CN219039034U - 槽壁垮塌模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种槽壁垮塌模拟装置，包括箱体、进水孔板、出水孔板、盖板、接气进水管、位移传感器；多个孔隙水压力传感器；盖板安装在第一区域上方，并用于封闭第一区域顶部；接气进水管与第一区域内连通；多个孔隙水压力传感器置于第二区域内土样内部；位移传感器安装在模拟槽内。该装置能够通过加压的方式，模拟不同地下水深度下，水流在土样内的运移，进而导致土样垮塌的过程；能够检验施工区域土层条件在地下水作用下的稳定性，对土样的孔隙性、耐水冲刷性进行定量评价；同时，也能够近似推断出可能发生孔壁垮塌的深度，供工程施工作参考，以便判断是否需要进行土样加固及提出合适的土样加固方法，减少因孔壁垮塌对工程进度的影响。

Description

槽壁垮塌模拟装置

技术领域

本实用新型涉及地下连续墙垮塌模拟技术领域，尤其涉及一种槽壁垮塌模拟装置。

背景技术

地下连续墙作为地基处理的技术之一，具有刚度大、强度高、隔水性好等优点，被广泛应用在深基坑及富水地层中。在地下连续墙的施工过程中，维持槽壁的稳定是保证施工顺利进行及工程质量的关键。施工区域地质条件是影响槽壁稳定性的关键因素，特别是在富水地层，地下水的存在使得施工区域地质条件更加恶化。尤其是在成槽之后，破坏了土样原有受力状况，出现了沿槽壁的薄弱面，也就导致了槽壁垮塌时有发生。

因此需要研发出一种槽壁垮塌模拟装置来模拟壁垮塌，以便相关领域的技术人员能够获得更多的模拟数据以设计出更加优秀的槽壁结构。

发明内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题设计了一种槽壁垮塌模拟装置。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

槽壁垮塌模拟装置，包括：

上端设置有开口的箱体；箱体包括前板、后板、左侧板、右侧板和底板；

进水孔板；

出水孔板；进水孔板和出水孔板上均横向设置有多个通孔，进水孔板和出水孔板均设置在箱体内，并将箱体内空间分为第一区域、第二区域和第三区域，第一区域位于左侧板和进水孔板之间，第二区域位于进水孔板和出水孔板之间，第三区域位于出水孔板和右侧板之间；在第一区域内设置有水；在第二区域内设置有土样，在土样的中间设置有模拟槽；第三区域为出水空间；

盖板；盖板安装在第一区域上方，并用于封闭第一区域顶部；

用于进水或进高压气体的接气进水管；接气进水管与第一区域内连通；

多个孔隙水压力传感器；多个孔隙水压力传感器置于第二区域内土样内部；

用于模拟槽位移测量的位移传感器；位移传感器安装在模拟槽内。

本实用新型的有益效果在于：

(1)模块化组件、小巧易搬迁

外接装置如气瓶、流量计、孔隙水压力传感器，位移传感器可根据不同使用需要选择、替换，组装方式可拆卸，方便搬运。装置主体由可加工板材组成，设计自由度高，结构简单，结实耐用，能够匹配各类施工条件。

(2)可视化高，实时检测

箱体由透明材料制成，能够以肉眼观察宏观的槽壁变化，同时结合传感器的实时检测，能够做到细观参数变化与宏观表现的结合，突出从注入水到槽壁垮塌的整个过程。

(3)检测参数多，数据准确、土样性能评价全面

采用不同传感器对不同位置孔隙水压力，总体水流量，槽壁壁面状态进行全方位的检测；从孔隙水压力变化推断不同位置土样内的孔隙结构变化、土样内水流流速变化；从水流量变化推断土样整体的状态，包括内部孔隙、水流流通路径数量；利用位移传感器对槽壁各时间的状态进行分析，能够了解小部分土颗粒脱离土样，进而导致整个槽壁发生垮塌的过程；三者所得参数与结论相互结合即可分析得出土样垮塌细观(土样孔隙与水流流速)与宏观(槽壁状态)的整个过程，从而对测试土样在槽壁开挖及地下水作用下的稳定性进行评价。

(4)该装置能够通过加压的方式，模拟不同地下水深度下，水流在土样内的运移，进而导致土样垮塌的过程；能够检验施工区域土层条件在地下水作用下的稳定性，对土样的孔隙性、耐水冲刷性进行定量评价；同时，也能够近似推断出可能发生孔壁垮塌的深度，供工程施工作参考，以便判断是否需要进行土样加固及提出合适的土样加固方法，减少因孔壁垮塌对工程进度的影响。

附图说明

图1是本申请的立体结构示意图；

图2是本申请中传感器搭载平台夹持器的结构示意图；

图3是本申请中出水孔板的结构示意图；

图4是本申请中进水孔板的结构示意图；

图5是本申请的工作状态示意图；

图6是本申请的模拟方法示意图；

附图标记说明

图中：1-接气进水管；2-第一溢流管；3-气瓶；4-左侧板；5-盖板；6-进水孔板；7-压水板；8-后板；9-第一流量计；10-第二溢流管；11-传感器搭载平台夹持器；111-滑轨；1101-滑槽；112-搭载平台；1121-滑块；12-出水孔板；13-右侧板；14-第二流量计；15-第三溢流管；16-孔隙水压力传感器；17-连接口；18-前板；19-水；20-石英砂；21-土样；22-模拟槽。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。

如图1-5所示，槽壁垮塌模拟装置，包括：

上端设置有开口的箱体；箱体包括前板18、后板8、左侧板4、右侧板13和底板；

进水孔板6；

出水孔板12；进水孔板6和出水孔板12上均横向设置有多个通孔，进水孔板6和出水孔板12均设置在箱体内，并将箱体内空间分为第一区域、第二区域和第三区域，第一区域位于左侧板4和进水孔板6之间，第二区域位于进水孔板6和出水孔板12之间，第三区域位于出水孔板12和右侧板13之间；在第一区域内设置有水；在第二区域内设置有土样21，在土样21的中间设置有模拟槽22；第三区域为出水空间；

盖板5；盖板5安装在第一区域上方，并用于封闭第一区域顶部；盖板5起到密封第二区域的密封作用，使水流只能从进水孔板6的孔洞流出，这样设计才能让气瓶3起到加压作用。

用于进水或进高压气体的接气进水管1；接气进水管1与第一区域内连通；接气进水管1在需要提供额外压力时外接高压气瓶3，提供压力气体进入的通道。不需外在压力时作进水管使用。高压气瓶3用于提供额外的压力，模拟不同地下水位高度下的水压，可根据实际需要选择不同规格。

用于检测土样21各个部位的孔隙水压力的多个孔隙水压力传感器16；多个孔隙水压力传感器16置于第二区域内土样21内部；

用于模拟槽22位移测量的位移传感器；位移传感器安装在模拟槽22内。

如图5所示，在土样21和进水孔板6之间设置有石英砂20。

如图1和5所示，在石英砂20的顶部全覆盖设置有压水板7。压水板7的设置目的是避免因边壁效应导致水流从石英砂20顶部、或进水孔板6与土样21缝隙中流出，而导致水不向土样21中流动。

如图5所示，压水板7的设置高度低于土样21的顶部设置高度，压水板7部分伸入土样21内设置。

如图1和2所示，槽壁垮塌模拟装置还包括传感器搭载平台夹持器11，传感器搭载平台夹持器11包括搭载平台112和两个滑轨111；两个滑轨111相对设置在前板18内侧和后板8内侧，并位于模拟槽22的设置位置；滑轨111上竖向开设有两个滑槽1101；搭载平台112的两端均设置有两个滑块1121，两个滑块1121可滑动的置于滑轨111的两个滑槽1101内；位移传感器安装在搭载平台112上；滑块1121与滑轨111的摩擦力大于或等于位移传感器加上搭载平台112的重力。在一些实施例中，可以通过电动机构实现搭载平台112沿着两个滑轨111的上下滑动。

如图1所示，左侧板4上连接有接气进水管1和第一溢流管2，接气进水管1用于输入水源或高压气体，接气进水管1和第一溢流管2的设置高度均高于土样21的设置高度。第一溢流管2外接开关阀门。在不需添加外在压力时，作溢流口使用维持箱体内水位高度一定。在接气管连接气瓶3时封闭。

如图1所示，后板8上设置有第二溢流管10，第二溢流管10上设置有第一流量计9，第二溢流管10的设置高度均高于土样21的设置高度。

如图1和5所示，右侧板13的侧壁底部上设置有第三溢流管15，第三溢流管15上设置有第二流量计14。

如图1所示，在前板18的侧壁底部开设有多个连接口17，多个孔隙水压力传感器16安装在多个连接口17内。

在一些实施例中，前板18、后板8、左侧板4、右侧板13和底板均为透明玻璃制成。

如图3和4所示，在一些实施例中，进水孔板6、出水孔板12上的多个通孔均呈矩形阵列分布；进水孔板6上的通孔直径小于出水孔板12上的通孔直径。

如图5和6所示，本申请的具体操作步骤及方法详述如下：

1.装样

为减小水流对土样21的直接冲击，在进水口侧需设置一定厚度的石英砂20层。同时，为了避免实验过程中，水19流经由石英砂20层向上溢出，故在石英砂20层上设置了一压水板7，限制水19的向上渗流路径。为了减小对实验精度的影响，土样21的加装须尽量平整，尤其是槽壁的侧边。

2.初始参数

(1)孔隙体积

在实验之前，通过接气进水管1注入水，将装置水位提升至刚好与土样21齐平，做好刻度标记，记录注水体积V_注入。孔隙体积即可用下面的公式求得：

V_孔隙＝V_注入-V_左水箱-V_右水箱-V_槽

值得注意的是，在注水前需保证左、右水箱(第一区域、第三区域)有槽内无土颗粒，以免影响最终测试结果。V_槽指的是模拟槽22内水的体积。

(2)槽壁状态

位移传感器选择为超声波测距传感器，将位移传感器固定在搭载平台112上，将搭载平台112固定在两个滑轨111上并做好标记，利用位移传感器从上至下测量模拟槽22槽壁的位移，绘制位移-深度曲线作为槽壁初始状态，供后续测试做对照。

3.无加压测试

无加压测试即不额外加压，仅利用水压进行的测试，模拟地表浅层的渗流情况。

(1)初始锋面

将染料倒入第一区域，在固定位置布置拍摄设备，每隔ΔT时间拍摄锋面变化情况，记录锋面到达模拟槽22的时间T_槽及最终完全渗出的时间T_终，通过锋面的变化情况即可定性推断渗流速度的差别，结果也相对直观。

(2)渗流参数

在锋面测试后，还需记录固定时间内各水头的高低及流量的大小。即可通过下面的公式计算相应的流速。

式中，v为流速；Q为流量；A为截面面积；Δh为水头差；Δl为测压管间距；k为渗透系数，随着实验的进行，土层的孔隙逐渐增加，渗透系数也是逐渐增加的，因此，流速的比较应尽量在小段时间内比较，在较长时间内比较流速的变化可在公式前酌情增加一系数。具体系数的增加与否可根据槽壁状态的变化来辅助判断，即，槽壁变化较大时，可酌情增加系数，变化较小或不变化时可不添加系数。注：流量如果过小，无法采用流量计进行检测，可以通过计算单位时间内水的体积进行记录。

(3)槽壁状态

随着渗流的进行，需要在固定时间内对槽壁状态进行检测，以便建立槽壁变化与水力学参数变化之间的联系。具体操作就是通过超声波位移传感器，从上而下测量传感器至槽壁的距离(这里需要将位移传感器所在的搭载平台112沿着两个滑轨111上下移动)，绘出深度-位移曲线，比较两个时间的曲线即可判断槽壁的变化情况。

4.回次加压测试

回次加压测试是模拟在地层不同深度的土样21的渗流情况，在第一区域内水不足时需卸压重新注水，因而称为回次加压。与无加压测试不同的是，由于施加了额外的压力，水必然会从模拟槽22内溢出经由后板8的第二溢流管10流出，而不经过或少经过模拟槽22右侧的土样21，故该测试只着重测试左侧土样21的渗流情况。渗流参数及槽壁变化情况的获取同上文所述方法一致。

5.最终参数

最终参数的获取即是为了与初始参数作对比，表征实验前后相关参数的变化，以说明渗流对土层及槽壁的影响。相关参数的测试方法同上所述。

6.成果整理

对实验过程中所得的数据进行整理，能够得出不同的数据结果。

通过对同一次测试不同时间段的锋面变化的对比，能够得知在同一时刻，不同位置的流速的差别。对两次锋面实验的对比能够得出，前后两者在同一位置的流速差别。

对流量-时间数据的整理能够得出整体的流速的变化，得出宏观的结论。

对流速-时间数据的整理能够得出不同时间段，不同位置的具体的流速变化，对比前后数据的差异，能够定性判断该段土样21的孔隙率的变化。该数据的结果能够与流量-时间结果相互印证。

槽壁的位移是实验最重要的数据之一。通过对该数据的整理能够得出不同压力下，不同时间的槽壁位移的变化。结合前面整理的数据能够初步建立流速-位移-孔隙之间的联系为结论的得出提供依据。

7.结论

对整理后的实验数据进行分析，结合相关文献，确定渗流对槽壁稳定性的影响方式。基于这种影响方式用来反馈评价实测土样21的稳定性，即在多大的压力下有较大的可能发生槽壁垮塌。同时，也可用该装置来评价槽壁加固材料的有效性。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.槽壁垮塌模拟装置，其特征在于，包括：

上端设置有开口的箱体；箱体包括前板、后板、左侧板、右侧板和底板；

进水孔板；

出水孔板；进水孔板和出水孔板上均横向设置有多个通孔，进水孔板和出水孔板均设置在箱体内，并将箱体内空间分为第一区域、第二区域和第三区域，第一区域位于左侧板和进水孔板之间，第二区域位于进水孔板和出水孔板之间，第三区域位于出水孔板和右侧板之间；在第一区域内设置有水；在第二区域内设置有土样，在土样的中间设置有模拟槽；第三区域为出水空间；

盖板；盖板安装在第一区域上方，并用于封闭第一区域顶部；

用于进水或进高压气体的接气进水管；接气进水管与第一区域内连通；

多个孔隙水压力传感器；多个孔隙水压力传感器置于第二区域内土样内部；

用于模拟槽位移测量的位移传感器；位移传感器安装在模拟槽内。

2.根据权利要求1所述的槽壁垮塌模拟装置，其特征在于，在土样和进水孔板之间设置有石英砂。

3.根据权利要求2所述的槽壁垮塌模拟装置，其特征在于，在石英砂的顶部全覆盖设置有压水板。

4.根据权利要求3所述的槽壁垮塌模拟装置，其特征在于，压水板的设置高度低于土样的顶部设置高度，压水板部分伸入土样内设置。

5.根据权利要求1所述的槽壁垮塌模拟装置，其特征在于，槽壁垮塌模拟装置还包括传感器搭载平台夹持器，传感器搭载平台夹持器包括搭载平台和两个滑轨；两个滑轨相对设置在前板内侧和后板内侧，并位于模拟槽的设置位置；滑轨上竖向开设有滑槽；搭载平台的两端设置有滑块，滑块可滑动的置于滑轨的滑槽内；位移传感器安装在搭载平台上；滑块与滑轨的摩擦力大于或等于位移传感器加上搭载平台的重力。

6.根据权利要求1所述的槽壁垮塌模拟装置，其特征在于，左侧板上连接有接气进水管和第一溢流管，接气进水管用于输入水源或高压气体，接气进水管和第一溢流管的设置高度均高于土样的设置高度。

7.根据权利要求1所述的槽壁垮塌模拟装置，其特征在于，后板上设置有第二溢流管，第二溢流管上设置有第一流量计，第二溢流管的设置高度均高于土样的设置高度。

8.根据权利要求1所述的槽壁垮塌模拟装置，其特征在于，右侧板的侧壁底部上设置有第三溢流管，第三溢流管上设置有第二流量计。

9.根据权利要求1所述的槽壁垮塌模拟装置，其特征在于，在前板的侧壁底部开设有多个连接口，多个孔隙水压力传感器安装在多个连接口内。

10.根据权利要求1所述的槽壁垮塌模拟装置，其特征在于，前板、后板、左侧板、右侧板和底板均为透明材料制成。

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