CN211122341U - 一种多功能岩土三维模型试验装置 - Google Patents
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- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
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Abstract
本实用新型涉及一种多功能岩土三维模型试验装置，包括：试验箱，其内部具有用于压制试验土样的制样空间；第一加载气囊，设置在试验箱内顶部，并通过顶面加载板与试验土样的顶面接触，用于向试验土样施加轴向加载力；第二加载气囊，设置在试验箱内一侧，并通过侧面加载板与试验土样的侧面接触，用于向试验土样施加径向加载力；充气加压装置，分别与第一和第二加载气囊连接。本实用新型既可以用于制样，也可以用于加载，不仅能够模拟平面双轴应力状态或三维状态，可以对较大尺寸的试样进行试验，还可以进行尾矿竖向沉积试验；同时，可以进行物态场、温度场、渗流场、应力变形场的耦合试验，测定在多物理场作用下的土体的物理状态、力学行为、渗流特性和温度分布。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种岩土工程领域研究土工结构物中关键区域工程性质的模型试验装置，特别是关于一种测定含有薄弱带的土体在渗流场、温度场、应力变形场耦合作用下的物理、力学、渗流和热学特性的多功能岩土三维模型试验装置。
背景技术
在岩土工程领域，土工结构物中常存在薄弱带。对防渗结构物而言，薄弱带是指夹杂在其中的渗透性显著较大的土层或条带状土体(如防渗黏土层中夹杂的砂土层或土石坝心墙中夹杂的碎石料条带等)，这种存在薄弱带的防渗结构物在一定的条件下可能会产生各种各样的渗透破坏。而对有承载力要求的土工结构物而言，薄弱带是指软弱夹层、剪切带等强度较低的土体，在一定条件下会导致土工结构物失稳或变形过大。上述一定条件是指在渗流和外力的作用下所形成的复杂的物态场、渗流场、应力变形场，有时还存在热力条件的变化，还要考虑温度场。因此，岩土工程的安全问题常涉及复杂的多场耦合作用，需要测定薄弱带附近关键区域的物理、力学、渗流和热力特性，并进一步揭示耦合作用机理是进行工程行为分析和安全评价的基础。
目前，对上述复杂的多场耦合作用，在机理层面的研究还不深入，所建的数学模型也难以得到有效的验证，其根本原因在于缺乏有效的综合模型试验装置和方法。
研究这类问题常用的方法有离心模型试验、基于三轴仪的多场耦合试验和模型箱试验：离心模型试验是先进的土工试验设备，但体积庞大，试验过程复杂，成本较高。基于三轴仪的多场耦合试验，如申请号为201510409634.7的中国发明专利公开了一种非饱和土多场耦合的三轴试验系统及其方法，其优点是在传统三轴试验仪的基础上进行改进，能方便地进行多场耦合试验，但缺点是受到三轴仪规模的限制，试样的尺寸较小，无法进行存在三维薄弱带的试验，也难以模拟复杂边界条件下的渗流问题。在传统三轴试验的基础上改进形成的试验装置，在试验时，制样和试验的装置是不同的，也因此难以用于不易成形的土的试验，如尾矿砂等。模型箱试验，如已有文献《土中剪切带扩展机理研究和扩展过程模拟》的模型试验箱，可以进行平面应变条件下的预设裂缝扩展试验，其缺点是不能进行渗流和温度变化及其与应力耦合相关的三维试验。
由此可见，在已有的技术中，尚未有装置能够进行存在薄弱带的岩土体物态场、温度场、渗流场、应力变形场耦合三维试验。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种能够测定含有薄弱带的土体在渗流场、温度场、应力变形场耦合作用下的物理、力学、渗流和热学特性的多功能岩土三维模型试验装置。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种多功能岩土三维模型试验装置，包括：试验箱，所述试验箱内部具有用于压制试验土样的制样空间；第一加载气囊，设置在所述试验箱内顶部，并通过顶面加载板与所述试验土样的顶面接触，用于向所述试验土样施加轴向加载力；第二加载气囊，设置在所述试验箱内一侧，并通过侧面加载板与所述试验土样的侧面接触，用于向所述试验土样施加径向加载力；充气加压装置，分别与所述第一加载气囊和第二加载气囊连接。
所述的多功能岩土三维模型试验装置，优选的，所述试验箱包括：箱体，呈长方体且顶部敞口；顶板，盖合在所述箱体的敞口端；顶部排气孔，设置在所述顶板上并与外界联通，用于饱和所述试验土样时进行排气；渗压上水孔和上水水槽，所述渗压上水孔设置在所述箱体的一侧底部并通过所述上水水槽与所述箱体内部连通；排水孔和排水水槽，所述排水孔设置在与所述渗压上水孔相对的所述箱体另一侧底部并通过所述排水水槽与所述箱体内部连通。
所述的多功能岩土三维模型试验装置，优选的，该装置还包括加热测温管，所述加热测温管包括塑料管、分布在所述塑料管外部的温度传感器以及设置在所述塑料管内的恒温加热棒；同时，在所述箱体的背板上开设有多个均匀分布的传感器孔，所述温度传感器和恒温加热棒通过所述传感器孔与外界设备相连。
所述的多功能岩土三维模型试验装置，优选的，所述上水水槽和排水水槽上均盖有排水板和土工布。
所述的多功能岩土三维模型试验装置，优选的，在所述箱体的前侧设置有观察窗。
所述的多功能岩土三维模型试验装置，优选的，所述试验箱放置在可移动底座上。
本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本实用新型既可以用于制样，也可以用于加载，不仅能够模拟平面双轴应力状态或三维状态，可以对较大尺寸的试样进行试验，还可以进行尾矿竖向沉积试验；同时，可以进行物态场、温度场、渗流场、应力变形场的耦合试验，测定在多物理场作用下的土体的物理状态、力学行为、渗流特性和温度分布。
附图说明
图1是本实用新型的主视图；
图2是本实用新型的左视图；
图3是本实用新型加热测温管的结构示意图；
图4是本实用新型箱体背板的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本实用新型的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本实用新型范围的限制，而只是为了说明本实用新型技术方案的实质精神。
如图1、图2所示，本实用新型提供的多功能岩土三维模型试验装置，包括：试验箱1，试验箱1内部具有用于压制试验土样18的制样空间；第一加载气囊2，设置在试验箱1内顶部，并通过顶面加载板7与试验土样18的顶面接触，用于向试验土样18施加轴向加载力；第二加载气囊5，设置在试验箱1内一侧，并通过侧面加载板6与试验土样18的侧面接触，用于向试验土样18施加径向加载力；充气加压装置26，分别与第一加载气囊2和第二加载气囊5连接。
在上述实施例中，优选的，试验箱1包括：箱体4，呈长方体且顶部敞口；顶板27，盖合在箱体4的敞口端；顶部排气孔3，设置在顶板27上并与外界联通，用于饱和试验土样18时进行排气；渗压上水孔9和上水水槽16，渗压上水孔9设置在箱体4的一侧底部并通过上水水槽16与箱体4内部连通；排水孔10和排水水槽13，排水孔10设置在与渗压上水孔9相对的箱体4另一侧底部并通过排水水槽13与箱体4内部连通。
在上述实施例中，优选的，如图3、图4所示，该装置还包括加热测温管21，该加热测温管21包括塑料管22、分布在塑料管22外部的温度传感器23以及设置在塑料管22内的恒温加热棒24；同时，在箱体4的背板上开设有多个均匀分布的传感器孔25，温度传感器23和恒温加热棒24通过该传感器孔25与外界设备相连。
在上述实施例中，优选的，如图1、图2所示，上水水槽16和排水水槽13上均盖有排水板12和土工布11，用于提供均匀的加渗压和排水条件的同时，防止土颗粒被水流冲刷出箱体4。
在上述实施例中，优选的，在箱体4的前侧设置有观察窗20，以方便对试验过程中试验土样18表面的变化进行观察和记录。
在上述实施例中，优选的，试验箱1放置在可移动底座14上，以方便试验箱的移动。
本实用新型提供的多功能岩土三维模型试验装置在使用时，包括以下内容：
1)制样前，首先将侧面加载板6固定在箱体4的一侧，以形成一个固定的制样空间；然后，按照与常规三轴试验类似的制样方法，将砂土(或者其他透水性强的土层)和一定含水量的试验土逐层铺入试验箱1，逐层击实形成砂土层17和试验土样18，且砂土层17位于试验土样18的两侧；
2)制样完成后，在试验土样18顶部放置透水板后盖上顶板27，将水源与渗压上水孔9相连以及孔压传感器与排水孔10相连后，利用顶部排气孔3抽气，完成试验土样18的饱和，并通过孔压传感器监测试验土样18的饱和度；
3)当需要进行加载试验时，在顶板27上放置好第一加载气囊2、顶面加载板7和橡胶块8后盖上顶板27，且橡胶块8分别抵顶在顶面加载板7的侧壁和顶板27的侧壁之间及侧面加载板6的顶壁和顶板27的侧壁之间，然后将充气加压装置26与第一加载气囊2和第二加载气囊5连接进行加载；
4)当需要同时进行渗流试验时，首先对箱体4背板上的传感器孔25做止水处理，同时对箱体4转角处和试验土样四周用防水材料做防水处理；然后将外部反压装置(图中未示出)与渗压上水孔9连接，同时将量水管15与排水孔10连接，通过渗压上水孔9向试验土样18施加渗压水，再通过量水管15测量一定时间内通过试验土样18的水量，从而了解试验土样18的渗透特性；
5)当需要进行加热测温试验时，则在制样时，预先将加热测温管21埋设到需要测量的位置，并将温度传感器23和恒温加热棒24通过导线与外界设备相连，然后通过恒温加热棒24给试验土样18加热，再利用温度传感器23测量试验土样18在应力、渗流加载情况下的温度分布；
6)当需要研究异常渗流、软弱夹层或裂缝相关的问题时，在试验土样18内部需要预设裂缝的位置设置异常渗透区、软弱夹层或剪切带19，来构造裂缝与周围试验土样18抗剪强度的差异。
上述各实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。
Claims (6)
1.一种多功能岩土三维模型试验装置，其特征在于，包括：
试验箱(1)，所述试验箱(1)内部具有用于压制试验土样(18)的制样空间；
第一加载气囊(2)，设置在所述试验箱(1)内顶部，并通过顶面加载板(7)与所述试验土样(18)的顶面接触，用于向所述试验土样(18)施加轴向加载力；
第二加载气囊(5)，设置在所述试验箱(1)内一侧，并通过侧面加载板(6)与所述试验土样(18)的侧面接触，用于向所述试验土样(18)施加径向加载力；
充气加压装置(26)，分别与所述第一加载气囊(2)和第二加载气囊(5)连接。
2.根据权利要求1所述的多功能岩土三维模型试验装置，其特征在于，所述试验箱(1)包括：
箱体(4)，呈长方体且顶部敞口；
顶板(27)，盖合在所述箱体(4)的敞口端；
顶部排气孔(3)，设置在所述顶板(27)上并与外界连通，用于饱和所述试验土样(18)时进行排气；
渗压上水孔(9)和上水水槽(16)，所述渗压上水孔(9)设置在所述箱体(4)的一侧底部并通过所述上水水槽(16)与所述箱体(4)内部连通；
排水孔(10)和排水水槽(13)，所述排水孔(10)设置在与所述渗压上水孔(9)相对的所述箱体(4)另一侧底部并通过所述排水水槽(13)与所述箱体(4)内部连通。
3.根据权利要求2所述的多功能岩土三维模型试验装置，其特征在于，该装置还包括加热测温管(21)，所述加热测温管(21)包括塑料管(22)、分布在所述塑料管(22)外部的温度传感器(23)以及设置在所述塑料管(22)内的恒温加热棒(24)；同时，在所述箱体(4)的背板上开设有多个均匀分布的传感器孔(25)，所述温度传感器(23)和恒温加热棒(24)通过所述传感器孔(25)与外界设备相连。
4.根据权利要求2所述的多功能岩土三维模型试验装置，其特征在于，所述上水水槽(16)和排水水槽(13)上均盖有排水板(12)和土工布(11)。
5.根据权利要求2所述的多功能岩土三维模型试验装置，其特征在于，在所述箱体(4)的前侧设置有观察窗(20)。
6.根据权利要求1所述的多功能岩土三维模型试验装置，其特征在于，所述试验箱(1)放置在可移动底座(14)上。
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| CN201921964613.1U CN211122341U (zh) | 2019-11-14 | 2019-11-14 | 一种多功能岩土三维模型试验装置 |
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| CN211122341U true CN211122341U (zh) | 2020-07-28 |
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| CN (1) | CN211122341U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114414391A (zh) * | 2022-01-26 | 2022-04-29 | 中国矿业大学 | 一种利用液柱压力施加土层表面恒载的试验装置和工作方法 |
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2019
- 2019-11-14 CN CN201921964613.1U patent/CN211122341U/zh active Active
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| CN114414391A (zh) * | 2022-01-26 | 2022-04-29 | 中国矿业大学 | 一种利用液柱压力施加土层表面恒载的试验装置和工作方法 |
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