一种可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置的制作方法

本实用新型涉及一种地基模型试验装置，尤其涉及一种可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置。

背景技术：

我国幅员辽阔，水资源丰富，地下水分布广泛，尤其是在沿海沿江区域，伴随着土层的复杂分布，往往存在着弱透水层下方有承压水的现象。洪峰过境、潮汐作用、大型降雨、工程中使用降压井等将导致弱透水层底部的承压水头动态变化，从而进一步影响弱透水层中的水土压力、变形和稳定。在该类地区中的工程建设中，如弱透水层中的边坡工程、基坑开挖、盾构掘进等，动态承压水的作用往往会影响工程区域内水土压力的分布，进而给工程建设带来风险。

实际工程包含众多复杂因素，受动态承压水影响的弱透水层中的水土压力实时监测往往难以进行。此外，工程中水文条件千变万化，想要通过大量实测数据来进行统计分析，进而总结出受动态承压水影响的弱透水层中水土响应及地基变形的一般规律，也是不现实的；在目前已有的研究手段中，数值软件模拟和理论解析较为便捷，但这两种方法在研究时一般需先为地基土假设一种本构模型。因此，在计算承压水动态变化引起的土体内水土压力和变形时，结果是否可信很大程度取决于土体的本构模型是否合理以及计算参数的具体取值。

与解析和数值方法相比，模型试验可以克服上述诸多缺点。1g条件下的土工模型试验可以方便地施加稳定、规律的边界条件，无需假设本构关系，可直接观测实验现象并获得数据。此外，1g模型实验下的常重力环境不会破坏土体结构，土颗粒的大小及相互之间的作用关系与实际地层中相同，弱透水层底部土颗粒与其下部承压水之间的相互作用也可以得到真实的模拟。因此，1g模型实验被广泛应用于土体的微观研究之中。

目前，在已有的与动态承压水相关的1g试验研究中，大部分研究为缩小比尺的三维模型试验研究，土单元体的试验研究几乎为空白。土工单体尺度下的缩尺模型试验往往对不同实际工程中的局部场地行为进行模拟，如基坑开挖、隧道开挖等。这些缩尺模型试验往往关注整个试验区域内的孔压分布、变形规律、土压力分布以及结构内力等等，从而对实际工程中的某些关键数值进行预测、模拟，但无法揭示这些表观现象之下的内在规律，对新的本构、计算理论的建立没有太大的用处。与之相对应的是，以三轴试验为代表的土单元体试验则旨在于解决上述的问题，更多关注土体本身的各种本构关系，在与承压水相关的科学研究中，承压水压力在土体中如何进行传播则为土单元体研究中的关键问题。

另一方面，目前大量土工试验在模拟承压水变化时，一般使承压水压力分级增加或减小，各级压力值是离散的，因此不能实现承压水连续动态地变化，与工程中真实的承压水变化方式有明显差异，承压水变化速率对土体中水土压力等各项参数的影响也无法得到研究；此外，该领域的大多数模型试验均采用矩形断面的模型箱进行研究，矩形断面模型箱四个角可能引起该处土体受力、变形的突变，从而对试验造成干扰；另外，含气水通入土体后使土体成为非饱和土，已有的与承压水相关的实验研究往往未考虑这一问题，将土体由固、液、气组成三相物质简化为只有固体与液体的两相物质，土中气体对土体性状的影响被忽略。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置，可于模拟承压水动态变化时上覆弱透水性地基土体的响应情况，研究动态承压水作用下地基的破坏条件和破坏模式。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置，该装置包括主体圆筒、GDS标准控制器、有机玻璃圆筒装置和数据采集仪四个部分；

所述主体圆筒包括从上至下依次连接的一节顶部圆筒、若干节中间圆筒、一节底部圆筒和小车；所述顶部圆筒、中间圆筒和底部圆筒均由有机玻璃制成，可方便观测试验中土体的变形；所述顶部圆筒筒壁上安装出水阀，所述出水阀底部与试验土体顶面齐平，试验过程中出水阀保持打开以便及时排水，使得试验土体内水位线保持恒定；

所述顶部圆筒、中间圆筒和底部圆筒的不同高度上安装孔隙水压力计固定装置，用于测量固定位置的孔隙水压力大小；所述孔隙水压力计固定装置由螺栓、有机玻璃方头、孔隙水压力计组成；所述螺栓和孔隙水压力计通过螺纹安装在所述有机玻璃方头上，所述有机玻璃方头通过透水石和玻璃胶分别与顶部圆筒、中间圆筒和底部圆筒相连接；所述孔隙水压力计与所述数据采集仪连接，可采集承压水动态水压力变化数据；

所述底部圆筒由有机玻璃圆筒单元、透水石、有机玻璃支柱、第一通水阀门、第二通水阀门构成；所述有机玻璃短柱固定在所述有机玻璃圆筒单元的底部，所述透水石安装在所述有机玻璃短柱上方，保证土体饱和均匀、充分；所述有机玻璃圆筒单元底部一侧安装有第一通水阀门用于连通所述有机玻璃圆筒装置，饱和主体圆筒内的土体，另一侧安装有第二通水阀门用于连通所述GDS标准控制器；所述GDS标准控制器可以控制主体圆筒底部的承压水头。

进一步地，所述主体圆筒相邻的两节圆筒中间安装防水橡胶圈，防止试验过程中发生漏水。

进一步地，所述顶部圆筒底部内壁有螺纹，用于与所述中间圆筒拼接；所述中间圆筒顶部和底部的内壁均含有螺纹，用于与上下两节圆筒相连。

进一步地，所述第二通水阀门与所述GDS标准控制器上用压环将连接这两部分的水管固定住。

进一步地，所述主体圆筒内的试验土体为粘质粉土。

进一步地，所述有机玻璃圆筒装置内的液体为无气水。

与现有技术比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型将研究对象简化之后采取圆形截面模型箱进行一维土单元体研究，避免了矩形截面模型箱四个角可能引起该处土体受力、变形的突变。突破了以往缩尺模型试验只能形成简单实验现象而不能说明内在机理的缺陷，使用本实用新型所进行的实验可以从本构关系的角度揭示动态承压水在弱透水层中的传播规律。

2.本实用新型在试验前采用无气水饱和试验土体，试验过程中提供无气承压水环境，使得试验土体的孔隙充满无气水，如上操作有两点益处：一是避免水中气泡进入弱透水性土层引起土体的非饱和问题(与饱和土相比，非饱和土的力学特性存在较大差异和不确定性)；二是避免水中气泡干扰孔隙水压力传感器影响其测量精度。

3.本实用新型采用GDS标准控制器来精确地调节主体圆筒内的承压水的压力的变化幅值和变化速率，从而实现模型箱内承压水连续动态变化的模拟；孔隙水压力计的信号传输线与多通道数据采集仪连接后可连续记录承压水的动态变化情况，实现动态变化承压水压力的监测。

4.本实用新型利用传感器固定装置固定微型孔隙水压力传感器，有效避免试验过程中土体变形导致传感器测量位置变化而影响测试精度。

附图说明

图1为可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置的整体结构示意图；

图2为孔隙水压力计固定装置细节详图；

图3(a)为底部圆筒剖面图；

图3(b)为底部圆筒俯视图；

图中：主体圆筒1；顶部圆筒1‐1；出水阀1‐1‐1；孔隙水压力计固定装置1‐2；螺栓1‐2‐1；有机玻璃方头1‐2‐2；孔隙水压力计1‐2‐3；防水橡胶圈1‐3；中间圆筒1‐4；底部圆筒1‐5；有机玻璃圆筒单元1‐5‐1；透水石1‐5‐2；有机玻璃支柱1‐5‐3；第一通水阀门1‐5‐4；第二通水阀门1‐5‐5；小车1‐6；GDS标准控制器2；有机玻璃圆筒装置3；数据采集仪4；弱透水性土体5；无气水6。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1所示，本实用新型可模拟动水头边界作用土体的一维圆筒试验装置，包括主体圆筒1、GDS标准控制器2、有机玻璃圆筒装置3、数据采集仪4四个部分。

所述主体圆筒1由一节顶部圆筒1‐1、孔隙水压力计固定装置1‐2、防水橡胶圈1‐3、若干节中间圆筒1‐4、一节底部圆筒1‐5、小车1‐6构成，每节圆筒均由一块有机玻璃组成，可方便观测试验中土体的变形；所述顶部圆筒1‐1筒壁上安装出水阀1‐1‐1，出水阀1‐1‐1底部与试验土体顶面齐平，试验过程中出水阀1‐1‐1保持打开以便及时排水，使得试验土体放入水位线保持恒定；所述顶部圆筒1‐1底部内壁有螺纹，用于与中间圆筒1‐4拼接；所述孔隙水压力计固定装置1‐2由螺栓1‐2‐1、有机玻璃方头1‐2‐2、孔隙水压力计1‐2‐3组成，每节圆筒不同高度上安装孔隙水压力固定装置1‐2，用于测量固定位置的压力大小；所述螺栓1‐2‐1和孔隙水压力计1‐2‐3安装在含有螺纹的有机玻璃方头1‐2‐2上，有机玻璃方头1‐2‐2通过透水石和玻璃胶与圆筒相连接；所述孔隙水压力计固定装置1‐2通过导线与数据采集仪4相连，可采集承压水动态水压力变化数据；所述防水橡胶圈1‐3安装在相邻的两个圆筒中间，防止试验过程中发生漏水；所述中间圆筒1‐4顶部和底部的内壁均含有螺纹，用于与上下两节圆筒相连；所述底部圆筒1‐5由有机玻璃圆筒单元1‐5‐1、透水石1‐5‐2、有机玻璃支柱1‐5‐3、第一通水阀门1‐5‐4、第二通水阀门1‐5‐5构成；所述有机玻璃短柱1‐5‐3固定在有机玻璃圆筒单元1‐5‐1的底部，透水石1‐5‐2安装在有机玻璃短柱1‐5‐3上面，保证在饱和土体的过程中水能够均匀上流；所述有机玻璃圆筒单元1‐5‐1底部一侧安装有第一通水阀门1‐5‐4用于饱和土体，另一侧安装第二通水阀门1‐5‐5用于连通GDS标准控制器2；所述第二通水阀门1‐5‐5与GDS标准控制器2上有压环，可将用于连接这两部分的水管固定住；所述小车1‐6用于安放各节圆筒；所述GDS标准控制器2，可以控制主体圆筒内的水压；所述有机玻璃圆筒装置3用于饱和主体圆筒1内的土体。进一步地，主体圆筒1内土体为弱透水性土体5，采用无气水饱和。所述孔隙水压力计固定装置1‐2的位置可根据试验的需要进行调整，其数量可根据试验的需要增加；孔隙水压力计固定装置1‐2应安装在不同的高度。主体圆筒1内的试验土体为弱透水性土体5(如粘质粉土等)，采用无气水饱和。

如图2所示，所述孔隙水压力计固定装置1‐2上的有机玻璃方头1‐2‐2开有安装孔隙水压力计1‐2‐3所需的带螺纹的圆孔和安装螺栓1‐2‐1所需的带螺纹的圆孔。

如图3(a)、3(b)所示，所述透水石1‐5‐2使得无气水与粉土层水力连通，提供粉土层的承压水压力；所述透水石1‐5‐2的厚度和有机玻璃短柱1‐5‐3的排布应满足受力计算要求，使得其足以承受试验土体的重量。

本实用新型的工作过程如下：首先由第一通水阀门1‐5‐4向主体圆筒1‐1内通无气水(第二通水阀门1‐5‐5保持关闭)，待液面高于阀门20mm时关闭第一通水阀门1‐5‐4；由第二通水阀门1‐5‐5连接主体圆筒1‐1和GDS标准控制器2，打开第二通水阀门1‐5‐5，开启GDS标准控制器2进行排空操作，待GDS标准控制器2内气体排尽后关闭第二通水阀门1‐5‐5。

在孔隙水压力计固定装置1‐2上安装孔隙水压力计1‐2‐3，将孔隙水压力计1‐2‐3的信号传输线连接至数据采集仪4；而后将透水石1‐5‐2装入主体圆筒1‐1内；分层装填粘质粉土并夯实，直至填土完成。由第一通水阀门1‐5‐4以6L/天的速度向主体圆筒1‐1通无气水饱和试验土体粘质粉土，待土体完全饱和之后关闭第一通水阀门1‐5‐4。打开出水阀1‐1‐1，在整个试验过程中出水阀1‐1‐1保持开启状态以便及时排水，使得试验土体的水位线保持恒定。

待上述试验准备工作完成后，打开数据采集仪4采集记录实验初始状态下的孔隙水压力计1‐2‐3的读数；打开第二通水阀门1‐5‐5，通过GDS标准控制器2设定压力增加速率，利用数据采集仪4连续采集记录该级压力下孔隙水压力计的读数；直至粘质粉土发生突涌破坏，关闭第二通水阀门1‐5‐5，暂停GDS标准控制器2和数据采集仪4，读取并记录GDS标准控制器2上压力读数；而后拆除主体圆筒1‐1内的实验土体，重置GDS标准控制器2。

采用如上所述方法重复实验，改变承压水压力变化的速率，进行多组实验；通过数据采集仪4采集记录各组承压水动态变化中孔隙水压力计1‐2‐3的读数。最后对每组实验结果进行整理，分析数据采集仪4采集记录的承压水动态变化过程中孔隙水压力计的读数。

上述实施例为本实用新型的一个优选实施方式，是对本

技术实现要素：
及其应用的进一步说明，不应理解为本实用新型仅适用于上述实施例。凡基于本实用新型原理和实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。