CN115683823A - 一种高水压Trapdoor模型试验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高水压Trapdoor模型试验装置及使用方法，该高水压Trapdoor模型试验装置包括PIV分析单元、液体材料、固体材料、孔隙水压力计、第一土压力传感器、第二土压力传感器、第三土压力传感器、试验箱、充压单元，试验箱箱体设有开口，开口处由基板封闭，基板设有开孔，开孔处设有活动门，活动门能进行上下移动，活动门内布置有第三土压力传感器，基板内布置有第一土压力传感器，基板上填充有固体材料，固体材料内布置有第二土压力传感器和孔隙水压力计，固体材料上填充有液体材料，液体材料与试验箱箱体的顶盖内壁之间预留有设定的空间用于填充气体。本发明的有益效果是：可探究高水压条件下土拱形成及演化机制。

Description

一种高水压Trapdoor模型试验装置及使用方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种高水压Trapdoor模型试验装置及使用方法。

背景技术

土拱效应是岩土工程一种常见的现象。到目前为止，国内外诸多学者在模型试验方面开展了大量的研究工作。但是，已有的研究基本上只考虑了固体材料处于干燥状态的单相研究，对于考虑液体存在的两相土拱效应的研究较为缺乏。另一方面，已有的试验模型装置并未考虑材料的预处理，材料性能利用率较低。

中国专利申请号202011376084.0公开了“静动荷载条件下Trapdoor模型试验装置及其试验方法”，包括容纳填土的试验箱、加载机构、固定单元和Trapdoor模块，所述Trapdoor模块由薄板以及设于所述薄板底部的弹簧组成。该装置考虑了活动门的位移与其上覆土压力之间的关系，但改专利无法研究存在液体时的土拱效应发展规律。中国专利申请号201710306490.1公开了“一种基于透明土技术的动力土拱模型试验系统及方法”，所述试验系统可实时观测土拱的演化情况，但所能考虑的压力条件有限，无法进行高压条件下的研究。中国专利申请号202020357272.8及中国专利申请号202010193579.3所述的装置能够实现对重叠隧道的不同宽度的空间所产生的土拱效应进行试验，然而试验装置所用材料并未进行预处理，同等条件下所能研究的压力水平较低。中国专利申请号202020208108.0及中国专利申请号202010117689.1采用可调节的水土加压装置，可以有效研究隧道在不同水头的富水砂土地层中不同位置时的渗流侵蚀规律，但无法保证试验箱内的压力保持恒定不变。中国专利申请号201911252029.8公开了“一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置”，所述装置解决了棚架结构动态土拱效应的研究较少的问题，但该装置未考虑液体存在的密封性问题，探究两相条件下土拱演化规律较为困难。

发明内容

本发明提供了一种高水压Trapdoor模型试验装置，包括PIV分析单元、液体材料、固体材料、孔隙水压力计、土压力传感器、试验箱、充压单元、所述土压力传感器包括第一土压力传感器、第二土压力传感器、第三土压力传感器，所述试验箱箱体设有开口，所述开口处由基板封闭，所述基板设有开孔，所述开孔处设有活动门，所述活动门能进行上下移动，所述活动门内布置有第三土压力传感器，所述基板内布置有所述第一土压力传感器，所述基板上填充有所述固体材料，所述固体材料内布置有所述第二土压力传感器和所述孔隙水压力计，所述固体材料上填充有所述液体材料，所述液体材料与所述试验箱箱体的顶盖内壁之间预留有设定的空间用于填充气体，所述充压单元与所述试验箱相连，所述充压单元用于向所述试验箱内填充气体，所述PIV分析单元用于记录所述试验箱内土拱发展深化规律。

作为本发明的进一步改进，所述基板包括第一垫块、支柱和底座，所述第一垫块下方安装有所述支柱，所述支柱安装在所述底座上，所述第一垫块内布置有所述第一土压力传感器。

作为本发明的进一步改进，所述活动门包括Trapdoor模块、驱动装置，所述驱动装置驱动所述Trapdoor模块进行上下移动；所述Trapdoor模块包括第二垫块、可伸缩柱、支座，所述第二垫块通过所述可伸缩柱安装在所述支座上，所述第二垫块内布置有所述第三土压力传感器。

作为本发明的进一步改进，所述第一垫块、所述支柱数量为多个，每个所述第一垫块下方各安装有两根所述支柱；所述第二垫块数量为多个，所述可伸缩柱上安装一个或多个所述第二垫块；所述Trapdoor模块数量为一个或多个。

作为本发明的进一步改进，所述孔隙水压力计数量为多个，所述固体材料按照分层填筑方式填充到所述试验箱内，所述固体材料的每一层按照设定的间隔沿着该高水压Trapdoor模型试验装置的水平方向和竖直方向分别布置有所述第二土压力传感器和所述孔隙水压力计。

作为本发明的进一步改进，所述试验箱箱体的顶盖、左侧壁、右侧壁、后面板设置为向外凸出的鼓包形状，所述试验箱箱体上上设有观测窗口，所述观测窗口设于所述试验箱箱体的前面板上。

作为本发明的进一步改进，所述试验箱箱体的顶盖、左侧壁、右侧壁、后面板分别设置为向外凸出的一个或多个鼓包形状；所述试验箱箱体的顶盖上的多个鼓包形成波浪型；所述试验箱箱体的顶盖、左侧壁、右侧壁、后面板采用钢板或铝板制成；所述观测窗口采用平面板，所述平面板为透明有机玻璃制成。

作为本发明的进一步改进，所述固体材料包括砂、土、碎石和玻璃珠，所述液体材料包括水、甘油、泥浆；所述PIV分析单元包括拍摄装置和PIV分析系统，所述PIV分析系统用于记录所述试验箱内土拱发展深化规律；该高水压Trapdoor模型试验装置还包括通气管、密封圈，所述试验箱的箱体上设有通孔，所述通气管一端穿过所述通孔进入所述试验箱箱体内，所述通气管另一端与所述充压单元相连，所述通气管外表面与所述通孔之间安装有所述密封圈；该高水压Trapdoor模型试验装置还包括数据收集系统，所述数据收集系统用于记录所述土压力传感器、所述孔隙水压力计上的数据。

作为本发明的进一步改进，所述充压单元包括空压机、压力表、数据调节系统，所述数据调节系统分别与所述空压机、所述压力表相连，所述空压机与所述压力表相连，所述压力表与所述通气管相连。

本发明还公开了一种高水压Trapdoor模型试验装置的使用方法，包括执行以下步骤：

步骤1：根据试验所需的固体材料颗粒级配曲线进行配置，根据试验要求获添加浓度、成分的液体材料。

步骤2：确定活动门数量和位移方向，进行试验材料填筑之前保证Trapdoor模块与基板的高度一致。

步骤3：在Trapdoor模块的第二垫块内布置第三土压力传感器，在基板的第一垫块内布置第一土压力传感器，将固体材料按照分层填筑方式添加到试验箱内，固体材料的每一层按照设定的间隔布设第二土压力传感器和孔隙水压力计。

步骤4：读取土压力传感器和孔隙水压力计上的数据，等待数据稳定之后，记录此时数据，然后往试验箱内加入液体材料到达指定高度后，静置至数据读数再次稳定。

步骤5：根据试验所述的压力条件，往试验箱内充入气体，当压力表的读数达到指定数值后，静置一段时间，期间空压机始终处于开启状态直至试验结束。

步骤6：先开启PIV分析单元，然后开启Trapdoor模块，使得Trapdoor模块上升/下降，PIV分析单元负责记录试验箱内土拱发展演化规律，数据收集系统负责记录土压力传感器、孔隙水压力计上的数据。

在所述步骤3中，所述固体材料的每一层按照设定的间隔沿着该高水压Trapdoor模型试验装置的水平方向和竖直方向分别布置有所述第二土压力传感器和所述孔隙水压力计。

在所述步骤5中，试验箱箱体内的气压由数据调节系统伺服调节控制，确保试验箱内压力保持恒定。

本发明的有益效果是：1.本发明的高水压Trapdoor模型试验装置，可探究高水压条件下土拱形成及演化机制；2.本发明的高水压Trapdoor模型试验装置能根据试验研究所需添加不同液体材料；3.本发明的高水压Trapdoor模型试验装置考虑了模型装置材料向外凸出的鼓包、波浪形的预处理，实现材料强度的最大化利用。

附图说明

图1是本发明高水压Trapdoor模型试验装置剖面图；

图2是本发明高水压Trapdoor模型试验装置侧面的剖面图；

图3是本发明高水压Trapdoor模型试验装置波浪型顶盖结构图；

图4是本发明高水压Trapdoor模型试验装置右侧壁为一个鼓包形状的结构图；

图5是本发明高水压Trapdoor模型试验装置右侧壁为多个鼓包形状的结构图；

图6是本发明高水压Trapdoor模型试验装置单Trapdoor模块结构图；

图7是本发明高水压Trapdoor模型试验装置多Trapdoor模块结构图；

图8是本发明Trapdoor模块上安装一个第二垫块结构图；

图9是本发明Trapdoor模块上安装两个第二垫块结构图。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明公开了一种高水压Trapdoor模型试验装置，包括PIV分析单元1、液体材料8、固体材料9、孔隙水压力计10、第一土压力传感器11、第二土压力传感器、第三土压力传感器24、试验箱19、充压单元，所述试验箱19箱体设有开口，所述开口处由基板封闭，所述基板设有开孔，所述开孔处设有活动门，所述活动门能进行上下移动，所述活动门内布置有第三土压力传感器24，所述基板内布置有所述第一土压力传感器11，所述基板上填充有所述固体材料9，所述固体材料9内布置有所述第二土压力传感器和所述孔隙水压力计10，所述固体材料9上填充有所述液体材料8，所述液体材料8与所述试验箱19箱体的顶盖内壁之间预留有设定的空间用于填充气体16，所述充压单元与所述试验箱19相连，所述充压单元用于向所述试验箱19内填充气体16，所述PIV分析单元1用于记录所述试验箱19内土拱发展深化规律；所述试验箱19上还设有观测窗口。

所述试验箱19箱体的顶盖17、左侧壁26、右侧壁7、后面板28采用向外凸出的鼓包形状组成，所述的试验箱19箱体的顶盖17和侧壁7可以为钢板、铝板等材料；所述试验箱19的正前方观测窗口为透明机玻璃，所述透明机玻璃为水平面。

如图3-5所示，所述的试验箱19的顶盖17和两个侧壁向外凸出的鼓包形状可以是一个鼓包或者多个鼓包组成；所述的试验箱19的顶盖17上的多个鼓包形成波浪型。

试验箱19内填筑的固体材料9按照分层填筑的方式进行；完成所述固定材料9填筑之后，再往试验箱19箱体内加入一定高度的液体材料8，并预留一定的空间填充气体16。

固体材料9内部按照一定间隔沿着该高水压Trapdoor模型试验装置水平和竖直方向布置有第二土压力传感器和孔隙水压力计10；固体材料9可以为砂、土、碎石和玻璃珠等材料；所述的液体材料8可以为水、甘油、泥浆等。

PIV分析单元1包括拍摄装置和PIV分析系统，所述PIV分析系统用于记录所述试验箱19内土拱发展深化规律；该高水压Trapdoor模型试验装置还包括数据收集系统，所述数据收集系统用于记录所述土压力传感器、所述孔隙水压力计10上的数据。

如图6-9所示，Trapdoor模块15由第二垫块21、可伸缩柱22和支座23组成；Trapdoor模块15可以移动一个或多个第二垫块21；Trapdoor模块15数量可以为一个或多个。

所述的Trapdoor模块15运动过程由驱动装置控制，所述驱动装置优先为伺服控制系统；Trapdoor模块15可以向上移动也可以向下移动。

基板由第一垫块12、支柱13和底座14组成；所述第一垫块12内埋设有所述第一土压力传感器11。

充压单元由空压机2、压力表3及数据调节系统4组成；所述的空压机2通过通气管5连接压力表3，并接入到试验箱19内。

通气管5穿过左侧壁26预留的通孔进入试验箱19箱体内；通气管5与左侧壁26的通孔之间用密封圈6填充。

充压单元在充压过程利用压力表3得到的数据，根据数据调节系统4伺服控制试验箱19内的压强保持恒定数值。

本发明还公开了一种高水压Trapdoor模型试验装置的使用方法，包括执行以下步骤：

步骤1：根据试验所需的固体材料9颗粒级配曲线进行配置，根据试验要求添加相应浓度、成分的液体材料8。

步骤2：确定活动门数量和位移方向，进行试验材料填筑之前保证Trapdoor模块15与基板的高度一致。

步骤3：在Trapdoor模块15的第二垫块21内布置第三土压力传感器24，在基板的第一垫块12内布置第一土压力传感器11，将固体材料9按照分层填筑方式添加到试验箱19内，固体材料9的每一层按照设定的间隔沿着该高水压Trapdoor模型试验装置的水平方向和竖直方向分别布设第二土压力传感器和孔隙水压力计10。

步骤4：读取土压力传感器和孔隙水压力计10上的数据，等待数据稳定之后，记录此时数据，然后往试验箱19内加入液体材料8；添加液体材料8注意不影响固体材料表面轮廓，到达指定高度之后，静置至数据读数再次稳定，记录数据液体材料不加满整个试验箱19。

步骤5：根据试验所述的压力条件，往试验箱19内充入气体，当压力表3的读数达到指定数值后，静置一段时间，期间空压机2始终处于开启状态直至试验结束。

步骤6：先开启PIV分析单元1，然后开启Trapdoor模块15，使得Trapdoor模块15上升/下降，PIV分析单元1负责记录试验箱19内土拱发展演化规律，数据收集系统负责记录土压力传感器、孔隙水压力计10上的数据。

本发明的有益效果：1.本发明的高水压Trapdoor模型试验装置，可探究高水压条件下土拱形成及演化机制；2.本发明的高水压Trapdoor模型试验装置能根据试验研究所需添加不同液体材料；3.本发明的高水压Trapdoor模型试验装置考虑了模型装置材料向外凸出的鼓包、波浪形的预处理，实现材料强度的最大化利用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高水压Trapdoor模型试验装置，其特征在于：包括PIV分析单元(1)、液体材料(8)、固体材料(9)、孔隙水压力计(10)、土压力传感器、试验箱(19)、充压单元，所述土压力传感器包括第一土压力传感器(11)、第二土压力传感器、第三土压力传感器(24)，所述试验箱(19)箱体设有开口，所述开口处由基板封闭，所述基板设有开孔，所述开孔处设有活动门，所述活动门能进行上下移动，所述活动门内布置有所述第三土压力传感器(24)，所述基板内布置有所述第一土压力传感器(11)，所述基板上填充有所述固体材料(9)，所述固体材料(9)内布置有所述第二土压力传感器和所述孔隙水压力计(10)，所述固体材料(9)上填充有所述液体材料(8)，所述液体材料(8)与所述试验箱(19)箱体的顶盖(17)内壁之间预留有设定的空间用于填充气体(16)，所述充压单元与所述试验箱(19)相连，所述充压单元用于向所述试验箱(19)内填充气体(16)，所述PIV分析单元(1)用于记录所述试验箱(19)内土拱发展深化规律。

2.根据权利要求1所述的高水压Trapdoor模型试验装置，其特征在于：所述基板包括第一垫块(12)、支柱(13)和底座(14)，所述第一垫块(12)下方安装有所述支柱(13)，所述支柱(13)安装在所述底座(14)上，所述第一垫块(12)内布置有所述第一土压力传感器(11)。

3.根据权利要求2所述的高水压Trapdoor模型试验装置，其特征在于：所述活动门包括Trapdoor模块(15)、驱动装置，所述驱动装置驱动所述Trapdoor模块(15)进行上下移动；所述Trapdoor模块(15)包括第二垫块(21)、可伸缩柱(22)、支座(23)，所述第二垫块(21)通过所述可伸缩柱(22)安装在所述支座(23)上，所述第二垫块(21)内布置有所述第三土压力传感器(24)。

4.根据权利要求3所述的高水压Trapdoor模型试验装置，其特征在于：所述第一垫块(12)、所述支柱(13)数量为多个，每个所述第一垫块(12)下方各安装有两根所述支柱(13)；所述第二垫块(21)数量为多个，所述可伸缩柱(22)上安装一个或多个所述第二垫块(21)；所述Trapdoor模块(15)数量为一个或多个。

5.根据权利要求1所述的高水压Trapdoor模型试验装置，其特征在于：所述孔隙水压力计(10)数量为多个，所述固体材料(9)按照分层填筑方式填充到所述试验箱(19)内，所述固体材料(9)的每一层按照设定的间隔沿着该高水压Trapdoor模型试验装置的水平方向和竖直方向分别布置有所述第二土压力传感器和所述孔隙水压力计(10)。

6.根据权利要求1所述的高水压Trapdoor模型试验装置，其特征在于：所述试验箱(19)箱体的顶盖(17)、左侧壁(26)、右侧壁(7)、后面板(28)设置为向外凸出的鼓包形状，所述试验箱(19)箱体上设有观测窗口，所述观测窗口设于所述试验箱(19)箱体的前面板(18)上。

7.根据权利要求6所述的高水压Trapdoor模型试验装置，其特征在于：所述试验箱(19)箱体的顶盖(17)、左侧壁(26)、右侧壁(7)、后面板(28)分别设置为向外凸出的一个或多个鼓包形状；所述试验箱(19)箱体的顶盖(17)上的多个鼓包形成波浪型；所述试验箱(19)箱体的顶盖(17)、左侧壁(26)、右侧壁(7)、后面板(28)采用钢板或铝板制成；所述观测窗口采用平面板，所述平面板为透明有机玻璃制成。

8.根据权利要求1所述的高水压Trapdoor模型试验装置，其特征在于：所述固体材料(9)包括砂、土、碎石和玻璃珠，所述液体材料(8)包括水、甘油、泥浆；所述PIV分析单元包括拍摄装置和PIV分析系统，所述PIV分析系统用于记录所述试验箱(19)内土拱发展深化规律；该高水压Trapdoor模型试验装置还包括通气管(5)、密封圈(6)，所述试验箱(19)的箱体上设有通孔，所述通气管(5)一端穿过所述通孔进入所述试验箱(19)箱体内，所述通气管(5)另一端与所述充压单元相连，所述通气管(5)与所述通孔之间安装有所述密封圈(6)；该高水压Trapdoor模型试验装置还包括数据收集系统，所述数据收集系统用于记录所述土压力传感器、所述孔隙水压力计(10)上的数据。

9.根据权利要求8所述的高水压Trapdoor模型试验装置，其特征在于：所述充压单元包括空压机(2)、压力表(3)、数据调节系统(4)，所述数据调节系统(4)分别与所述空压机(2)、所述压力表(3)相连，所述空压机(2)与所述压力表(3)相连，所述压力表(3)与所述通气管(5)相连。

10.一种高水压Trapdoor模型试验装置的使用方法，其特征在于，包括执行以下步骤：

步骤1：根据试验所需的固体材料(9)颗粒级配曲线进行配置，根据试验要求添加相应浓度、成分的液体材料(8)；

步骤2：确定活动门数量和位移方向，进行试验材料填筑之前保证Trapdoor模块(15)与基板的高度一致；

步骤3：在Trapdoor模块(15)的第二垫块(21)内布置第三土压力传感器(24)，在基板的第一垫块(12)内布置第一土压力传感器(11)，将固体材料(9)按照分层填筑方式添加到试验箱(19)内，固体材料(9)内按照设定的间隔布设第二土压力传感器和孔隙水压力计(10)；

步骤4：读取土压力传感器和孔隙水压力计(10)上的数据，等待数据稳定之后，记录此时数据，然后往试验箱(19)内加入液体材料(8)到达指定高度后，静置至数据读数再次稳定；

步骤5：根据试验所述的压力条件，往试验箱(19)内充入气体，当压力表(3)的读数达到指定数值后，静置一段时间，期间空压机(2)始终处于开启状态直至试验结束；

步骤6：先开启PIV分析单元(1)，然后开启Trapdoor模块(15)，使得Trapdoor模块(15)上升/下降，PIV分析单元(1)负责记录试验箱(19)内土拱发展演化规律，数据收集系统负责记录土压力传感器、孔隙水压力计(10)上的数据；

在所述步骤3中，所述固体材料(9)的每一层按照设定的间隔沿着该高水压Trapdoor模型试验装置的水平方向和竖直方向分别布置有所述第二土压力传感器和所述孔隙水压力计(10)；

在所述步骤5中，试验箱(19)箱体内的气压由数据调节系统(4)伺服调节控制，确保试验箱(19)内压力保持恒定。

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