CN207601081U - 一种多功能土工模型试验系统 - Google Patents

Abstract

一种多功能土工模型试验系统，它涉及一种土工模型试验系统，以解决现有模型箱无法模拟温度场的条件的问题，它包括外框架、模型箱、降雨模拟机构、制冷机构、加热机构和数据采集系统；模型箱安装在外框架上，降雨模拟机构的出水口布置在模型箱的顶部，制冷机构和加热机构给模型箱提供环境温度，数据采集系统采集模型箱内的冻土工况指标。本实用新型用于冻土试验。

Description

一种多功能土工模型试验系统

技术领域

本实用新型涉及一种土工模型试验系统，具体涉及一种多功能土工模型试验系统，属于岩土工程室内模型试验领域。

背景技术

室内模型试验已成为岩土工程领域内研究问题的一种主要手段，室内模型试验是指在实验室内根据特制的器材模拟实际的各种工况，来研究岩土的物理力学状态。地基土的不均匀沉降不仅会降低路面结构的平整度，还会降低路面结构的整体强度，影响交通的正常运行，大幅度增加公路养护和维修的费用。滑坡是一种严重的地质灾害，发生时不仅可能会阻碍交通，还可能威胁人们的生命财产安全。滑坡与水的作用有关，降雨是诱发滑坡的主要因素之一，长时间的降雨或短时的强降雨都可能引发大规模的滑坡。膨胀土是一种同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的黏性土，在反复降雨与蒸发作用下，土体产生内应力，从而使膨胀土中原生裂隙扩展和新裂隙的产生，裂隙数量增加并连通,最后形成裂隙网络，裂隙发育严重破坏了土体的完整性，水分通过裂隙通道快速渗入土体内部，使土体孔隙水压力上升而基质吸力减小，土体抗剪强度显著降低，容易产生滑坡，滑塌，当膨胀土作为路堤填料时，容易引起路面发生变形、开裂和断板。

现场监测是研究土层变形特性最直观、有效的方式，但由于现场试验的周期长、费用高、影响因素复杂多样等原因，将工程实际等比例缩小的室内模型试验成为研究地基土层变形规律的一种主要手段。在季节性冻土地区，冬季土体冻结，路基产生冻胀；春季冻土融化，路基产生翻浆、冒泥，对公路造成危害。而水分迁移又是产生冻胀的直接因素，所以研究冻土中的水分迁移机理有着重要的意义。现有的模型试验仅探究了土层的沉降特性，未能反映土层的应力分布，没有考虑在冻土或季节性冻土地区的沉降特性和水分迁移的过程。且现有的模型箱功能单一，为开展不同的模型试验需要制作不同的模型箱，经济性较差。

实用新型内容

本实用新型是为解决现有模型箱无法模拟温度场的条件的问题，进而提供一种多功能土工模型试验系统。该系统可控制温度条件和进行多种试验。

本实用新型为解决上述问题采用的技术方案是：

一种多功能土工模型试验系统包括外框架、模型箱、降雨模拟机构、制冷机构、加热机构和数据采集系统；

模型箱安装在外框架上，降雨模拟机构的出水口布置在模型箱的顶部，制冷机构和加热机构给模型箱提供环境温度，数据采集系统采集模型箱内的冻土工况指标。

进一步地，模型箱为钢化玻璃有盖箱体，模型箱内设有具有浸水孔的上底板，上底板与下底板之间形成储水箱，模型箱的侧板上开有连接孔。

进一步地，降雨模拟机构包括补水箱、进水管、降雨喷头和阀门，在箱体的顶板上安装降雨喷头和为降雨喷头供水的进水管，进水管上安装阀门，进水管连接补水箱。

进一步地，制冷机构包括制冷压缩机、风机和风管，制冷压缩机与风机连接，风机与风管连接，风管安装在连接孔上，制冷压缩机上设置有温控面板。

进一步地，加热机构包括加热管。

本实用新型相比现有技术的有益效果是：

本实用新型采用风冷制冷的方式对模型箱内部温度进行控制，相较于现有的直冷制冷的方式，不需要在箱体内布设铜管，节约了空间，方便试验的进行；同时风冷制冷的最大负温比制冷的方式低，且温度波动更小，控温精确。

相较于传统在顶板布设铜管的制冷方式，采用在左右两侧开孔的风冷制冷，可以在顶部通过千斤顶进行加载，在千斤顶周围用保温棉包裹，以达到制冷效果，实现在季冻区施工加载工况的模拟。本实用新型模型箱采用钢化玻璃，强度大，透明度好，直观清晰地实现沉降和滑坡的可视化效果。

本实用新型可根据具体的工况设计一种通用的模型箱，并在模型箱内部布设模拟的工况，再根据实际工况进行温度控制、加载、降雨等，最后采集试验数据，能够模拟多种工况，试验范围广，可靠度高。

附图说明

图1为本实用新型模型箱的结构示意图；

图2为加热管、进水管、降雨喷头、阀门及顶板的连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步地说明。

参见图1和图2说明，一种多功能土工模型试验系统包括外框架1、模型箱E、降雨模拟机构A、制冷机构B、加热机构C和数据采集系统D；

模型箱E安装在外框架1上，降雨模拟机构A的出水口布置在模型箱E的顶部，制冷机构B和加热机构C给模型箱E提供环境温度，数据采集系统D采集模型箱E内的冻土工况指标。

模型箱E包括顶板2和侧板3组成的钢化玻璃有盖箱体，模型箱E内设有具有浸水孔的上底板4，上底板4与下底板5之间形成储水室6。上底板4通过梁托固定在箱体内。在左右侧板的上端面各开一个直径大的连接孔7与风管8连接，连接处采用铝箔胶带密封，风管8与风机9相连，风机9与制冷压缩机10连接。降雨模拟机构A包括补水箱13、进水管14、降雨喷头15和阀门16，在模型箱的顶板2上安装降雨喷头15和为降雨喷头供水的进水管14，进水管14上安装阀门16，进水管14连接补水箱13。制冷机构B包括制冷压缩机10、风机9和风管8，制冷压缩机10与风机9连接，风机9与风管8连接，风管8安装在连接孔7上。制冷压缩机10上设置有温度控制面板。

数据采集机构D包括压力传感器、孔隙水压力传感器、温度传感器和数据采集仪18，压力传感器、孔隙水压力传感器和温度传感器分别埋在冻土内，且压力传感器、孔隙水压力传感器和温度传感器的信号输出端与数据采集仪18的相应信号输入端连接，通过数据线将数据采集仪中的数据传输到计算机中。传感器的引线通过模型箱侧板3的孔穿出，与数据采集仪18连接。在顶板2上开设一个直径略大于液压千斤顶17的加压杆直径的孔，该孔与千斤顶之间通过保温棉密封，确保模型箱内部的保温效果，在顶板2内测安装降雨喷头15和加热管20。

优选的，外框架1采用3mm厚的转角钢片。侧板3、上底板4、下底板5采用钢化玻璃，厚度为12mm。梁托采用外伸1cm的转角钢片，梁托与钢化玻璃采用UV无影脚粘接，保证稳定性。进水孔和侧板孔直径为2cm，间距为20cm。进水管14采用PVC管，PVC管的直径为16mm。

本实施方式还提供一种多功能土工模型试验方法：

一、根据试验工况需要，确定模型箱的尺寸、模型相似比、路基模型长度以及坡度比；

二、准备模拟用的土体材料；

三、根据不同的土工性能试验需要，建立相应的模拟工序；

四、将各传感器的引线连接到数据采集仪上，并连接电脑，实现数据的实时采集与显示。模型箱E为长方体，长为1.2m，宽为0.6m，高为0.9m，模型相似比为1：50，路基模型长度为0.52m，坡度比为1：1.5。

实施例1：季冻区公路软土地基工后性状模拟

步骤1：根据前述内容及试验工况的需要，需要确定模型尺寸为：长×宽×高＝1.2m×0.6m×0.9m，模型相似比为1:50，路基模型长度为0.52m，坡度为1:1.5，根据实用新型内容及制定的尺寸制作模型箱，模型箱上部安装加载机构和补水机构；

步骤2：准备模拟土体材料，从施工现场取足量的淤泥质粘土和普通粘土备用；

步骤3：在模型箱侧壁观测面上粘贴菲林尺，在上底板4上粘贴一层滤纸，开始填充模拟的淤泥质粘土材料，填充到每一层预定的高度后，在相应的位置埋设土压力传感器、孔隙水压力传感器、温度传感器和有色玻璃片，进一步填土至预定高度，通过千斤顶17进行加载，利用千斤顶17的加载作为路基荷载和碾压压力，模拟工程现场的碾压过程，加载完成后在土体表面安装千分表观测地表的沉降值，将土压力传感器、孔隙水压力、温度传感器的引线通过侧壁上的孔导出备用，打开补水箱13的阀门16向储水室6内注水，使水面与箱体的上底板4接触，通过制冷压缩机10上的温度控制面板调节温度，使箱体内部环境温度达到模拟温度；

步骤4：将各传感器的引线连接到数据采集仪18上，并连接电脑，可实现数据的实时采集与显示，实验前测试各元件是否处于正常使用状态；

步骤5：通过软尺量测有色玻璃片的位置改变得到初期加载过程的沉降量，加载完成后在路基表面安设的千分表可采集地表的沉降数据，埋设在土体内的温度传感器可以实时观测到不同土层的温度，试验中打开阀门16，使储水室6内的水始终与箱体的上底板4保证接触，保持地基下部的补水状态，期间同步采集土压力和孔隙水压力数据；

步骤6：一次试验完成后，重复步骤1至5，根据具体的工程情况，可以改变不同的模型尺寸、加载大小、温度水平以及不同地基下部水源的补给情况，从而实现不同工程地基内部应力分布、温度分布及沉降的模拟，实现水—热—力的耦合。

实施例2：公路土质边坡的稳定性模拟

步骤1：根据前述内容及试验工况的需要，需要确定模型尺寸为：长×宽×高＝1.2m×0.6m×0.9m，模型相似比为1:50，路基模型长度为0.52m，坡度为1:1.5，根据实用新型内容及制定的尺寸制作模型箱E，模型箱E的顶板2安装补水机构；

步骤2：首先将模型箱E的顶板2卸下，在模型箱E内部进行土质路基的填筑，修筑边坡模型，在预定位置埋设土压力传感器，将传感器接线通过侧壁小孔与数据采集仪18连接，盖上顶板2，通过制冷压缩机10上的温度控制面板调节温度，使箱体内部环境温度达到模拟温度，打开补水箱3的阀门，降水的阀门16以及储水室6的阀门，对降水的阀门16进行设置，控制降雨强度和降雨持时；

步骤3：准备就绪后，开始降雨，降水过程中可以通过钢化比例模型箱E观测面对边坡变化进行观测和记录，通过数据采集仪18与计算机连接得到实时滑坡过程中土层内部的应力变化；本实验优选采用扬州晶明静态采集软件，可以采集到应变—时间的关系，根据土体模量可以得到应力—时间关系。

步骤4：一次试验完成后，重复步骤1至4，根据具体的工程情况，可以改变不同的模型尺寸、温度水平以及不同降雨条件，从而实现对不同土质边坡在降雨过程中的稳定性模拟；

实施例3：公路膨胀土干湿循环特性模拟

步骤1：根据前述内容及试验工况的需要，需要确定模型尺寸为：长×宽×高＝1.2m×0.6m×0.9m，模型相似比为1:50，路基模型长度为0.52m，坡度为1:1.5，根据实用新型内容及制定的尺寸制作模型箱E，模型箱E的顶板2安装补水机构A和加热机构C；

步骤2：首先将模型箱E的顶板2卸下，在模型箱E内部进行膨胀土路基的填筑，修筑边坡模型，盖上顶板2，通过控制面板调节加热管20的加热温度，使模型箱E内部环境温度达到模拟温度，打开补水箱3的总阀门、降水的阀门16以及储水室6的阀门，对降水的阀门16进行设置，控制降雨强度和降雨持时；

步骤3：重复加热和降雨过程，模拟在天然场地条件下膨胀土路堤的失水和浸水的状态；

步骤4：一次试验完成后，重复步骤1-3，根据具体的工程情况，可以改变不同的模型尺寸、温度水平以及不同降雨条件，从而实现对不同膨胀土路堤病害现象的模拟。

本实用新型已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，依据本实用新型的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本实用新型技术方案范围。

Claims (4)

1.一种多功能土工模型试验系统，其特征在于：它包括外框架(1)、模型箱(E)、降雨模拟机构(A)、制冷机构(B)、加热机构(C)和数据采集系统(D)；

模型箱(E)安装在外框架(1)上，降雨模拟机构(A)的出水口布置在模型箱(E)的顶部，制冷机构(B)和加热机构(C)给模型箱(E)提供环境温度，数据采集系统(D)采集模型箱(E)内的冻土工况指标；

模型箱(E)为钢化玻璃有盖箱体，模型箱(E)内设有具有浸水孔的上底板(4)，上底板(4)与下底板(5)之间形成储水室(6)，模型箱的侧板(3)上开有连接孔(7)；

制冷机构(B)包括制冷压缩机(10)、风机(9)和风管(8)，制冷压缩机(10)与风机(9)连接，风机(9)与风管(8)连接，风管(8)安装在连接孔(7)上，制冷压缩机(10)上设置有温控面板。

2.根据权利要求1所述一种多功能土工模型试验系统，其特征在于：降雨模拟机构(A)包括补水箱(13)、进水管(14)、降雨喷头(15)和阀门(16)，在箱体的顶板(2)上安装降雨喷头(15)和为降雨喷头供水的进水管(14)，进水管(14)上安装阀门(16)，进水管(14)连接补水箱(13)。

3.根据权利要求1或2所述一种多功能土工模型试验系统，其特征在于：加热机构(C)包括加热管(20)。

4.根据权利要求3所述一种多功能土工模型试验系统，其特征在于：数据采集系统(D)包括压力传感器、孔隙水压力传感器、温度传感器和数据采集仪(18)，压力传感器、孔隙水压力传感器和温度传感器分别埋在冻土内，且压力传感器、孔隙水压力传感器和温度传感器的信号输出端与数据采集仪(18)的相应信号输入端连接，通过数据线将数据采集仪中的数据传输到计算机中。