本发明涉及一种地基模型试验装置，尤其涉及一种承压水呈矩形波动态变化条件下的地基一维模型试验装置，可用于模拟可简化为一维的弱透水性地基土体，当承压水位呈矩形动态变化时的水土压力响应情况，地基的沉降等随承压水头变化的规律，研究动态承压水作用下地基的破坏条件和破坏模式。
背景技术：
在沿江、滨海等地区，弱透水层底部承压水位受潮汐等因素影响多具有动态变化的特点。特别的，在遇到暴雨、大坝泄洪、上游溃坝等特殊情况时，底部承压水的大小会在极短时间内升降。这种承压水压的突变会引起弱透水层土体的水土压力分布变化，进而影响土体的变形和稳定。
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，可直接观测试验现象并获得数据。此外，1g模型试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模型试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，从现有的试验看来，大量的土工试验在模拟承压水的动态变化时，一般使水压力逐级增加或下降，压力值变化缓慢且离散，这与之前提及的某些特殊情况下实际工程中的水压力连续突变不相一致，得出的结论难以应用到实际工程。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种可模拟矩形水头边界作用土体的试验装置及方法，通过设计一维土单元体模型试验获得受底部动态承压水影响的弱透水层中的水土压力，并根据试验结果揭示弱透水层在底部动态承压水作用下的响应规律，获悉土体中孔压传播的模式，总结规律并进而应用到工程计算之中。对于许多工程建设中的某些大面积的区域，都可以将其简化为一维地基模型以应用该模型所带来的研究成果，如大面积基坑的坑底中心区域，开挖隧道的远场等。用水箱、支架、活动平台等组成的矩形水头边界控制系统，可以实现水位近似呈矩形波连续变化，因此可以研究承压水压力呈矩形波变化时的均值、幅值以及变化周期对于弱透水层性状的影响研究；并且设计了可以调节高度的主体圆筒，因此弱透水层的厚度的影响也可以被精确地研究，试验人员可以根据所在地区的实际情况自由选取土层厚度、承压水头的均值，变化的幅值和周期进行试验，解决了试验中土体下部承压水呈矩形波动态变化的模拟问题。在受到基本土工试验中土单元体均取为圆柱形的启发下，通过将模型断面设置成圆形，解决了以往试验中矩形断面模型箱四个角位置处引起的土体受力、变形突变的问题。该装置可用于一维地基中的弱透水层下部有承压水呈矩形波动态变化作用时，量测土体中的水土压力大小，观测地基形变，并将试验数据与一维理论解析方法进行对比，深化这一领域的研究工作。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可模拟矩形水头边界作用土体的试验装置，包括主体圆筒、数据采集仪、真空泵和矩形水头边界控制系统；
所述主体圆筒包括从上至下依次连接的盖板、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、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；所述顶部圆筒筒顶上安装盖板，盖板下表面中央设有透水石，上部装有出水阀门，饱和土体过程中出水阀门与真空泵相连接，目的是增加土体的饱和速率和饱和程度；试验过程中出水阀门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、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、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；
所述底部圆筒由有机玻璃圆筒单元、透水石、有机玻璃支柱、主体圆筒第一通水阀门、主体圆筒第二通水阀门构成；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主体圆筒第一通水阀门，另一侧安装有主体圆筒第二通水阀门；
所述矩形水头边界控制系统由上部活动平台、下部活动平台、水箱、带刻度支架与底座组成；所述带刻度支架竖直固定在底座上，所述上部活动平台和下部活动平台分别水平可拆卸固定在带刻度支架的不同高度；所述水箱放置在上部活动平台或下部活动平台上；所述水箱的上部和底部分别设置水箱第一通水阀门、水箱第二通水阀门，在第一通水阀门、水箱第二通水阀门之间高度设置水箱溢流阀门；所述水箱溢流阀门在试验时保持打开，用来控制进水过程中水位在水箱内的指定位置保持不变；所述水箱第一通水阀门引出一条管路接无气水进口，为水箱蓄水；所述水箱第二通水阀门与主体圆筒第二通水阀门连通，施加矩形波动边界水压；由于水箱与主体圆筒底部连通，可以控制主体圆筒底部的承压水头；将水箱的位置在所述上部活动平台与下部活动平台之间来回搬运，即可实现矩形波动水头的模拟；调节所述上部活动平台与下部活动平台在所述带刻度支架上的位置，与水箱在各平台上的停留时间，即可实现矩形波参数的变化。
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，所述主体圆筒内的试验土体为弱透水性土体，采用无气水饱和。
进一步地，所述弱透水性土体为粉质粘土。
进一步地，所述水箱内的液体为无气水。
进一步地，所述孔隙水压力计固定装置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；所述孔隙水压力计固定装置安装在不同的高度。
进一步地，在饱和阶段，用真空泵对主体圆筒内的土体进行抽气，可以加快土体饱和的速率，增大饱和度。
一种利用可模拟矩形水头边界作用土体的试验装置的试验方法，该方法包括以下步骤：
(1)在孔隙水压力计固定装置上安装孔隙水压力计，将孔隙水压力计的信号传输线连接至数据采集仪；而后将透水石装入主体圆筒内；分层装弱透水性土体并夯实，每一次加样时首先将一层铁丝网放置在有机玻璃圆筒单元上，然后将一定质量的土样透过铁丝网加入到有机玻璃圆筒单元中，每一个有机玻璃圆筒单元的加样过程根据试验的尺寸及精度分层填筑并击实，直至填土完成；
(2)通水进行排气与饱和土体操作，打开水箱所有阀门，打开进水开关，通过主体圆筒第二通水阀门向主体圆筒内通无气水，由主体圆筒第二通水阀门以试验所需的流量向主体圆筒通无气水饱和弱透水性土体，在整个试验过程中出水阀门保持开启状态以便及时排水，必要时可以接通真空泵进行抽气，增加土体的饱和速率和饱和程度，待土体完全饱和之后关闭主体圆筒第二通水阀门；
(3)打开数据采集仪采集记录试验初始状态下的孔隙水压力计的读数；打开主体圆筒第二通水阀门，保持水箱所有阀门打开并持续进水，将装满水的水箱在所述上部活动平台与下部活动平台之间来回搬运，即可实现矩形波动水头的模拟；调节所述上部活动平台与下部活动平台在所述带刻度支架上的位置，与水箱在各平台上的停留时间，即可实现矩形波动水压参数的控制；利用数据采集仪连续采集记录该级压力下孔隙水压力计的读数；直至弱透水性土体发生突涌破坏，关闭主体圆筒第二通水阀门，关闭进水开关和数据采集仪，读取并记录两活动平台在带刻度支架上的读数；而后拆除主体圆筒内的试验土体；
(4)采用如上所述方法重复试验，改变承压水压力变化的周期、均值和幅值，进行多组试验；通过数据采集仪采集记录各组承压水动态变化中孔隙水压力计的读数；对每组试验结果进行整理，分析数据采集仪采集记录的承压水动态变化过程中孔隙水压力计的读数；将各组试验结果进行对比，分析动态承压水作用下地基土体破坏机理。
与现有技术比，本发明的有益效果是：
1.本发明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试验现象而不能说明内在机理的缺陷，使用本发明所进行的试验可以从本构关系的角度揭示矩形波动态承压水在弱透水层中的传播规律。
2.本发明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.本发明在饱和过程中用真空泵对土体进行抽气，可以增加土体的饱和速率和饱和程度，避免饱和程度不足引起的试验误差。
4.本发明采用可活动的平台来调节主体圆筒内承压水压力的均值、变化幅值和变化速率，从而实现模型箱内承压水矩形动态变化的模拟；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。
5.本发明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为可模拟矩形水头边界作用土体的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4为主体圆筒顶部盖板底面图；
图中：主体圆筒1；顶部圆筒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；主体圆筒第一通水阀门1‐5‐4；主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5；小车1‐6；盖板1‐7；透水石1‐7‐2；出水阀门1‐7‐1；数据采集仪2；真空泵3；矩形水头边界控制系统4；上部活动平台4‐1；下部活动平台4‐2；水箱4‐3；水箱溢流阀门4‐3‐1；水箱第一通水阀门4‐3‐2；水箱第二通水阀门4‐3‐3；带刻度支架4‐4；底座4‐5；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发明进一步说明。
如图1所示，本发明可模拟矩形水头边界作用土体的试验装置，包括主体圆筒1、数据采集仪2、真空泵3和矩形水头边界控制系统4。
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、盖板1‐7构成，每节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1‐1筒顶上安装盖板1‐7，盖板1‐7下表面中央设有透水石1‐7‐2(如图4所示)，顶部安装出水阀门1‐7‐1，土体饱和过程此阀门与真空泵3相连，试验过程中出水阀门1‐7‐1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2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、主体圆筒第一通水阀门1‐5‐4、主体圆筒第二通水阀门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底部一侧安装有主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5用于与有机玻璃圆筒装置4进行连接，饱和土体及施加承压水头；所述主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5与有机玻璃圆筒装置4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；
所述矩形水头边界控制系统4由上部活动平台4‐1、下部活动平台4‐2、水箱4‐3、带刻度支架4‐4与底座4‐5组成；所述带刻度支架4‐4竖直固定在底座4‐5上，所述上部活动平台4‐1和下部活动平台4‐2分别水平可拆卸固定在带刻度支架4‐4的不同高度；所述水箱4‐3放置在上部活动平台4‐1或下部活动平台4‐2上；所述水箱4‐3的上部和底部分别设置水箱第一通水阀门4‐3‐2、水箱第二通水阀门4‐3‐3，在第一通水阀门4‐3‐2、水箱第二通水阀门4‐3‐3之间高度设置水箱溢流阀门4‐3‐1；所述水箱溢流阀门4‐3‐1在试验时保持打开，用来控制进水过程中水位在水箱内的指定位置保持不变；所述水箱第一通水阀门4‐3‐2引出一条管路接无气水进口，为水箱蓄水；所述水箱第二通水阀门4‐3‐3与主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5连通，施加矩形波动边界水压；由于水箱与主体圆筒底部连通，所以可以控制主体圆筒底部的承压水头；将水箱的位置在所述上部活动平台4‐1与下部活动平台4‐2之间来回搬运，即可实现矩形波动水头的模拟；调节所述上部活动平台4‐1与下部活动平台4‐2在所述带刻度支架4‐4上的位置，与水箱在各平台上的停留时间，即可实现矩形波参数的变化。所述矩形水头边界控制系统4用于饱和主体圆筒1内的土体及施加承压水头。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6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(如粉质粘土等)，采用无气水6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。
本发明的工作过程如下：首先，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2；而后将透水石1‐5‐2装入主体圆筒1‐1内；分层装填粉质粘土并夯实，每一次加样时首先将一层铁丝网放置在有机玻璃圆筒单元上，然后将一定质量的土样透过铁丝网加入到有机玻璃圆筒单元中，每一个有机玻璃圆筒单元的加样过程根据试验的尺寸及精度分层填筑并击实，直至填土完成。接着，通水进行排气与饱和土体操作，在土柱顶面放置透水板，并将上盖压住透水板，打开水箱4‐3所有阀门，打开进水开关，通过主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5向主体圆筒1‐1内通无气水，由主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5以试验所需的流量向主体圆筒1‐1通无气水饱和试验土体粉质粘土，在整个试验过程中出水阀门1‐7‐1保持开启状态以便及时排水，必要的时候可以接通真空泵3进行抽气，增加土体的饱和速率和饱和程度，待土体完全饱和之后关闭主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5。
待上述试验准备工作完成后，静置24小时后进行试验，打开数据采集仪2采集记录试验初始状态下的孔隙水压力计1‐2‐3的读数；打开主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5，保持水箱4‐3所有阀门打开并持续进水，将装满水的水箱在所述上部活动平台4‐1与下部活动平台4‐2之间来回搬运，即可实现矩形波动水头的模拟；调节所述上部活动平台4‐1与下部活动平台4‐2在所述带刻度支架4‐4上的位置，与水箱在各平台上的停留时间，即可实现矩形波动水压参数的控制；利用数据采集仪2连续采集记录该级压力下孔隙水压力计的读数；直至粉质粘土发生突涌破坏，关闭主体圆筒第二通水阀门1‐5‐5，关闭进水开关和数据采集仪2，读取并记录两活动平台在带刻度支架4‐4上的读数；而后拆除主体圆筒1‐1内的试验土体。
采用如上所述方法重复试验，改变承压水压力变化的周期、均值和幅值，进行多组试验；通过数据采集仪2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。最后对每组试验结果进行整理，分析数据采集仪2采集记录的承压水动态变化过程中孔隙水压力计的读数；将各组试验结果进行对比，分析动态承压水作用下地基土体破坏机理。
上述实施例为本发明的一个优选实施方式，是对本发明内容及其应用的进一步说明，不应理解为本发明仅适用于上述实施例。凡基于本发明原理和发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。