进气口相连通，所述气体回收软管（18）的两端分别连通气体压缩机（17）出气口和集气瓶（19）的入口，所述模型箱（7）的气体出口与所述气体回收管道（14）相连通；
其中，所述注水系统包括输水管（8）、输水开关（20）、水箱（10），所述模型箱（7）的注水入口与所述的输水管（8）的一端相连通，所述的输水管（8）的另一端与所述水箱（10）相连通，所述输水开关（20）布置在所述输水管（8）上；
其中，所述注水系统还包括连通器液柱管（9），所述连通器液柱管（9）与所述水箱相连通；
其中，所述变形检测系统包括若干光纤位移计（11）、解调器（21）、数据传输线（12）和计算机（13），所述若干光纤位移计（11）埋设在所述模型箱（7）内，所述光纤位移计（11）通过数据传输线（12）与所述解调器（21）相连，所述解调器（21）与计算机相连；
其中，所述注气系统包括流量开关（5）、流量传感器（6）和储气瓶（1），所述储气瓶（1）的出口与所述流量传感器（6）的入口相连通，所述流量传感器（6）的出口与所述流量开关（5）入口相连通，所述流量开关（5）的出口与所述模型箱相连通；
其中，所述储气瓶（1）有一个或多个，通过多通阀连接；
其中，所述模型箱（7）放置在振动台（22）上。
2.一种应用权利要求1所述的含气土变形实验模型系统的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）通过水箱向模型箱内注水，当水箱与模型箱水位相等且稳定时关闭输水开关（20），以模拟原位含气土的地下水浸润深度；
（2）打开储气瓶向模型箱内注气，观察含气土砂床变形情况，当砂床中形成贯通的孔道时关闭储气瓶开关并读取流量传感器的读数；
（3）通过光纤位移计记录含气砂土的变形量，在计算机中读取相应数据；
（4）进行注气实验时，开启气体压缩机开关，通过气压计控制气体压缩机的开关，当模型箱内气压大于101KPa时，启动气体压缩机，将气体注入集气瓶中，当气压小于101KPa时，关闭气体压缩机，始终保持模型箱内气压为一个标准大气压。
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