一种用于大型土槽实验的砂质土体制备装置和制备方法

本发明实施例涉及土力学、岩土工程及海洋工程领域，具体涉及一种用于大型土槽实验的砂质土体制备装置和制备方法。

背景技术：

1、土工模型实验对于揭示自然地质灾害和工程基础结构失稳的机理、规律具有重要意义。大比尺土工模型实验可突破比尺效应的限制，更加真实准确地模拟和复现真实物理过程，对岩土力学相关科学问题的研究具有难以替代的价值。然而，大比尺土工模型实验必然涉及到大型土体模型的制备和回收，尤其是对于砂质土体，如何精确高效地制备可以反映原型工程条件的土体模型，保证土体模型的密实度、饱和度、均匀性符合实验要求，同时实验完成后能够快速高效的完成土体的清出和回收，提高实验设备的使用效率，这是砂土模型实验设计的主要技术难点之一。

2、现有研究表明，在制备砂土模型时，采用砂雨法是保证砂土模型均匀性的有效手段。相对密度是决定饱和砂土内摩擦角、地基承载力等工程力学性质的重要指标，同时也可以反映砂土孔隙比、浮容重等物理状态参量。砂土撒入土槽时的落距、流量、出砂孔尺寸均会对土体模型的最终相对密度造成影响。其中，相对密度与落距呈正相关关系，与出砂孔尺寸、流量呈负相关关系。其原理在于，落距大时，砂土冲击既有土体会对已制备的土体产生振动碾压效果，有助于土体的密实化；而流量大、出砂孔尺寸大时，会造成砂土颗粒在局部堆高，从而使土堆顶部的砂颗粒滚动下滑，而造成相对疏松的初始状态。

3、对于大型土槽实验的砂质土体制备而言，采用简单的倾倒法制备砂质土体具有节约制备时间的优势，但所制备土体的均匀性较差，且制备好的砂质土体孔隙内部易夹杂气泡，导致饱和度难以满足实验要求。采用砂雨法制备模型虽能相对精确地控制土体模型的饱和度和相对密度，但其一方面制备效率较低，一般适合宽度1米以内、长度5米以内的小型土槽的砂土制备；此外，砂雨法用于铺设宽度较大的土体时，如采用小料斗，砂雨则需要料斗沿土槽长度、宽度方向同时做往复运动，控制复杂；如采用宽大料斗，则料斗质量过大、难以同时满足砂雨持续性和土体模型的均匀性。此外，由于料斗本身需要在制备土体的正上方往复运动，所以在制备大体积土体模型时需要反复移动料斗到土槽边缘进行装填，制备过程耗时长、效率低。此外，实验结束后对土体模型进行挖除时，土体含水量大且一般较为密实，移除作业耗时长。

技术实现思路

1、为此，本发明实施例提供一种用于大型土槽实验的砂质土体制备装置和制备方法，以克服现有技术中在土槽中的砂土的制备，尤其是大型土槽中的砂土制备过程中存在的铺料不均、耗时长、效率低，以及砂土参数较难控制的问题。

2、为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

3、在本发明实施例的一个方面，提供了一种用于大型土槽实验的砂质土体制备装置，包括：

4、实验槽，形成有用于容纳实验土体的容纳腔；

5、渗流单元，与所述容纳腔连通，能够自所述容纳腔的上方自上而下，或，自所述容纳腔的下方自下而上作为渗流方向向实验土体中渗流液体，且渗流方向可切换；

6、砂雨单元，包括供砂机构，以及与供砂机构相连且能够向所述容纳腔中提供砂土的分散撒砂机构，且所述分散撒砂机构通过沿所述实验槽的延伸方向往复移动实现均匀地提供砂土。

7、作为本发明的一种优选方案，所述渗流单元至少包括供水池组，与所述供水池组各自连通的第一渗流提供组件和第二渗流提供组件；其中，

8、所述第一渗流提供组件自下方与所述容纳腔相连通，且所述第一渗流提供组件至少包括与所述容纳腔连通的用于控制渗流压力的液位调节结构；

9、所述第二渗流提供组件自上方与所述容纳腔相连通；

10、所述第一渗流提供组件和/或所述第二渗流提供组件向所述容纳腔中提供渗流液体。

11、作为本发明的一种优选方案，所述第一渗流提供组件包括清水池，所述液位调节结构连通所述清水池和所述容纳腔；其中，

12、所述液位调节结构包括至少自上而下形成有贯通腔的连通井，所述连通井的上端与所述清水池之间通过注水泵连通，所述连通井的下端通过等位管与所述容纳腔的下端连通。

13、作为本发明的一种优选方案，所述连通井中还设置有水位传感器；

14、所述容纳腔通过滤水层分隔，且位于所述滤水层上方的所述容纳腔用于容纳实验土体，位于所述滤水层下方的所述容纳腔中形成有支撑所述滤水层的支撑结构。

15、作为本发明的一种优选方案，所述第二渗流提供组件包括沉淀池，以及一端连通所述沉淀池，另一端延伸位于所述容纳腔的上方的供液管，所述供液管上还连通设置有回流泵。

16、作为本发明的一种优选方案，所述支撑结构包括自上而下延伸设置的多根立柱，架设于多根所述立柱上方的主梁，以及连接于所述主梁之间的次梁，所述主梁与所述次梁配合形成为用于承载所述滤水层的承载面；

17、所述滤水层包括自下而上设置的格构板和滤水板。

18、作为本发明的一种优选方案，所述供砂机构包括形成有运输平面且可传输地设置的传送带，用于驱动所述传送带的进行传输的驱动电机，以及位于所述传送带中靠近传输末端一端的集砂板，所述传送带传输能够带动位于所述传送带上的砂土在所述集砂板上聚集；

19、所述集砂板上形成有与所述分散撒砂机构连通的开口。

20、作为本发明的一种优选方案，所述分散撒砂机构包括与所述集砂板的开口连通的分砂传输带，沿所述分砂传输带的传输方向可往复移动地设置于所述分砂传输带的传输面上的分砂板，以及位于所述分砂传输带其中一侧的布撒结构；

21、所述分砂板通过隔档砂土使砂土朝向布撒结构所在的一侧掉落，且所述分砂板能够通过移动限位砂土的掉落位置；

22、所述布撒结构包括沿所述分砂传输带的传输方向顺次设置的多个布撒料斗。

23、作为本发明的一种优选方案，所述砂质土体制备装置还包括回收单元，所述回收单元至少包括能够位于所述容纳腔中的吸泥泵，以及用于带动所述吸泥泵在所述容纳腔中移动的移动件。

24、在本发明实施例的另一个方面，还提供了一种用于大型土槽实验的砂质土体制备方法，采用根据上述所述的砂质土体制备装置，所述砂质土体制备方法包括：

25、s101、采用砂雨单元向容纳腔中均匀铺设砂土；

26、s102、根据预设渗流参数，自下而上向容纳腔中渗流液体至液体溢出砂土表面；

27、s103、将步骤s102中溢出的液体持续抽出，至溢出的液体表面无明显气泡产生；

28、s104、调节渗流方向，自上而下渗流液体，对砂土进行压密；

29、或者，

30、s201、根据预设渗流参数，自下而上向容纳腔中渗流液体至液体在容纳腔中达到预设水位；

31、s202、在保持步骤s201中的渗流状态的条件下，采用砂雨单元向容纳腔中铺设砂土至砂土厚度达到预设值；

32、s203、继续保持自下而上的渗流状态至砂土表面无明显气泡逸出。

33、本发明的实施方式具有如下优点：

34、1、可制备更高密度和饱和度的砂土模型：本发明基于渗流方向可切换的渗流单元的设置，在制备高密度砂土模型时，可以采用先制备干砂、再通过向上渗流饱和、最后通过向下渗流二次密实的方法，可使砂土模型具有更高的密度和饱和度。

35、2、可制备更低密度的砂土模型：进一步地，在制备低密度砂土模型时，基于向上的渗流力可使砂土颗粒的有效重度进一步降低，可制备初始相对密度更低的模型。

36、3、节省作业时间：本发明的技术方案通过往复移动的砂雨单元的设置，在实现对大体积土槽的制备任务时，能够基于砂雨系统，实现从固定位置连续供料，无需反复撤回料斗进行填料。同时，在实验结束后，害可利用渗流单元将砂土疏松化后以便迅速抽离实验土槽。