一种用于含气土地基变形稳定性研究的模型试验系统

1.本实用新型涉及土工模型试验技术领域，尤其涉及一种用于含气土地基变形稳定性研究的模型试验系统。


背景技术：

2.含气土在自然界中普遍存在，气体成分有有机成因气，如甲烷(或称沼气)、乙烷等，也有无机成因气，如二氧化碳、硫化氢、氮气等。人为活动也能形成含气土，如：地下爆炸、气体压注、封存、抽采、水合物卸压分解、垃圾填埋分解、疏浚淤泥等。含气土一般埋深浅，土中气体可称为“浅层气”。自然形成的浅层气在我国分布较广泛，包括苏、浙、皖、沪、闽、粤、琼、湘、鄂、赣等地区，且主要分布于东南沿海、长江中下游地区沿海、沿江的第四系平原中，包括湖相、河流相及海相(或过渡相)沉积平原，赋存埋深浅常小于60m，为超浅层生物气藏类型。
3.近些年，随着我国经济的快速发展，对海洋和陆地地下空间的开发和利用的需求日益增加。越来越多的与岩土工程相关的工程项目在工程建设过程中遭遇到这种含浅层气的土体，给工程构成威胁。如：上海长江入海口某排水隧道，由于地层中浅层气释放，造成下伏土层失稳，使已经修好的隧道产生位移、断裂造成重大事故；某工程基坑开挖到地面下7.0m时，基坑地突然隆起，基坑边坡因地下浅层气喷发导致滑塌等。目前，岩土工程领域对含气土的了解有限，含气土的灾害性影响成为制约遭遇浅层气工程的重要影响因素。因此，室内开展含气土地基变形稳定性的研究是解决此类岩土工程问题的必然选择。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种用于含气土地基变形稳定性研究的模型试验系统，可以人为控制含气土地基中的气体压力，开展不同气体释放速率下含气土地基的变形和稳定性研究与监测，适合于土工模型试验及含气土工程灾害影响的量化分析研究；具有工作路径清晰、原理明确、制作过程简单、安装和拆卸快捷等优点。
5.本实用新型的目的通过下述技术方案实现：
6.一种用于含气土地基变形稳定性研究的模型试验系统，包括气源、模型箱和沉降监测组件，气源连通设有软质连接管，所述模型箱从下至上依次设有含气层、封气泥浆层和覆盖层，所述沉降监测组件包括至少一个沉降标和与沉降标对应连接的千分表，所述沉降标对应插入模型箱内部；所述模型箱设有与含气层相连通的多孔进气管，所述多孔进气管置于含气层的一端开有若干个进气孔，所述含气层远离含气层的一端通过快接插头与软质连接管连通；所述软质连接管上安装设有调压阀和气压表。
7.为了更好地实现本实用新型，本实用新型还包括立柱支架组件，所述模型箱安装于立柱支架组件上，所述立柱支架组件包括若干个立柱，所有立柱顶部通过连接杆a连接固定，所有立柱中部通过连接杆b连接固定，所有立柱下部通过连接杆c连接固定。
8.优选地，所述模型箱的箱内底部还设有垫层，所述垫层位于含气层下方。
9.优选地，所述沉降监测组件包括至少两个沉降标和至少两个千分表，所述沉降标与千分表一一对应连接，其中一个沉降标底端置于含气层顶部，其余沉降标底端置于覆盖层的不同深度处。
10.优选地，所述立柱支架组件的所有立柱底部均安装有平衡脚支座，所有立柱底部还通过连接杆d连接固定。
11.优选地，所述模型箱的模型箱外壁采用透明材料制造，所述模型箱的模型箱底板对应放置于连接杆c上。
12.优选地，本实用新型还包括计算机和摄像装置，所述摄像装置包括相机三脚架和安装于相机三脚架上的piv相机，所述piv相机的摄像视角与模型箱的含气层相对应。
13.本实用新型较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
14.(1)本实用新型可以人为控制含气土地基中的气体压力，开展不同气体释放速率下含气土地基的变形和稳定性研究与监测，适合于土工模型试验及含气土工程灾害影响的量化分析研究。具有工作路径清晰、原理明确、制作过程简单、安装和拆卸快捷等优点。
15.(2)本实用新型可根据试验要求设置不同的含气层初始气压力、设定不同的气体加载或卸载方式，开展含气土地基的变形稳定性研究。
16.(3)本实用新型为含气土地基变形稳定性研究设计了一套模型试验设备，可通过多种数据相互校验，定量研究不同因素对含气土地基稳定性的影响。
附图说明
17.图1为本实用新型的结构示意图。
18.其中，附图中的附图标记所对应的名称为：
19.100－气源，101－调压阀，102－气压表，103－软质连接管，104－快接插头，105－多孔进气管，200－垫层，201－含气层，202－封气泥浆层，203－覆盖层，204－沉降标，205－千分表，301－连接杆a，302－立柱，303－连接杆b，304－模型箱外壁，305－模型箱底板，306－连接杆c，307－平衡脚支座，308－连接杆d，400－piv相机，401－相机三脚架，402－计算机。
具体实施方式
20.下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明：
21.实施例一
22.如图1所示，一种用于含气土地基变形稳定性研究的模型试验系统，包括气源100、模型箱、立柱支架组件和沉降监测组件，气源100连通设有软质连接管103，模型箱安装于立柱支架组件上。模型箱包括模型箱外壁304，模型箱底部具有模型箱底板305，模型箱内部从下至上依次设有垫层200、含气层201、封气泥浆层202和覆盖层203，沉降监测组件包括至少一个沉降标204和与沉降标204对应连接的千分表205；如图1所示，本实用新型沉降监测组件包括至少两个沉降标204和至少两个千分表205，沉降标204与千分表205一一对应连接，其中一个沉降标204底端置于含气层201顶部，其余沉降标204底端置于覆盖层203的不同深度处。优选的，比如沉降监测组件包括两个沉降标204和两个千分表205，两个沉降标204与
两个千分表205一一对应连接，其中一个沉降标204底端置于覆盖层203中，另一个沉降标204底端置于含气层201顶部。沉降标204对应插入模型箱内部；模型箱设有与含气层201相连通的多孔进气管105，多孔进气管105置于含气层201的一端开有若干个进气孔，含气层201远离含气层201的一端通过快接插头104与软质连接管103连通；软质连接管103上安装设有调压阀101和气压表102。
23.如图1所示，立柱支架组件包括若干个立柱302，所有立柱302顶部通过连接杆a301连接固定，所有立柱302中部通过连接杆b303连接固定，所有立柱302下部通过连接杆c306连接固定。立柱支架组件的所有立柱302底部均安装有平衡脚支座307，所有立柱302底部还通过连接杆d308连接固定。
24.实施例二
25.本实施例相对于实施例一还包括如下技术内容：
26.模型箱的模型箱外壁304采用透明材料制造，模型箱的模型箱底板305对应放置于连接杆c306上。
27.如图1所示，本实施例还包括计算机402和摄像装置，摄像装置包括相机三脚架401和安装于相机三脚架401上的piv相机400，piv相机400的摄像视角与模型箱的含气层201相对应，piv相机400对模型箱的含气层201进行实时摄像并传输至计算机402中，便于计算机存储和研究。
28.本实施例的使用方法如下：
29.a、立柱支架组件的各个立柱302通过连接杆a301、连接杆b303、连接杆c304进行加固连接，模型箱安装于立柱支架组件上，可以防止模型箱的侧向变形。立柱支架组件通过调节平衡脚支座307，能够确保模型箱平稳放置。清理模型箱内壁，在模型箱内侧表面涂一层薄的矿物油隔离剂，以减小边界效应对试验的影响。
30.b、模型箱内部从下至上依次填筑垫层200、含气层201、封气泥浆层202、覆盖层203；上述铺设过程以100mm为间隔进行分层压实，填筑至预定高度之后安装沉降标204，沉降标上部带有千分表205，用来测量含气土地基的沉降量。沉降标204放置完毕后，用土体轻轻覆盖，再填筑上层土体，整个过程要保证沉降标204的标杆竖直。
31.c、在模型箱一侧用相机三脚架401对piv相机400进行固定和调节，调节piv相机400并让镜片与模型箱的含气层201平行，用计算机402内安装的insight 4g软件进行控制，设置piv测量系统的拍照频率和照片数目，进行数据采集，通过tecplot软件对量测数据进行分析。步骤c的相机三脚架401、piv相机400、计算机402非必须，省去步骤c即为实施例一模型试验系统的使用方法。
32.d、打开气源100，通过调压阀101和气压表102控制含气层201内的初始气压力，气体从气源100处通过软质连接管104和多孔进气管105进入含气层201，软质连接管103与多孔进气管105通过快接插头103连接。加气完成后，静置24h，待土层变形稳定且含气层201无明显变化时，记录实验数据；还可以通过调节调压阀101，开始对含气层201分级放气卸荷，记录实验数据。试验过程中，采集的数据主要有含气层201的地基沉降、土体位移场的变化等数据，根据气压力-土体位移关系，进而进行含气土地基变形稳定性的试验研究。
33.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型
的保护范围之内。