一种高水压渗流条件下三维土拱效应的试验装置及方法

本发明涉及地下工程，尤其涉及一种高水压渗流条件下三维土拱效应的试验装置及方法。

背景技术：

1、土体内部的渗流作用与土拱效应之间的耦合关系，是地下工程与岩土工程建设过程中的关键科学问题，针对该问题，目前一直没有什么特别行之有效的方案，去真实的揭示二者之间的相互耦合关系，进而反映二者之间的相互耦合关系给施工带来的影响。

2、上世纪提出的琼州海峡跨海隧道直到近期才开始动工，很大一部分原因就是琼州隧道大部分隧道是海底隧道。海底隧道在建设过程中不仅要考虑到由于土体本身对于隧道的作用，更要考虑到在海底的高水压条件下，由于成层土体渗流的影响，表层土体下呈现出“水-土-结构”的多相多元多场非线性耦合的复杂特征。

3、在超高水压条件下，成层土的渗流效应对于隧道开挖过程中隧道开挖面附近的稳定性与应力状态产生了重要影响，使得整个开挖场地形成了“水-土-结构”的多场非线性耦合等复杂特征。

4、尽管现在大量的试验对土拱的形成过程，范围大小有了大量的研究且成果斐然，然而，在高水压渗流条件下，土拱的形成演变过程还有很多不明之处，需要进行大量的研究。

5、因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种高水压渗流条件下三维土拱效应的试验装置及方法，旨在解决现有技术中未曾考虑在高水压渗流条件下土拱效应的形成演化过程的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种高水压渗流条件下三维土拱效应的试验装置，所述装置包括：

3、箱体和隔板，所述隔板连接于所述箱体内，所述隔板将所述箱体的内部空间分隔成水槽和土样槽，所述土样槽用于承载土样和液体，所述液体能够在所述土样槽和所述水槽中流通；

4、加载组件，与所述隔板连接，且与液体的液面接触，用于对所述水槽中的液体进行加压；

5、活动门组件，与所述箱体连接，所述土样槽中的土样覆盖所述活动门组件中的活动门，所述活动门具有能够渗透液体的透水石，所述活动门移动以完成土拱效应的试验。

6、在一些实施例中，所述加载组件包括：

7、气囊，与所述隔板内壁连接，且位于所述土样槽背离所述活动门的一侧；

8、空气压缩机，通过输气管与所述气囊连通，所述空气压缩机向所述气囊中充气时，向所述土样槽中注入液体，以调节所述土样槽及所述水槽中的液体对所述土样的压力。

9、在一些实施例中，所述箱体上设有连接孔，所述活动门的侧端与所述连接孔的孔壁相连；

10、所述活动门组件还包括位移控制器，所述活动门连接于所述位移控制器，所述位移控制器控制所述活动门沿所述连接孔的轴向移动。

11、在一些实施例中，所述装置还包括：

12、水压传感器，位于所述隔板内，且铺设在所述土样表面，用于测量所述土样表面处的水压；

13、多组土体传感器，一组所述土体传感器铺设于所述箱体底面，另一组所述土体传感器埋设于所述土样中，所述土体传感器用于测量所述土样所在高度的压力和所述土样孔隙的水压力。

14、在一些实施例中，每组所述土体传感器包括多组土压力盒和多个孔压计，其中，多个所述土压力盒相对所述活动门的周边设置，且沿所述连接孔的径向延伸，多个所述孔压计相对所述活动门的周边均匀设置。

15、在一些实施例中，所述箱体包括：

16、模型箱，所述模型箱呈半圆柱体；

17、玻璃板，与所述模型箱的侧面连接，以封闭所述模型箱使所述箱体形成内部空间；

18、所述隔板位于所述模型箱内侧，且所述隔板的侧面与所述玻璃板相连。

19、在一些实施例中，所述试验装置还包括：

20、相机，与所述玻璃板相对设置，用于拍摄在所述活动门移动时，所述土样完成土拱效应的试验过程。

21、为实现上述目的，本发明提供一种高水压渗流条件下三维土拱效应的试验方法，应用于上述方案中任一项所述的高水压渗流条件下三维土拱效应的试验装置，所述方法包括：

22、将提供的土样均匀填充至土样槽中，向所述土样槽中注入液体，所述液体流入所述水槽，以使所述土样处于所述液体的压力下；

23、控制加载组件对所述液体进行加压，以使所述液体增大对所述土样的压力；

24、当检测到所述土样表面的水压值达到预设值时，控制活动门的透水石相对箱体移动，完成高水压渗流条件下三维土拱效应的试验。

25、在一些实现方式中，所述控制加载组件对所述液体进行加压，以使所述液体增大对所述土样的压力，具体包括：

26、控制空气压缩机向气囊中充气，向所述土样槽中再次注入液体后，以使所述土样与所述气囊之间的水位不变，得到水压传感器对应的水压值和各组土体传感器各自对应的土压数据。

27、在一些实现方式中，所述当检测到所述土样表面的水压值达到预设值时，控制活动门的透水石相对箱体移动，完成高水压渗流条件下三维土拱效应的试验，具体包括：

28、当检测到所述土样表面的水压值达到预设值时，控制所述活动门的透水石沿连接孔的轴向移动，得到水压传感器对应的水压试验值、各组土体传感器各自对应的土压试验数据和所述土样的位移试验数据。

29、有益效果：本发明提供一种高水压渗流条件下三维土拱效应的试验装置及方法，通过隔板将箱体空间分成水槽和土样槽，位于土样槽的土样被内部、周边及上方的液体施压，模拟海底水压环境，且通过加载组件使得液体对土样施加的压力达到模拟预设值，透水石具有一定渗透系数以模拟海底结构，从而模拟在高水压渗流条件下完成土体内部三维土拱效应的形成与演化试验，以便对试验形成演化过程进行分析。

30、除了上面所描述的本申请解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果外，本申请提供的高水压渗流条件下三维土拱效应的试验装置及方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将在具体实施方式中作出进一步详细的说明。

技术特征：

1.一种高水压渗流条件下三维土拱效应的试验装置，其特征在于，所述装置包括：

2.根据权利要求1所述的高水压渗流条件下三维土拱效应的试验装置，其特征在于，所述加载组件包括：

3.根据权利要求1所述的高水压渗流条件下三维土拱效应的试验装置，其特征在于，所述箱体上设有连接孔，所述活动门的侧端与所述连接孔的孔壁相连；

4.根据权利要求3所述的高水压渗流条件下三维土拱效应的试验装置，其特征在于，所述装置还包括：

5.根据权利要求4所述的高水压渗流条件下三维土拱效应的试验装置，其特征在于，每组所述土体传感器包括多组土压力盒和多个孔压计，其中，多个所述土压力盒相对所述活动门的周边设置，且沿所述连接孔的径向延伸，多个所述孔压计相对所述活动门的周边均匀设置。

6.根据权利要求1-5任一项所述的高水压渗流条件下三维土拱效应的试验装置，其特征在于，所述箱体包括：

7.根据权利要求6所述的高水压渗流条件下三维土拱效应的试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括：

8.一种高水压渗流条件下三维土拱效应的试验方法，其特征在于，应用于上述权利要求1至7任一项所述的高水压渗流条件下三维土拱效应的试验装置，所述方法包括：

9.根据权利要求8所述的高水压渗流条件下三维土拱效应的试验方法，其特征在于，所述控制加载组件对所述液体进行加压，以使所述液体增大对所述土样的压力，具体包括：

10.根据权利要求9所述的高水压渗流条件下三维土拱效应的试验方法，其特征在于，所述当检测到所述土样表面的水压值达到预设值时，控制活动门的透水石相对箱体移动，完成高水压渗流条件下三维土拱效应的试验，具体包括：

技术总结
本发明公开了一种高水压渗流条件下三维土拱效应的试验装置及方法，装置包括：箱体和隔板，所述隔板连接于所述箱体内，所述隔板将所述箱体的内部空间分隔成水槽和土样槽，所述液体能够在所述土样槽和所述水槽中流通；加载组件，与所述隔板连接，且与液体的液面接触；活动门组件，与所述箱体连接，所述土样覆盖所述活动门组件中的活动门，所述活动门具有能够渗透液体的透水石。通过位于土样槽的土样被液体施压，模拟海底水压环境，且通过加载组件使得液体对土样施加的压力达到模拟预设值，透水石具有一定渗透系数，从而模拟在高水压渗流条件下完成土体内部三维土拱效应的形成与演化试验，以便对试验形成演化过程进行分析。

技术研发人员：林星涛,曾辉,陈湘生,王灯,苏栋
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22