CN114460268A - 一种模拟水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的实验装置它包括用于模拟实验过程中水位升降变化的水位升降模拟系统；所述水位升降模拟系统的内部支撑安装有用于对实验装置进行安装的支撑系统；所述支撑系统上配合安装有用于对实验过程进行测量和记录的测量系统。可以弥补当前测算水位周期升降造成土体渐进崩塌过程模拟设备缺失的问题，可以精确掌握土体开裂和崩塌进程中土颗粒及土中水质量变化的实时数据，该装置结构简单，使用方法方便快捷。

Description

一种模拟水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的实验装置 及方法

技术领域

本发明涉及水利和岩土实验领域，尤其是模拟水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的实验装置及方法。

背景技术

我国有各类水库和湖泊近十万个、河流近五万条，湖库水位的变动已造成的地质灾害不计其数。水库或河流水位周期升降造成岸坡土体经历反复干湿循环作用，造成土体开裂崩解直至坍塌破坏，是各类地质灾害的主要诱发因素，探索岸坡土体的开裂崩塌进程是土木工程、水利工程、交通工程等学科的重要研究课题。目前的模拟实验装置和方法主要有三个方面不足：

(一)多采用土样在温度作用下水分蒸发与裂缝发展来模拟土样经历的干湿循环过程，实验设备过于简化，没有分析土样开裂后的崩解和坍塌过程；

(二)土样水分蒸发过程的含水率变化数据不能连续测量，土样湿化时的水分增加靠人工洒水施加造成控制精度不高；

(三)对反复干湿循环作用下土样因崩解坍塌造成质量变化的连续测量相对缺失。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种模拟水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的实验装置及方法，可以弥补当前测算水位周期升降造成土体渐进崩塌过程模拟设备缺失的问题，可以精确掌握土体开裂和崩塌进程中土颗粒及土中水质量变化的实时数据，该装置结构简单，使用方法方便快捷。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种模拟水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的实验装置它包括用于模拟实验过程中水位升降变化的水位升降模拟系统；

所述水位升降模拟系统的内部支撑安装有用于对实验装置进行安装的支撑系统；

所述支撑系统上配合安装有用于对实验过程进行测量和记录的测量系统。

所述水位升降模拟系统包括底板支座，所述底板支座的顶部四个侧面固定安装有透明挡板并围成整个水箱结构；在其中一侧的透明挡板上部安装有多个并排布置的进水阀，进水阀相对侧的透明挡板下部安装有多个出水阀。

所述支撑系统包括对称布置的水位升降模拟系统的水箱结构两侧的升降杆，升降杆的顶部支撑安装有承重板；在水箱结构的顶部设置有和承重板平行布置的支撑杆，所述支撑杆能够在水箱结构顶部前后移动。

所述测量系统包括电子天平，电子天平设置在支撑系统的承重板的顶部中间部位，并用于称量试验土样在水上和水下的质量、用于确定土样的含水率变化和崩塌量；电子平台的顶部支撑有衔接板，衔接板的底端通过多根轻质连杆吊装有试样盒。

所述测量系统还包括摄像头，摄像头固定安装在支撑系统的支撑杆顶部中间部位，并使其对准试样盒用于拍摄土体表面裂缝的发展过程、用于确定裂缝数量及各裂缝宽度和长度的变化规律。

所述支撑杆的底端中间部位固定有暖风扇。

采用所述实验装置模拟水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的实验方法，包括以下步骤：

步骤一，将水位升降模拟系统整体组装完毕后，检查升降杆是否正常使用并固定其位置，将暖风扇和摄像头与支撑杆组装完成后置于透明挡板上；

步骤二，将试样盒、连接杆、电子天平、衔接板与承重板组装完成后，悬空置于升降杆之上，此时升降杆高度为最低，且试样盒不与底板支座的底板接触；

步骤三，打开进水阀，将水位升降模拟系统内的水位提升至预设高度后等待水面相对静止，此时试样盒浸入水面以下，记录此时电子天平读数为：

步骤四，抬高升降杆的高度，使试样盒位于水面以上，记录此时电子天平读数为：

步骤五，将制备的饱和土样放置于试样盒内，记录此时电子天平读数为：

计算初始状态时土样的水上质量为：

且

此时土样初始含水率：

式中：

为水上土样质量，

为固体颗粒质量，

为土中水质量；

步骤六，降低升降杆的高度，将试样和试样盒浸入水面以下，记录此时电子天平读数为：

计算初始状态时土样的水下质量为：

步骤七，提高升降杆的高度，使试样及试样盒位于水面以上，开启暖风扇和摄像头且持续作用时长T₁，模拟水位下降后的自然风干作用，并记录水分蒸发条件下的试样质量变化、拍摄土体表面失水后的裂缝发展情况；

步骤八，关闭暖风扇和摄像头，降低升降杆高度，再次将试样和试样盒浸入水面以下，模拟水位上升后土样经历的浸泡和软化作用，连续记录土体沿裂缝出现崩解坍塌时试样的质量变化数据，持续时长T₂后记录电子天平读数为：

则第一次干湿循环作用下土样崩塌后水下质量：

计算得土中固体颗粒的质量为：

式中：d_s为土颗粒比重；

步骤九，再次提高升降杆的高度，使试样及试样盒位于水面以上，记录此时电子天平读数：

计算第一次干湿循环作用下土样崩塌完成时的水上质量为：

此时土中水质量为：

土样含水率为：

式中：

为第一次干湿循环后固体颗粒质量；

步骤十，重复以上步骤七-步骤九，记录四个方面数据到试验过程数据记录内容表中：1)每一个自然风干过程中试样的质量变化与裂缝发展的测量数据；2)每一个浸泡软化过程中试样的水下质量逐渐变化的数据；3)第n次干湿循环后土样的水下质量：

计算得到

4)第n次干湿循环后土样的水上质量：

计算得到：

步骤十一，开展以下数据分析：1)各风干阶段试样质量变化与裂缝发展的相关关系；2)各浸泡过程中土体崩塌后水下质量减少与浸泡时间的关系；3)土样固体颗粒质量变化随干湿循环次数增加的演变规律，揭示土体崩塌进程。

在步骤八中，能够通过同时打开进水阀和出水阀，调节阀门使水位稳定且水流保持匀速流动，此时土样在浸泡和水流冲刷共同作用下，土体崩塌更快，也能够用于分析研究含裂隙土样的崩塌量与水流流速的关系。

本发明有如下有益效果：

1、在土样风干过程中可以分析土样含水率与裂缝发展的相关关系；

2、可以通过进水出水阀门控制水流流速，模拟水下土样承受的冲刷力；

3、在浸泡和冲刷过程中可以分析土颗粒质量随浸泡时间的变化规律；

4、在干湿循环一定次数后可以分析土样崩解垮塌量与干湿循环次数的关系；

5、土样发生破坏时留下的破裂面形状、角度以及其与水流流速、作用时间的关系也可以通过实验数据的后期处理和比较得到相应的结果；

6、可以针对不同类型的土样、可以改变土样密实程度、可以调整土样的表面坡度，用于分析土类型、土样密实度、土样表面坡度的影响；

7、可以任意改变土样的风干历时T1和浸泡冲刷历时T2，以模拟实际水库、湖泊或河流的水位涨落周期；

8、装置结构简单，使用方便，获得数据全面，研究内容丰富，提高了设备的实用性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明装置的第一视角整体结构示意图。

图2为本装置中电子天平、连接杆、试样盒、承重板、衔接板与升降杆的组装示意图。

图3为本装置装置的第二视角整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-3，一种模拟水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的实验装置，它包括用于模拟实验过程中水位升降变化的水位升降模拟系统；所述水位升降模拟系统的内部支撑安装有用于对实验装置进行安装的支撑系统；所述支撑系统上配合安装有用于对实验过程进行测量和记录的测量系统。通过采用上述的实验装置能够用于研究水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的破坏过程。

进一步的，所述水位升降模拟系统包括底板支座1，所述底板支座1的顶部四个侧面固定安装有透明挡板2并围成整个水箱结构；在其中一侧的透明挡板2上部安装有多个并排布置的进水阀3，进水阀3相对侧的透明挡板2下部安装有多个出水阀4。通过采用上述的水位升降模拟系统能够用于模拟水位变化过程，进而实现对土样的实验。

进一步的，所述支撑系统包括对称布置的水位升降模拟系统的水箱结构两侧的升降杆5，升降杆5的顶部支撑安装有承重板7；在水箱结构的顶部设置有和承重板7平行布置的支撑杆6，所述支撑杆6能够在水箱结构顶部前后移动。通过上述的支撑系统能够用于对试样盒11进行支撑，并能够对其高度进行调节。升降杆5单独固定于透明挡板2两侧以避免实验过程中水位升降的扰动对天平称量的扰动。

进一步的，所述测量系统包括电子天平9，电子天平9设置在支撑系统的承重板7的顶部中间部位，并用于称量试验土样在水上和水下的质量、用于确定土样的含水率变化和崩塌量；电子平台9的顶部支撑有衔接板8，衔接板8的底端通过多根轻质连杆10吊装有试样盒11。通过上述的测量系统能够用于对试验过程中试样盒11以及土样进行称重。

进一步的，所述测量系统还包括摄像头13，摄像头13固定安装在支撑系统的支撑杆6顶部中间部位，并使其对准试样盒11用于拍摄土体表面裂缝的发展过程、用于确定裂缝数量及各裂缝宽度和长度的变化规律。通过上述的摄像头13能够用于记录试验过程中土样的变化过程。

进一步的，所述支撑杆6的底端中间部位固定有暖风扇12。通过上述的暖风扇12用于在试验过程中实现土样的干燥。

实施例2：

采用所述实验装置模拟水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的实验方法，包括以下步骤：

步骤一，将水位升降模拟系统整体组装完毕后，检查升降杆5是否正常使用并固定其位置，将暖风扇12和摄像头13与支撑杆6组装完成后置于透明挡板2上；

步骤二，将试样盒11、连接杆10、电子天平9、衔接板8与承重板7组装完成后，悬空置于升降杆5之上，此时升降杆5高度为最低，且试样盒11不与底板支座1的底板接触；

步骤三，打开进水阀3，将水位升降模拟系统内的水位提升至预设高度后等待水面相对静止，此时试样盒11浸入水面以下，记录此时电子天平9读数为：

步骤四，抬高升降杆5的高度，使试样盒11位于水面以上，记录此时电子天平9读数为：

步骤五，将制备的饱和土样放置于试样盒11内，记录此时电子天平9读数为：

计算初始状态时土样的水上质量为：

且

此时土样初始含水率：

式中：

为水上土样质量，

为固体颗粒质量，

为土中水质量；

步骤六，降低升降杆5的高度，将试样和试样盒11浸入水面以下，记录此时电子天平9读数为：

计算初始状态时土样的水下质量为：

步骤七，提高升降杆5的高度，使试样及试样盒11位于水面以上，开启暖风扇12和摄像头13且持续作用时长T₁，模拟水位下降后的自然风干作用，并记录水分蒸发条件下的试样质量变化、拍摄土体表面失水后的裂缝发展情况；

步骤八，关闭暖风扇12和摄像头13，降低升降杆5高度，再次将试样和试样盒11浸入水面以下，模拟水位上升后土样经历的浸泡和软化作用，连续记录土体沿裂缝出现崩解坍塌时试样的质量变化数据，持续时长T₂后记录电子天平9读数为：

则第一次干湿循环作用下土样崩塌后水下质量：

计算得土中固体颗粒的质量为：

式中：d_s为土颗粒比重；

步骤九，再次提高升降杆5的高度，使试样及试样盒11位于水面以上，记录此时电子天平9读数：

计算第一次干湿循环作用下土样崩塌完成时的水上质量为：

此时土中水质量为：

土样含水率为：

式中：

为第一次干湿循环后固体颗粒质量；

步骤十，重复以上步骤七-步骤九，记录四个方面数据到试验过程数据记录内容表中：1)每一个自然风干过程中试样的质量变化与裂缝发展的测量数据；2)每一个浸泡软化过程中试样的水下质量逐渐变化的数据；3)第n次干湿循环后土样的水下质量：

计算得到

4)第n次干湿循环后土样的水上质量：

计算得到：

步骤十一，开展以下数据分析：1)各风干阶段试样质量变化与裂缝发展的相关关系；2)各浸泡过程中土体崩塌后水下质量减少与浸泡时间的关系；3)土样固体颗粒质量变化随干湿循环次数增加的演变规律，揭示土体崩塌进程。

在步骤八中，能够通过同时打开进水阀3和出水阀4，调节阀门使水位稳定且水流保持匀速流动，此时土样在浸泡和水流冲刷共同作用下，土体崩塌更快，也能够用于分析研究含裂隙土样的崩塌量与水流流速的关系。

表1试验过程数据记录内容表

Claims (8)

1.一种模拟水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的实验装置，其特征在于：它包括用于模拟实验过程中水位升降变化的水位升降模拟系统；

所述水位升降模拟系统的内部支撑安装有用于对实验装置进行安装的支撑系统；

所述支撑系统上配合安装有用于对实验过程进行测量和记录的测量系统。

2.根据权利要求1所述一种模拟水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的实验装置，其特征在于：所述水位升降模拟系统包括底板支座(1)，所述底板支座(1)的顶部四个侧面固定安装有透明挡板(2)并围成整个水箱结构；在其中一侧的透明挡板(2)上部安装有多个并排布置的进水阀(3)，进水阀(3)相对侧的透明挡板(2)下部安装有多个出水阀(4)。

3.根据权利要求1所述一种模拟水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的实验装置，其特征在于：所述支撑系统包括对称布置的水位升降模拟系统的水箱结构两侧的升降杆(5)，升降杆(5)的顶部支撑安装有承重板(7)；在水箱结构的顶部设置有和承重板(7)平行布置的支撑杆(6)，所述支撑杆(6)能够在水箱结构顶部前后移动。

4.根据权利要求1所述一种模拟水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的实验装置，其特征在于：所述测量系统包括电子天平(9)，电子天平(9)设置在支撑系统的承重板(7)的顶部中间部位，并用于称量试验土样在水上和水下的质量、用于确定土样的含水率变化和崩塌量；电子平台(9)的顶部支撑有衔接板(8)，衔接板(8)的底端通过多根轻质连杆(10)吊装有试样盒(11)。

5.根据权利要求4所述一种模拟水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的实验装置，其特征在于：所述测量系统还包括摄像头(13)，摄像头(13)固定安装在支撑系统的支撑杆(6)顶部中间部位，并使其对准试样盒(11)用于拍摄土体表面裂缝的发展过程、用于确定裂缝数量及各裂缝宽度和长度的变化规律。

6.根据权利要求3所述一种模拟水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的实验装置，其特征在于：所述支撑杆(6)的底端中间部位固定有暖风扇(12)。

7.采用权利要求1-6任意一项所述实验装置模拟水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将水位升降模拟系统整体组装完毕后，检查升降杆(5)是否正常使用并固定其位置，将暖风扇(12)和摄像头(13)与支撑杆(6)组装完成后置于透明挡板(2)上；

步骤二，将试样盒(11)、连接杆(10)、电子天平(9)、衔接板(8)与承重板(7)组装完成后，悬空置于升降杆(5)之上，此时升降杆(5)高度为最低，且试样盒(11)不与底板支座(1)的底板接触；

步骤三，打开进水阀(3)，将水位升降模拟系统内的水位提升至预设高度后等待水面相对静止，此时试样盒(11)浸入水面以下，记录此时电子天平(9)读数为：

步骤四，抬高升降杆(5)的高度，使试样盒(11)位于水面以上，记录此时电子天平(9)读数为：

步骤五，将制备的饱和土样放置于试样盒(11)内，记录此时电子天平(9)读数为：

计算初始状态时土样的水上质量为：

且

此时土样初始含水率：

式中：

为水上土样质量，

为固体颗粒质量，

为土中水质量；

步骤六，降低升降杆(5)的高度，将试样和试样盒(11)浸入水面以下，记录此时电子天平(9)读数为：

计算初始状态时土样的水下质量为：

步骤七，提高升降杆(5)的高度，使试样及试样盒(11)位于水面以上，开启暖风扇(12)和摄像头(13)且持续作用时长T₁，模拟水位下降后的自然风干作用，并记录水分蒸发条件下的试样质量变化、拍摄土体表面失水后的裂缝发展情况；

步骤八，关闭暖风扇(12)和摄像头(13)，降低升降杆(5)高度，再次将试样和试样盒(11)浸入水面以下，模拟水位上升后土样经历的浸泡和软化作用，连续记录土体沿裂缝出现崩解坍塌时试样的质量变化数据，持续时长T₂后记录电子天平(9)读数为：

则第一次干湿循环作用下土样崩塌后水下质量：

计算得土中固体颗粒的质量为：

式中：d_s为土颗粒比重；

步骤九，再次提高升降杆(5)的高度，使试样及试样盒(11)位于水面以上，记录此时电子天平(9)读数：

计算第一次干湿循环作用下土样崩塌完成时的水上质量为：

此时土中水质量为：

土样含水率为：

式中：

为第一次干湿循环后固体颗粒质量；

步骤十，重复以上步骤七-步骤九，记录四个方面数据到试验过程数据记录内容表中：1)每一个自然风干过程中试样的质量变化与裂缝发展的测量数据；2)每一个浸泡软化过程中试样的水下质量逐渐变化的数据；3)第n次干湿循环后土样的水下质量：

计算得到

4)第n次干湿循环后土样的水上质量：

计算得到：

步骤十一，开展以下数据分析：1)各风干阶段试样质量变化与裂缝发展的相关关系；2)各浸泡过程中土体崩塌后水下质量减少与浸泡时间的关系；3)土样固体颗粒质量变化随干湿循环次数增加的演变规律，揭示土体崩塌进程。

8.根据权利要求7所述采用实验装置模拟水位周期升降作用下土体开裂崩塌进程的实验方法，其特征在于，在步骤八中，能够通过同时打开进水阀(3)和出水阀(4)，调节阀门使水位稳定且水流保持匀速流动，此时土样在浸泡和水流冲刷共同作用下，土体崩塌更快，也能够用于分析研究含裂隙土样的崩塌量与水流流速的关系。

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