CN115290533A - 一种模拟土体渗透的离心模型试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模拟土体渗透的离心模型试验装置及试验方法，离心模型试验装置包括渗透容器、模型箱和注水管，所述渗透容器放置在模型箱内；所述注水管竖直设置在渗透容器的上方，且与渗透容器内腔连通；所述渗透容器内从上向下依次设有上透水层、试验土体层和下透水层，渗透容器的底部侧面设有排水口。本发明提供的一种模拟土体渗透的离心模型试验装置及试验方法，可模拟多种以及较大渗透水头进行渗透试验，且适用多种类型土体。
Description
技术领域
本发明属于土工离心模型试验技术领域，具体来说，涉及一种模拟土体渗透的离心模型试验装置及试验方法。
背景技术
土工试验中固结与孔隙水压力扩散问题取决于土体渗透性，目前，开展土体渗透研究的试验仍是以室内小单元体试验为主，其中常水头试验适用于渗透性较大的粗粒土，变水头试验适用于渗透性较小的粘性土，每种装置适用土体有一定的局限性。其次，受制于试验装置尺寸，单元体试验渗透水头较小，试验时间较长。为了更全面系统地开展土体渗透研究，需要提供一种试验装置，可适用多种类型土体，且可模拟大渗透水头。
发明内容
本发明针对上述不足，提供一种模拟土体渗透的离心模型试验装置及试验方法，可模拟多种以及较大渗透水头进行渗透试验，且适用多种类型土体。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供一种模拟土体渗透的离心模型试验装置，包括渗透容器、模型箱和注水管，所述渗透容器放置在模型箱内；所述注水管竖直设置在渗透容器的上方，且与渗透容器内腔连通；所述渗透容器内从上向下依次设有上透水层、试验土体层和下透水层，渗透容器的底部侧面设有排水口。
作为本发明的进一步改进，所述渗透容器包括上盖板、圆筒和下盖板，上盖板设置在圆筒的顶端并覆盖圆筒的顶端开口，下盖板设置在圆筒的底端并覆盖圆筒的底端开口，上盖板和下盖板之间通过第一螺杆连接；上盖板、圆筒和下盖板之间形成密闭空间；上盖板开设有注水口，上盖板通过注水口与注水管密封连接。
作为本发明的进一步改进，所述排水口设置在下盖板的侧面，下盖板上还设有连通圆筒内腔与排水口的排水通道。
作为本发明的进一步改进，所述排水口处设有阀门。
作为本发明的进一步改进，还包括激光位移传感器和浮标，所述激光位移传感固定在注水管的正上方；使用时，浮标漂浮在注水管内的水面上，且与激光位移传感器的检测头相对。
作为本发明的进一步改进，所述激光位移传感器安装在横梁上，横梁通过第二螺杆固定在模型箱上，且横梁位于注水管的上方。
作为本发明的进一步改进，所述注水管包括测量管和连接管，测量管的底端与连接管的顶端连接，连接管的底端与渗透容器连接。
作为本发明的进一步改进，还包括土工离心机，所述模型箱放置在土工离心机的吊篮平台上。
第二方面，本发明还提供一种模拟土体渗透的离心试验方法，采用上述离心模型试验装置，所述方法包括以下步骤：
步骤10)将装有已预压固结成型的试验土样的渗透容器放置到模型箱内，关闭排水口，将注水管安装到渗透容器上方，并将模型箱放置到土工离心机上；
步骤20)从注水管向渗透容器中注水，直至渗透容器充满水且注水管中的水达到预设高度；同时向模型箱中注水，直至模型箱中充满水；
步骤30)测量注水管中的水位高度；打开排水口，启动土工离心机，土工离心机以预设离心加速度运转，实时测量注水管中的水位高度。
作为本发明的进一步改进，所述步骤30)中，在测量注水管中的水位高度前，先打开排水口，排出渗透容器底部的空气，直到排水口溢出的水中无气泡，关闭排水口；再向注水管中注入水，使得注水管中的水位达到预设高度。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：本发明提供的一种模拟土体渗透的离心模型试验装置及试验方法，可通过改变初始状态时注水管中的水位高度或者通过改变离心加速度，从而模拟不同的渗透水头进行渗透试验。本发明通过初始状态时注水管中的水位高度和离心加速度的配合调节，可模拟较大的渗透水头。本发明可用于粘土、粉土及砂土的渗透试验，液限范围一般为20％～45％。本发明在超重力场中开展粘土、粉土、砂土等多种土体的渗透特性研究，具有适用土体类型多、渗透水头大及适应高离心加速度等优点。
附图说明
图1为本发明实施例的模拟土体渗透的离心模型试验装置的结构示意图。
图中有：渗透容器1、上盖板11、圆筒12、下盖板13、排水口14、第一螺杆15、上透水层16、试验土体层17、下透水层18、模型箱2、注水管3、测量管31、连接管32、激光位移传感器41、浮标42、横梁51、第二螺杆52。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明实施例提供一种模拟土体渗透的离心模型试验装置，如图1所示，包括渗透容器1、顶端开放的模型箱2和注水管3，渗透容器1放置在模型箱2内。注水管3竖直设置在渗透容器1的上方，且与渗透容器内腔连通。渗透容器1内从上向下依次设有上透水层16、试验土体层17和下透水层18，渗透容器1的底部侧面设有排水口14。其中，下透水层18用于放置下透水石，试验土体层17用于放置试验土体，上透水层16用于放置上透水石，试验土体放置在上透水石和下透水石之间。优选的，排水口14处设有阀门，便于打开或关闭排水口14。本实施例的离心模型试验装置还包括土工离心机，土工离心机可采用现有的带有吊篮的土工离心机，试验时，模型箱2放置在土工离心机的吊篮平台上。
使用上述实施例的离心模型试验装置进行模拟土体渗透试验时，先关闭渗透容器1的排水口14，从注水管3顶端开口向渗透容器1中注水，使得渗透容器1充满水，且注水管3中的水达到预设高度。同时，向模型箱2中注水，使得模型箱2中也充满水。记录注水管中的水位高度后，打开排水口14，启动土工离心机进行试验，整个装置处于预设离心加速度的离心环境下，在整个试验过程中记录注水管中的水位变化。
土体渗透试验中土体渗透特性取决于渗透水头及土体参数等，利用本实施例的试验装置在离心模型试验中可开展一系列不同水头作用下土体渗透性研究。试验过程中将渗透容器放在模型箱中，且模型箱中加满水，保证试验土样一直处于饱和状态，下水位为模型箱顶端高度，上水位为注水管中的水位，在上下水位差形成的压力作用下，水体从试验土样渗出经排水管进入模型箱，由于模型箱中充满了水，多余的水会溢出模型箱，模型箱中始终保持满水状态。下水位保持不变，试验过程中记录上水位的变化。
采用本实施例的离心模型试验装置进行试验时，可通过改变初始状态时注水管中的水位高度或者通过改变离心加速度，从而模拟不同的渗透水头进行渗透试验，解决一套试验装置只能模拟一种渗透水头的问题。本实施例通过初始状态时注水管中的水位高度和离心加速度的配合调节，可模拟较大的渗透水头，解决常规装置受限于尺寸而只能模拟较小渗透水头的问题。例如，初始状态时注水管中的水位高度与模型箱顶端的高度差为30cm，试验时离心加速度为150g，即可模拟45m渗透水头。本发明既可做变水头试验，也可做常水头试验，只需在做常水头试验时向注水管中补水使达到始状态时的水位高度即可，从而可适用于不同渗透特性的多种土体，可用于粘土、粉土及砂土的渗透试验，液限范围一般为20％～45％。本实施例的离心模型试验装置，在高离心加速度下不漏水，结构变形小于1mm。本实施例的离心模型试验装置可在超重力场中开展粘土、粉土、砂土等多种土体的渗透特性研究，具有适用土体类型多、渗透水头大及适应高离心加速度等特点。
优选的，模型箱2中安装有孔隙水压计，放置在模型箱底部，用于测量模型箱2中水压，从而实时监测下水位是否变化。如果水压不变，则说明下水位没有变化。
考虑到做不同试验土体的渗透试验时，需要更换试验土体，且要拆装方便，本实施例提供一种渗透容器的优选结构。如图1所示，渗透容器1包括上盖板11、上下开放的圆筒12和下盖板13，上盖板11设置在圆筒12的顶端并覆盖圆筒的顶端开口，下盖板13设置在圆筒12的底端并覆盖圆筒的底端开口。上盖板11和下盖板13之间通过第一螺杆15连接，第一螺杆15的上端与上盖板11通过螺母固定，第一螺杆15的下端与下盖板13通过螺母固定，从而将上盖板11、圆筒12和下盖板13进行紧密连接固定。上盖板11、圆筒12和下盖板13之间形成密闭空间。第一螺杆15有多根，沿圆筒12周向设置在上盖板11与下盖板13之间。上盖板11开设有注水口，上盖板11通过注水口与注水管3密封连接，从而注水管3通过注水口与圆筒内腔连通。具体的，注水口的内圆周面设有内螺纹，注水管外圆周面设有与内螺纹适配的外螺纹，注水管3与注水口螺纹连接。渗透容器采用上下盖板加圆筒的结构，这种结构更有利于改善边界约束，试验过程中受边界影响较小，试验结果更加可靠。其中，圆筒采用铝合金制成，呈圆柱体状，厚度为15～18mm。上盖板和下盖板均采用铝合金制成，呈板状，厚度为10～15mm。
优选的，排水口14设置在下盖板13的侧面，下盖板13上端设有连通圆筒内腔与排水口的排水通道。下透水层位于下盖板13上方，圆筒12中透过下透水层的水流到下盖板上端的排水通道中，继而从排水口14排出。
作为优选例，本实施例的离心模型试验装置还包括激光位移传感器41和浮标42，激光位移传感41固定在注水管3的正上方。使用时，浮标42漂浮在注水管内的水面上，且与激光位移传感器的检测头相对。试验过程中，注水管3中的水位下移，浮标42始终漂浮在水面上，通过激光位移传感器41检测其与浮标42之间的位移变化，即可得到注水管中水位的高度变化。本实施例采用激光位移传感器和浮标配合测量水位变化，在复杂的超重力场环境中，激光位移传感器精度高、抗干扰能力强，试验过程中可以实时全周期监测上水位变化。
进一步优选，激光位移传感器41安装在横梁51上，横梁51通过第二螺杆52固定在模型箱2上，且横梁51位于注水管3的上方。第二螺杆的下端与模型箱的箱壁连接，第二螺杆的上端与横梁51连接。第二螺杆有两根，横梁水平设置，横梁的两端分别与两个第二螺杆的上端连接。
优选的，注水管3包括测量管31和连接管32，测量管31的底端与连接管32的顶端连接，连接管32的底端与渗透容器1连接，且测量管31的直径小于连接管的直径。测量管和连接管兼具储水作用，为了更加真实模拟水流条件，使得水流流速不宜过快或过慢，测量管31和连接管32采用了不同管径，测量管31直径较小，连接管32直径较大。
本发明实施例还提供一种模拟土体渗透的离心试验方法，采用上述离心模型试验装置，方法包括以下步骤：
步骤10)将装有已预压固结成型的试验土样的渗透容器1放置到模型箱2内，关闭排水口，将注水管3安装到渗透容器1上方，并将模型箱2放置到土工离心机的吊篮平台上。
步骤20)从注水管3向渗透容器1中注水，直至渗透容器1充满水且注水管中的水位达到预设高度。同时向模型箱2中注水，直至模型箱中充满水。
步骤30)测量注水管中的水位高度。打开排水口，启动土工离心机，土工离心机以预设离心加速度运转，实时测量注水管中的水位高度。
其中，预设高度为小于等于注水管顶端高度的任意高度，预设离心加速度为1g～150g。
优选的，步骤30)中，在测量注水管中的水位高度前，为避免试验土样中的气体影响土体渗透特性，先打开排水口，排出试验土样内部的空气，直到排水口14排出的水中无气泡，关闭排水口。再向注水管中注入水，使得注水管中的水位达到预设高度。
下面提供一具体实例。
步骤1)制作土工离心模型。
将圆筒放在下盖板上，下透水石放置在圆筒内，使得下透水石位于下盖板上方，在下透水石上依次放置试验土样和上透水石，按照设定密度将试验土样预压固结成型，在圆筒上盖上上盖板，将第一螺杆的两端分别与上盖板和下盖板连接，从而使得上盖板、圆筒和下盖板紧密相连，构成渗透容器。将连接管安装到上盖板上，再将测量管安装到连接管上。将渗透容器放置到模型箱中。并通过两根第二螺杆将横梁平行固定到模型箱上方，在横梁上安装激光位移传感器，使得激光位移传感器位于测量管的正上方。将模型箱放置到土工离心机的吊篮平台上。
步骤2)进行渗透离心试验。
关闭排水口，从测量管向渗透容器中注水，直至渗透容器充满水，测量管中的水位到模型箱顶端的距离为30cm。同时向模型箱中注水，直至模型箱中也充满水。打开排水口，排出渗透容器底部的空气，直到溢出的水中无气泡后，关闭排水口，再向测量管中加水，使得测量管中的水位到模型箱顶端的距离为30cm，记录测量管中的水位高度。打开排水口，启动土工离心机，土工离心机以1g离心加速度运转进行试验，模拟的渗透水头为0.3m。试验过程中记录测量管中的水位高度。
如果要模拟不同渗透水头，可改变步骤2)中的离心加速度，其它不变，使得土工离心机分别以10g、25g、50g、75g、100g、150g离心加速度运转进行试验，从而分别模拟3m、7.5m、15m、22.5m、30m、45m渗透水头，试验过程中记录测量管中的水位高度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (10)
1.一种模拟土体渗透的离心模型试验装置，其特征在于，包括渗透容器(1)、模型箱(2)和注水管(3)，所述渗透容器(1)放置在模型箱(2)内；所述注水管(3)竖直设置在渗透容器(1)的上方，且与渗透容器内腔连通；所述渗透容器(1)内从上向下依次设有上透水层、试验土体层和下透水层，渗透容器(1)的底部侧面设有排水口(14)。
2.根据权利要求1所述的离心模型试验装置，其特征在于，所述渗透容器(1)包括上盖板(11)、圆筒(12)和下盖板(13)，上盖板(11)设置在圆筒(12)的顶端并覆盖圆筒的顶端开口，下盖板(13)设置在圆筒(12)的底端并覆盖圆筒的底端开口，上盖板(11)和下盖板(13)之间通过第一螺杆(15)连接；上盖板(11)、圆筒(12)和下盖板(13)之间形成密闭空间；上盖板(11)开设有注水口，上盖板(11)通过注水口与注水管(3)密封连接。
3.根据权利要求2所述的离心模型试验装置，其特征在于，所述排水口(14)设置在下盖板(13)的侧面，下盖板(13)上还设有连通圆筒内腔与排水口的排水通道。
4.根据权利要求1所述的离心模型试验装置，其特征在于，所述排水口(14)处设有阀门。
5.根据权利要求1所述的离心模型试验装置，其特征在于，还包括激光位移传感器(41)和浮标(42)，所述激光位移传感(41)固定在注水管(3)的正上方；使用时，浮标(42)漂浮在注水管内的水面上，且与激光位移传感器的检测头相对。
6.根据权利要求5所述的离心模型试验装置，其特征在于，所述激光位移传感器(41)安装在横梁(51)上，横梁(51)通过第二螺杆(52)固定在模型箱(2)上，且横梁(51)位于注水管(3)的上方。
7.根据权利要求1所述的离心模型试验装置，其特征在于，所述注水管(3)包括测量管(31)和连接管(32)，测量管(31)的底端与连接管(32)的顶端连接，连接管(32)的底端与渗透容器(1)连接。
8.根据权利要求1所述的离心模型试验装置，其特征在于，还包括土工离心机，所述模型箱(2)放置在土工离心机的吊篮平台上。
9.一种模拟土体渗透的离心试验方法，其特征在于，采用权利要求1-8任意一项所述的离心模型试验装置，所述方法包括以下步骤：
步骤10)将装有已预压固结成型的试验土样的渗透容器(1)放置到模型箱(2)内，关闭排水口，将注水管(3)安装到渗透容器(1)上方，并将模型箱(2)放置到土工离心机上；
步骤20)从注水管(3)向渗透容器(1)中注水，直至渗透容器(1)充满水且注水管中的水达到预设高度；同时向模型箱(2)中注水，直至模型箱中充满水；
步骤30)测量注水管中的水位高度；打开排水口，启动土工离心机，土工离心机以预设离心加速度运转，实时测量注水管中的水位高度。
10.根据权利要求9所述的离心试验方法，其特征在于，所述步骤30)中，在测量注水管中的水位高度前，先打开排水口，排出渗透容器底部的空气，直到排水口溢出的水中无气泡，关闭排水口；再向注水管中注入水，使得注水管中的水位达到预设高度。
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