一种考虑地下水的地裂缝场地危害模拟装置的制作方法

[0001]
本实用新型属于地质灾害分析技术领域，特别涉及一种考虑地下水的地裂缝场地危害模拟装置。


背景技术：

[0002]
地裂缝是发育于地壳表层的一种岩土介质的不连续或错断现象，由内外营力作用和人类活动等因素共同引起，且近年来有范围扩大和危害加重的趋势。地裂缝作为一种与抽水地面沉降、基底构造以及活动构造密切相关的近地表土层破裂的地质灾害，造成的直接或间接损失已达数十亿元。
[0003]
截至目前，国内外许多学者已对地裂缝的产生机理、活动特征、致灾类型和治理措施等各个方面开展了大量研究并取得了丰富的成果；采用室内试验进行地裂缝的模拟，其结果可信度更高，监测项目多样化，也能更好揭示相应的机理；因此尽管费用高昂，但采用模型试验进行地裂缝灾害的模拟仍然是广大科研人员的主要手段。
[0004]
随着目前各类工程的兴建，地裂缝场地的工程建设通常很难避免地下水的干扰，而现有的地裂缝场地灾害模拟装置没有考虑地下水的影响，无法控制地下水位的变动；因此为了研究地下水位变动对地裂缝场地的危害影响，更加充分地考虑地下水的作用，解决试验中地裂缝场地上、下盘地下水位变动的模拟和控制问题，以便于充分发挥物理模型试验的优势，为实际工程建设提供更有效的指导。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型提供了一种考虑地下水的地裂缝场地危害模拟装置，以解决现有技术中地裂缝场地危害模拟装置未考虑地下水影响，无法控制地下水变动的技术问题。
[0006]
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
[0007]
本实用新型提供了一种考虑地下水的地裂缝场地危害模拟装置，包括试验箱、地裂缝界面填充体及进水系统；试验箱包括箱体、第一供水管、第二供水管及若干排水管，箱体采用上部开口的矩形箱体结构；地裂缝界面填充体倾斜设置在箱体中，地裂缝界面填充体将箱体划分为上盘区和下盘区，上盘区和下盘区中均设置有模拟土层；
[0008]
第一供水管设置在上盘区的底部，第二供水管设置在下盘区的底部；箱体的两端分别设置有进水系统，其中一个进水系统与第一供水管连通，另一个进水系统与第二供水管连通；若干排水管均匀设置在箱体的四周底部，排水管的一端与箱体的内部连通，另一端与外界连通。
[0009]
进一步的，试验箱还包括两个水位观测管，两个水位观测管分别设置在箱体的两端，分别用于观测上盘区填充土层及下盘区填充土层的水位。
[0010]
进一步的，第一供水管或第二供水管包括供水主管及若干供水支管；供水主管水平设置在箱体的端部，供水主管的一端与进水系统的出水口连通，另一端与供水支管的进
水口连通；若干供水支管均匀布设在上盘区或下盘区的底部，供水支管上均匀设置有若干出水孔。
[0011]
进一步的，供水支管采用u型管，若干u型管均匀设置在供水主管上；u型管的两端均与供水支管连通，u型管上均匀设置有若干出水孔；u型管的长度与上盘区或下盘区的长度相匹配。
[0012]
进一步的，还包括运土系统，运土系统安装在箱体上；运土系统包括人字架、横梁及起吊机，人字架固定设置在箱体上，横梁水平设置在人字架上，横梁沿箱体的长度方向设置，起吊机滑动安装在横梁上。
[0013]
进一步的，地裂缝界面填充体与水平面之间的夹角为70
°-
80
°
。
[0014]
进一步的，进水系统采用可升降水箱，可升降水箱包括储水箱及升降架，升降架固定设置在箱体的端部，储水箱安装在升降架上，储水箱的出水口与第一供水管或第二供水管连通。
[0015]
进一步的，上盘区或下盘区中的模拟土层采用土体分层填筑形成，模拟土层的分层高度为 10-15cm。
[0016]
进一步的，地裂缝界面填充体采用细沙或粉细沙。
[0017]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
[0018]
本实用新型提供了一种考虑地下水的地裂缝场地危害模拟装置，通过在试验箱中倾斜设置地裂缝界面填充体，并在地裂缝界面填充体的两侧填筑模拟土层，模拟土层及地裂缝界面充填体组合形成模拟地裂缝场地；通过设置进水系统及供水管，实现对箱体中模拟地裂缝场地进行供水，通过设置排水管，实现对模拟地裂缝场地中水位的调节，实现了对地下水变动的地裂缝场地危害进行有效模拟，充分发挥了物理模型试验的优势；结构简单，操作简便，适用范围广，为实际工程建设提供了有效的指导。
[0019]
进一步的，通过在箱体的两端设置水位观测管，通过水位观测管实现了对上盘区填充土层和下盘区填充土层中水位的实时观测，确保了模拟试验的准确性。
[0020]
进一步的，通过在箱体内的底部设置u型供水管，实现对内部土体地下水的均匀供给，上下盘两侧的u型供水管不连通可进行拆卸，方便对地裂缝界面的水平展布进行调整。
[0021]
进一步的，通过在箱体上设置运土系统，减小了土体填筑过程的劳动强度，操作简便。
[0022]
进一步的，将地裂缝界面填充体与水平面之间的夹角设置为70
°-
80
°
，确保了与野外实际地裂缝的倾角相一致；本实用新型也可根据模拟的需要，调整地裂缝界面填充体与水平面之间的夹角，使模拟结果更加真实。
[0023]
进一步的，进水系统采用可升降水箱，将储水箱安装在升降架上，通过调节储水箱的高度，通过调节箱体两端储水箱在升降架上的竖向高度，有效控制地裂缝界面两侧上、下盘的土体地下水位差异，进而实现对地下水变动条件下地裂缝场地危害的研究，模拟效果真实性较高，实现对不同地下水条件的模拟，适用范围广。
[0024]
进一步的，模拟土层采用土体分层填筑，确保了地裂缝界面的填充效果与实际相一致，有效保证了模拟试验结果的准确性。
[0025]
进一步的，地裂缝界面充填体采用细沙或粉细沙，细沙或粉细沙作为不透水材料，细沙或粉细沙的性质与野外地裂缝填充物近似一致，使地裂缝的模拟更加接近实际。
[0026]
综上，本实用新型所述的一种考虑地下水的地裂缝场地危害模拟装置，通过在箱体中设置进排水系统，优化对于地裂缝场地上、下盘水位控制的模拟；通过进水系统及箱体中的供排水管，共同控制土体中的水位高度；通过设置可升降水箱，通过调节两侧储水箱的高低来控制地裂缝界面两侧上、下盘中地层水位的差异，研究外部荷载和地下水耦合作用下对地裂缝场地的危害影响；本实用新型所述的一种考虑地下水的地裂缝场地危害模拟装置，能够用于进行地裂缝模拟室内试验，充分考虑地下水对地裂缝场地的影响，并发挥物理模型试验的优势，对于地质灾害科研领域具有较高的效益和广泛的应用前景。
附图说明
[0027]
图1为本实用新型所述的地裂缝场地危害模拟装置的整体结构示意图；
[0028]
图2为本实用新型所述的地裂缝场地危害模拟装置中的试验箱结构示意图；
[0029]
图3为本实用新型所述的地裂缝场地危害模拟装置中的进水管管路布置示意图；
[0030]
图4为本实用新型所述的地裂缝场地危害模拟装置中的升降水箱结构示意图；
[0031]
图5为本实用新型所述的地裂缝场地危害模拟装置中的起吊机及横梁示意图。
[0032]
其中，1试验箱，2地裂缝界面填充体，3进水系统，4运土系统；11箱体，12第一供水管，13第二供水管，14排水管，15水位观测管；31储水箱，32升降架；41人字架，42横梁， 43起吊机；101供水主管，102供水支管。
具体实施方式
[0033]
为了使本实用新型所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本实用新型进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0034]
如附图1-5所示，本实用新型提供了一种考虑地下水的地裂缝场地危害模拟装置，试验箱 1、地裂缝界面充填体2、进水系统3及运土系统4；试验箱1包括箱体11、第一供水管12、第二供水管13、若干排水管14及两个水位观测管15；箱体11采用上部开口的矩形箱体结构，地裂缝界面充填体2倾斜设置在箱体11中，地裂缝界面充填体2的倾斜角度与实际地裂缝场地中的地裂缝界面倾角相同；地裂缝界面填充体2将箱体11中的空间划分为上盘区和下盘区，上盘区中填筑有上盘区模拟土层，下盘区中填筑有下盘区模拟土层。
[0035]
第一供水管12设置在上盘区的底部，第二供水管13设置在下盘区的底部；箱体11的两端分别设置有进水系统3，其中一个进水系统与第一供水管12连通，另一个进水系统与第二供水管13连通；若干排水管14均匀设置在箱体11的四周底部，排水管14的一端与箱体11 的内部连通，另一端与外界连通。
[0036]
两个水位观测管15分别设置在箱体11的两端底部，其中一个水位观测管15用于观测上盘区填充土层中的水位，另一个水位观测管15用于观测下盘区填充土层中的水位。
[0037]
运土系统4安装在箱体11上，运土系统4包括人字架41、横梁42及起吊机43，人字架 41固定设置在箱体11上，横向42水平设置在人字架41上；横梁42沿箱体11的长度方向设置，横梁42的长度与箱体11的长度相匹配；起吊机43滑动安装在横梁42上，起吊机43用于起吊土体及外部荷载加载装置。
[0038]
上盘区模拟土层或下盘区模拟土层采用土体分层填筑形成，上盘区模拟土层或下
盘区模拟土层的分层高度为10-15cm；地裂缝界面填充体2采用细沙或粉细沙，细沙或粉细沙采用分层填筑；地裂缝界面填充体2与水平面之间的夹角为70
°-
80
°
。
[0039]
第一供水管12与第二供水管13的结构相同，第一供水管12或第二供水管13包括供水主管101及若干供水支管102；供水主管101水平设置在箱体11的端部，供水主管101的一端与进水系统3的出水口连通，另一端与供水支管102的进水口连通；若干供水支管102均匀布设在上盘区或下盘区的底部，供水支管102上均匀设置有若干出水孔。
[0040]
供水支管102采用u型管，若干u型管均匀设置在供水主管101上；u型管的两端均与供水支管102连通，u型管上均匀设置有若干出水孔；u型管的长度与上盘区或下盘区的长度相匹配。
[0041]
进水系统3采用可升降水箱，可升降水箱包括储水箱31及升降架32，升降架32固定设置在箱体11的端部，储水箱31安装在升降架32上，储水箱31的出水口与第一供水管12或第二供水管13连通。
[0042]
本实用新型所述的一种考虑地下水的地裂缝场地危害模拟装置的使用方法，包括以下步骤：
[0043]
步骤1、将地裂缝模板倾斜设置在箱体中，在地裂缝模板的两侧分层填筑土体，使其在地裂缝模板两侧形成上盘区模拟土层和下盘区模拟土层；
[0044]
步骤2、上盘区模拟土层及下盘区模拟土层填筑完成后，取出地裂缝模板，在上盘区模拟土层与下盘区模拟土层之间形成地模拟地裂缝界面，之后在模拟地裂缝界面中分层填筑地裂缝充填体，形成模拟地裂缝场地；
[0045]
步骤3、关闭排水管，开启进水系统，分别向上盘区模拟土层及下盘区模拟土层中注水，至上盘区模拟土层及下盘区模拟土层中的水位达到设计值；
[0046]
步骤4、待上盘区模拟土层及下盘区模拟土层中的水位稳定后，根据设计要求，对箱体中的上盘区模拟土层和/或下盘区模拟土层施加外部荷载；记录在外部荷载作用下，模拟地裂缝场地的变形破坏情况、上盘区模拟土层和下盘区模拟土层的影响范围及模拟地裂缝场地的响应特征，完成地裂缝场地危害模拟试验。
[0047]
实施例
[0048]
本实施例提供了一种考虑地下水的地裂缝场地危害模拟装置，包括试验箱、地裂缝界面充填体、进水系统及运土系统；试验箱包括箱体、第一供水管、第二供水管、若干排水管及两个水位观测管；箱体采用上部开口的矩形箱体结构，箱体采用钢结构框架组成，钢结构框架的顶部为敞开状；地裂缝界面充填体倾斜设置在箱体中，地裂缝界面充填体的倾斜角度与实际地裂缝场地中的地裂缝界面倾角相同；地裂缝界面填充体将箱体中的空间划分为上盘区和下盘区，上盘区中填筑有上盘区模拟土层，下盘区中填筑有下盘区模拟土层。
[0049]
第一供水管设置在上盘区的底部，第二供水管设置在下盘区的底部；箱体的两端分别设置有进水系统，其中一个进水系统与第一供水管连通，另一个进水系统与第二供水管连通；若干排水管均匀设置在箱体的四周底部，排水管的一端与箱体的内部连通，另一端与外界连通。
[0050]
两个水位观测管分别设置在箱体的两端底部，其中一个水位观测管用于观测上盘区填充土层中的水位，另一个水位观测管用于观测下盘区填充土层中的水位。
[0051]
第一供水管与第二供水管的结构相同，第一供水管或第二供水管包括供水主管及
若干供水支管；供水主管水平设置在箱体的端部，供水主管的一端与进水系统的出水口连通，另一端与供水支管的进水口连通；若干供水支管均匀布设在上盘区或下盘区的底部，供水支管上均匀设置有若干出水孔。
[0052]
供水支管采用u型管，若干u型管均匀设置在供水主管上；u型管的两端均与供水支管连通，u型管上均匀设置有若干出水孔；u型管的长度与上盘区或下盘区的长度相匹配。
[0053]
进水系统采用可升降水箱，可升降水箱包括储水箱及升降架，升降架固定设置在箱体的端部，储水箱安装在升降架上，储水箱的出水口与第一供水管或第二供水管连通；通过储水箱在升降架上的上下移动，储水箱中的水通过供水主管及供水支管进入上盘区模拟土层或下盘区模拟土层中，实现对上盘区或下盘区中模拟土层内部水位变化的有效控制。
[0054]
本实施例中，供水系统、第一供水管、第二供水管及排水管组合形成水位控制系统，水位控制系统可以根据可升降水箱和箱体内部的第一供水管、第二供水管及排水管协同作用来共同控制上盘区模拟土层或下盘区模拟土层中的水位高度；同时，本实施例也可通过调节水箱的高低来控制地裂缝界面两侧上、下盘地下水位的差异，研究地下水位变动条件下地裂缝场地的危害。
[0055]
运土系统安装在箱体上，运土系统包括人字架、横梁及起吊机，人字架固定设置在箱体上，横向水平设置在人字架上；横梁沿箱体的长度方向设置，横梁的长度与箱体的长度相匹配；起吊机滑动安装在横梁上，起吊机用于起吊土体及外部荷载加载装置；通过设置运土系统，能够将试验中的材料方便运送至指定位置；优选的，横梁采用钢结构横梁。
[0056]
上盘区模拟土层或下盘区模拟土层采用土体分层填筑形成，上盘区模拟土层或下盘区模拟土层的分层高度为10-15cm；为保证地裂缝界面的填充效果与实际相一致，地层分层填筑时保证每层的厚度不宜过大，每层土体松铺厚度不宜超过15cm，人工夯实处理后的厚度为10cm 左右为宜，每填一层土，则进行相应的地裂缝界面处理；具体的，采用厚度为2cm左右的木板对设置地裂缝位置进行提前预留，对木板两侧松铺的土体夯实处理后的厚度为10cm左右为宜；每填一层土，采用细沙或粉细沙对抽出木板后形成的空隙进行均匀灌注形成地裂缝界面，分层填筑直至地裂缝界面设计高度；地裂缝界面填充体与水平面之间的夹角为70
°-
80
°
，地裂缝界面充填体作为人工填筑的软弱地质界面；上盘区模拟土层或下盘区模拟土层填筑过程，在模拟土层中布设传感器，每层模拟土层填筑完成时，进行随机取样测试，确保了模拟土层与原场地的地层相似。
[0057]
本实施例所述的一种考虑地下水的地裂缝场地危害模拟装置的使用方法，包括以下步骤：
[0058]
步骤1、将地裂缝模板倾斜设置在箱体中，通过运土系统将预先准备的土体运至箱体内部，且在地裂缝模板的两侧进行人工分层填筑，在地裂缝模板的两侧分别形成上盘区模拟土层和下盘区模拟土层；分层填筑过程同时进行传感器布设，每层填筑完成时应进行随机取样测试，保证与原场地的地层相似；其中，地裂缝模板采用2-3cm厚的木板，木板与水平面的夹角为70～80
°
，以模拟实际地裂缝倾角；分层填筑高度为10-15cm。
[0059]
步骤2、上盘区模拟土层及下盘区模拟土层填筑完成后，取出地裂缝模板，在上盘区模拟土层与下盘区模拟土层之间形成地模拟地裂缝界面；再进行地裂缝界面的填充处理，采用细沙或粉细沙等狭长颗粒进行分层填充，在界面两侧与地层土体接触的位置设置塑料薄膜等不透水材料，作为不透水界面控制形成两侧上、下盘的差异水位，逐层处理直至
达到设计高度；
[0060]
步骤3、向箱体两端的可升降水箱中注水；待箱体内部土层填筑完成后，关闭箱底四周外侧的排水管，调节可升降水箱上的水阀，通过与储水箱连通的供水主管及供水支管对上盘区模拟土层及下盘区模拟土层的土体进行注水；根据箱体两端的水位观测管反馈的水位结果进行人工调节，直至土体内部的水位达到设计的位置时停止；同时，通过调节两个储水箱在升降架上的竖向高度来控制地裂缝界面两侧上、下盘水位的差异；
[0061]
步骤4、待设置的上盘区模拟土层及下盘区模拟土层中地下水位稳定后，根据试验设计所需的加载条件对上盘区模拟土层或下盘区模拟土层进行外部荷载施加，模拟考虑地下水位变动对地裂缝场地危害的影响。
[0062]
步骤5、在加载过程中，利用设计分布于上盘区模拟土层或下盘区模拟土层内外侧的传感器进行监测测量，分析地下水位变动时，在外部荷载作用下地裂缝场地的变形破坏情况、上、下盘的影响范围，以及地层土体的响应特征等。
[0063]
本实用新型所述的一种考虑地下水的地裂缝场地模拟危害装置，通过在设置进水系统、供水管及排水管，控制箱体内部模拟土层中的地下水位；通过调节箱体两端储水箱在升降架上的竖向高度来控制地裂缝界面两侧上、下盘的土体地下水位差异，达到考虑地下水位变动的地裂缝场地危害的模拟效果；结合相应的监测手段，能够更加科学的研究地下水位变化对地裂缝场地的危害影响，且可根据试验的设计配备所需的动、静荷载施加，来研究外部荷载和地下水耦合作用下对地裂缝场地的危害影响；本实用新型操作简便，测量多样，适用范围广，可扩展性强。
[0064]
本实用新型所述的一种考虑地下水的地裂缝场地危害模拟装置，优化对于地裂缝场地上、下盘水位控制的模拟，通过进水系统和箱体中的进水管及排水管，共同控制土体中的水位高度，研究外部荷载和地下水耦合作用下对地裂缝场地的危害影响，对于地质灾害科研领域具有较高的效益和广泛的应用前景。
[0065]
上述实施例仅仅是能够实现本实用新型技术方案的实施方式之一，本实用新型所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本实用新型所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。