专利名称：一种可观测土体内部的渗水力模型试验装置和试验方法
技术领域：
本发明涉及渗水力模型试验装置和试验方法，尤其涉及一种可观测土体内部的渗水力模型试验装置和试验方法。
背景技术：
土工模型试验在岩土工程研究中占有重要的地位，它既可以用来检验各种理论分析和数值计算，也可以直接实际工程的设计和施工，因此，模型试验广泛应用于分析各种工程问题。现有的模型试验分为常规的Ig模型试验和ng模型试验两大类。常规模型试验在水力学和岩土工程中应用非常广泛，但缩尺后Ig模型中各点的自重应力水平远低于原型中各点的应力水平，强度指标很难满足相似条件，那么试验成果也必然与实际情况相差较大。ng的模型试验就是将土工建筑物或地基与基础尺寸缩小到1/n，同时重力加速度增大到ng。在ng的试验中目前有土工离心机试验和渗水力模型试验两种。土工离心机试验将模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受与重力等效的离心惯性力，来再现原型中土体的应力水平。但该技术存在一些不尽人意的地方，如离心应力场不均匀，设备造价昂贵，技术操作复杂，因而影响它的推广和应用。渗水力模型试验是另一种能提供n g应力场的模型试验，它通过水在土体中的渗流来提供体积力，使土体中自重有效应力增加。由于渗水力模型试验构思新颖、应力场均匀、设备成本低、操作简单，在地基基础方面应用较多。然而，该模型试验具有一定的适用范围，土样必须是饱和的，表面应当是水平的，最好是粉砂，并且提供的总水头差有限。
发明内容
为了解决现有 技术中的问题，本发明提供了一种可观测土体内部的渗水力模型试验装置和试验方法。本发明提供了一种可观测土体内部的渗水力模型试验装置，包括透明模型箱，所述透明模型箱的顶部设有密封盖板，所述透明模型箱的底部设有多孔板，所述多孔板与所述透明模型箱的底板之间为排水腔体，所述排水腔体上设有排水孔，所述多孔板与所述密封盖板之间为土样放置腔体，所述土样放置腔体内填充有透明土样，所述密封盖板连接有进水管，所述透明模型箱上设有与所述土样放置腔体连通的孔隙压力测量装置。作为本发明的进一步改进，所述可观测土体内部的渗水力模型试验装置还包括激光源、发生器和数字相机，所述激光源、发生器共轴安装，所述数字相机的轴线垂直于所述激光源的轴线，所述数字相机的轴线与所述激光源的轴线的交点位于所述透明模型箱的土样放置腔体内。作为本发明的进一步改进，所述多孔板上设有过滤网。作为本发明的进一步改进，所述透明模型箱的侧壁上设有测压孔，所述测压孔与所述土样放置腔体连通，所述孔隙压力测量装置为孔隙水压力传感器，所述孔隙水压力传感器通过所述测压孔与所述土样放置腔体连通。 作为本发明的进一步改进，所述进水管连接有马氏瓶，所述马氏瓶内设有与所述透明土样具有相应折射率的孔隙流体。作为本发明的进一步改进，所述透明土样为透明土颗粒。本发明还提供了一种使用上述任一项所述的可观测土体内部的渗水力模型试验装置的可观测土体内部的渗水力模型试验方法，包括以下步骤:
1)制备透明土样；
2)将制备好的透明土样分层放入透明模型箱内，施加稳定压力水；
3)向透明模型箱内注入与透明土样具有相应折射率的空隙流体；
4)用激光照射透明土样剖面，观察土样变形。作为本发明的进一步改进，在制备透明土样时，是采用无定型硅或熔融石英砂混合具有相应折射率的孔隙流体制备成透明土样。作为本发明的进一步改进，步骤2)为:将制备好的透明土样分层放入透明模型箱内，对透明模型箱抽真空后密封。作为本发明的进一步改进，步骤4)为:用激光源通过发生器照射透明土样剖面，用数字相机拍摄激光照射到的透明土样剖面。本发明的有益效果是:通过上述方案，扩广了应用范围，将透明土样广泛应用到测定土体内部变形中，并结合渗 水力模型试验装置，达到n g应力水平下的变形；均匀性好，渗水力模型试验模拟的力场是均匀力场，试验材料各部分是均匀受力的，其模拟的系统误差较其他n g模型试验小；设备成本低，渗水力模型设备简单，易于操作，成本较低。
图1是本发明一种可观测土体内部的渗水力模型试验装置的结构示意 图2是本发明一种可观测土体内部的渗水力模型试验装置的激光照射土样剖面的示意图。
具体实施例方式下面结合
及具体实施方式
对本发明进一步说明。图1至图2中的附图标号为:透明模型箱I ;透明土样2 ;多孔板3 ;排水孔4 ;也隙压力测量装置5 ;进水管6 ;密封盖板7 ;激光源8 ;发生器9 ;数字相机10。如图1至图2所示，一种可观测土体内部的渗水力模型试验装置，包括透明模型箱1，所述透明模型箱I的顶部设有密封盖板7，所述透明模型箱I的底部设有多孔板3，所述多孔板3上均布有多个用于排水的小孔，所述多孔板3与所述透明模型箱I的底板之间为排水腔体，所述排水腔体上设有排水孔4，所述排水孔4用于排水，所述多孔板3与所述密封盖板7之间为土样放置腔体，所述土样放置腔体内填充有透明土样2，所述密封盖板7连接有进水管6，所述透明模型箱I上设有与所述土样放置腔体连通的孔隙压力测量装置5，其中，所述透明土样2由透明土颗粒和折射率相匹配的孔隙流体混合而成，所述透明模型箱I可以是方形的也可以是圆形的，所述透明模型箱I的材料可采用透明有机玻璃或者其它透明材料，所述透明模型箱I与密封盖板7必须严格密封，可以在密封盖板7与透明模型箱I之间加一个橡胶密封垫圈，进水管6上设有水龙头控制开关。如图1至图2所示，所述可观测土体内部的渗水力模型试验装置还包括激光源8、发生器9和数字相机10，所述激光源8、发生器9共轴安装，所述数字相机10的轴线垂直于所述激光源8的轴线，所述数字相机10的轴线与所述激光源8的轴线的交点位于所述透明模型箱I的土样放置腔体内。如图1至图2所示，所述多孔板3上设有过滤网，用于防止透明土样2进入排水腔体内堵塞排水孔4。所述过滤网优选为土工织物，所述过滤网作为反滤材料是为了保证透明土样颗粒不会被水冲走而导致排水孔4堵塞。如图1至图2所示，所述透明模型箱I的侧壁上设有测压孔，所述测压孔与所述土样放置腔体连通，所述孔隙压力测量装置5为孔隙水压力传感器，所述隙水压力传感器设置在所述测压孔内，用玻璃胶封闭孔隙水压力传感器与测压孔之间的缝隙，所述孔隙水压力传感器通过所述测压孔与所述土样放置腔体连通。如图1至图2所示，所述进水管6连接有马氏瓶，由马氏瓶来提供稳定的孔隙流体，所述马氏瓶内设有与所述透明土样2具有相应折射率的孔隙流体，由于这些材料本身呈现出透明状态，且选择的透明土样2与对应的孔隙流体有相同或相近的折射率，光线在经过土体和流体时不会发生折射。这样一来，从透明土样2外部就可以实现对内部的观测。透明土样2的配置主要有以下两种:
1、选取熔融石英砂，配置相同折射率的溴化钙溶液，将石英砂浸入溶液中直至饱和(即最透明)；
2、采用硅胶颗粒模拟天然砂土，选用埃克森美孚公司的产品N0rparl2正构烷烃类溶剂和矿物油(Drakeol 35) 按质量比1:1混合，制成孔隙流体，将硅胶颗粒和孔隙流体混合，并进行逐层抽真空，使其达到较高的透明度。其他任何透明土配置都应属于本发明的范畴。如图1至图2所示，所述透明土样2为透明土颗粒。如图1至图2所示，一种可观测土体内部的渗水力模型试验方法，包括以下步骤: O制备透明土样2 ；
2)将制备好的透明土样2分层放入透明模型箱I内，施加稳定压力水；
3)向透明模型箱I内注入与透明土样2具有相应折射率的空隙流体；
4)用激光照射透明土样2剖面，观察土样变形。具体步骤是，首先，在透明模型箱I底部以上距离放一块多孔板3，防止透明土样2漏出。将制备好的透明土样2分层加入，用密封盖板7密封透明模型箱1，对透明模型箱I抽真空，将透明土样2中的空气抽出，逐层加入直至达到要求高度，使得透明土样2在透明模型箱I中各处比较均匀、透明。从透明模型箱I主体上部通过马氏瓶加入空隙流体至指定高度，调整水位差至所需的重力场，并稳定一段时间达到渗流的稳定。用激光照射透明土样剖面，就可以观察到土体的变形。在制备透明土样2时，是采用无定型硅或熔融石英砂混合具有相应折射率的孔隙流体制备成透明土样。步骤2)为:将制备好的透明土样2分层放入透明模型箱I内，对透明模型箱I抽真空后密封。步骤4)为:用激光源8通过发生器9照射透明土样2剖面，用数字相机10拍摄激光照射到的透明土样2剖面。本发明提供的一种可观测土体内部的渗水力模型试验装置和试验方法，是通过水在透明土样2中的渗流力来提供体积力，使透明土样2自重应力增加而反映现场实际的应力水平。透明土样2有较好的透明度，结合高能量激光照射透明土样2剖面，分析内部砂土的位移特点。本发明结合高透明度的透明土样2和模拟ng重力场的渗水力模型试验，将透明土样2的应力水平提高，使连续量测和非介入变形量测ng重力场内部土体变形得以实现。本发明提供 的一种可观测土体内部的渗水力模型试验装置和试验方法的优点如下:
1、应用范围广，透明土样2广泛应用到测定土体内部变形中，并结合渗水力模型试验装置，达到n g应力水平下的变形；
2、均匀性好，渗水力模型试验模拟的力场是均匀力场，试验材料各部分是均匀受力的，其模拟的系统误差较其他n g模型试验小；
3、设备成本低，渗水力模型设备简单，易于操作，成本较低。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种可观测土体内部的渗水力模型试验装置，其特征在于:包括透明模型箱，所述透明模型箱的顶部设有密封盖板，所述透明模型箱的底部设有多孔板，所述多孔板与所述透明模型箱的底板之间为排水腔体，所述排水腔体上设有排水孔，所述多孔板与所述密封盖板之间为土样放置腔体，所述土样放置腔体内填充有透明土样，所述密封盖板连接有进水管，所述透明模型箱上设有与所述土样放置腔体连通的孔隙压力测量装置。
2.根据权利要求1所述可观测土体内部的渗水力模型试验装置，其特征在于:所述可观测土体内部的渗水力模型试验装置还包括激光源、发生器和数字相机，所述激光源、发生器共轴安装，所述数字相机的轴线垂直于所述激光源的轴线，所述数字相机的轴线与所述激光源的轴线的交点位于所述透明模型箱的土样放置腔体内。
3.根据权利要求1所述可观测土体内部的渗水力模型试验装置，其特征在于:所述多孔板上设有过滤网。
4.根据权利要求1所述可观测土体内部的渗水力模型试验装置，其特征在于:所述透明模型箱的侧壁上设有测压孔，所述测压孔与所述土样放置腔体连通，所述孔隙压力测量装置为孔隙水压力传感器，所述孔隙水压力传感器通过所述测压孔与所述土样放置腔体连通。
5.根据权利要求1所述可观测土体内部的渗水力模型试验装置，其特征在于:所述进水管连接有马氏瓶，所述马氏瓶内设有与所述透明土样具有相应折射率的孔隙流体。
6.根据权利要求1所述可观测土体内部的渗水力模型试验装置，其特征在于:所述透明土样为透明土颗粒。
7.—种可观测土体内部的渗水力模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)制备透明土样； 2)将制备好的透明土样分 层放入透明模型箱内； 3)向透明模型箱内注入与透明土样具有相应折射率的空隙流体； 4)用激光照射透明土样剖面，观察土样变形。
8.根据权利要求7所述可观测土体内部的渗水力模型试验方法，其特征在于:在制备透明土样时，是采用无定型硅或熔融石英砂混合具有相应折射率的孔隙流体制备成透明土样。
9.根据权利要求7所述可观测土体内部的渗水力模型试验方法，其特征在于，步骤2)为:将制备好的透明土样分层放入透明模型箱内，对透明模型箱抽真空后密封。
10.根据权利要求7所述可观测土体内部的渗水力模型试验方法，其特征在于，步骤4)为:用激光源通过发生器照射透明土样剖面，用数字相机拍摄激光照射到的透明土样剖面。
全文摘要
本发明提供了一种可观测土体内部的渗水力模型试验装置，包括透明模型箱，所述透明模型箱的顶部设有密封盖板，所述透明模型箱的底部设有多孔板，所述多孔板与所述透明模型箱的底板之间为排水腔体，所述排水腔体上设有排水孔，所述多孔板与所述密封盖板之间为土样放置腔体，所述土样放置腔体内填充有透明土样，所述密封盖板连接有进水管，所述透明模型箱上设有与所述土样放置腔体连通的孔隙压力测量装置。本发明还提供了一种可观测土体内部的渗水力模型试验方法。本发明的有益效果是扩广了应用范围；均匀性好；设备成本低，渗水力模型设备简单，易于操作，成本较低。
文档编号G01B11/16GK103234473SQ20131012641
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月12日 优先权日2013年4月12日
发明者袁炳祥, 陈锐, 滕军, 彭涛 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院