气阀门7-2与气囊7-5连接;所述有机玻璃圆筒7-1内的液体为无气水10;所述气囊7-5内装有Iatm的氮气;所述传感器固定装置8由不锈钢支架8-1、尼龙板8-2和螺栓8-6组成;所述传感器固定装置8通过螺栓8-6固定在模型箱I内的后侧面上;所述传感器固定装置8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;所述传感器固定装置8应安装在不影响数码照相机拍摄的模型箱I侧面;所述量测系统包括微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、多通道数据采集仪和数码照相机;所述微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的信号传输线连接在多通道数据采集仪上;所述数码照相机放置于模型箱正前方，可根据拍摄需要增设光源;所述数码照相机在试验过程中应排除干扰，其位置不可发生挪动;模型箱I内的底部试验土体为砾砂9-1 (以模拟承压土层)，上覆试验土体为弱透水性土体9-2(如粘质粉土等)，采用无气水饱和。
[0029]如图3所示，所述带通水孔的有机玻璃板2-1使得承压架空层2中的无气水与砾砂9-1承压层水力连通，提供砾砂9-1承压层的承压水头压力;所述带通水孔的有机玻璃板2-1的厚度、通水孔的排布和有机玻璃短柱2-2的排布应满足受力计算要求，使得承压架空层2足以承受试验土体的重量。
[0030]如图4(a)、4(b)、4(c)所示，所述尼龙板8-2固定在不锈钢支架8-1上，不锈钢支架8-1和尼龙板8-2上开有贯穿的安装微型孔隙水压力传感器的圆孔8-3，尼龙板8-2上开有安装微型土压力盒的圆孔8-4，不锈钢支架8-1和尼龙板8-2上开有导线槽8-5用于放置微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的信号传输线。
[0031]本发明的工作过程如下:首先向模型箱I内分层装填烁砂9-1穷实，填筑至指定高度;分层装填弱透水性土体9-2夯实，填至传感器固定装置8底部时，暂停填土，在模型箱I长轴一侧的中央位置安装传感器固定装置8，用螺栓8-6拧紧固定;而后在传感器固定装置8上安装微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒，由导线槽8-5引出孔隙水压力传感器和土压力盒的信号传输线，将信号传输线连接在多通道数据采集仪上;继续分层装填弱透水性土体9-2夯实，直至填土完成，由第一通水阀门4-1以6L/天的速度向模型箱I通无气水饱和试验土体砾砂9-1和弱透水性土体9-2，待土体完全饱和之后关闭第一通水阀门4-1，打开出水阀门3，在整个试验过程中出水阀门3保持开启状态。
[0032]打开第三通水阀门7-3和出气阀门7-4，通过第三通水阀门7_3向马里奥特瓶7的有机玻璃圆筒7-1内注入无气水10，由出气阀门7-4排出有机玻璃圆筒7-1内的气体;待有机玻璃圆筒7-1内注满无气水，关闭第三通水阀门7-3和出气阀门7-4;通过进气阀门7-2连接装有Iatm氮气的气囊7-5;而后通过第二通水阀门4-2连接模型箱I和承压水头调节系统。
[0033]将数码照相机置于模型箱I正前方，调节相机参数，设置数码照相机的自动拍摄时间间隔为20s;若实验室光线不足，可在数码照相机两侧增设Led光源;利用数据采集仪采集记录试验初始状态下微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的读数，利用数码照相机拍摄试验初始状态下的试验土体照片；打开第二通水阀门4-2、第三通水阀门7-3和进气阀门7-2，并在试验过程中保持开启状态;通过手摇器6-3调节马里奥特瓶7的高度，由水压计5读取承压水头大小;将承压水头升高至第一级水头压力，利用手摇器6-3的自锁功能固定马里奥特瓶7的高度，打开数据采集仪连续采集记录该级水头压力下微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的读数，同时触发数码照相机;待数据采集仪显示的传感器读数稳定之后，暂停数据采集和图像拍摄;采用如前所述的方法继续增加至下一级的承压水头压力，直至达到试验要求的承压水头压力为止;通过数据采集仪采集记录各级承压水头压力下微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的读数，由数码照相机拍摄各级承压水头压力下试验土体变形的照片。
[0034]通过分析数据采集仪采集记录的各级承压水头压力下微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的读数，得出各级承压水头下地基土中的水土压力响应规律;通过对数码照相机所拍摄的照片进行Piv图像分析，得出土体的位移场，从而得知地基土体随承压水头变化的变形规律。
【主权项】
1.一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，包括模型箱(I)、承压架空层(2)、承压水头调节系统、传感器固定装置(8)和量测系统五个部分;所述模型箱(I)由前后左右以及底部五块有机玻璃组成;所述模型箱(I)左右两个侧面的上部均安装出水阀门(3)，出水阀门(3)底部与试验土体顶面齐平;所述模型箱(I)的底部一侧安装第一通水阀门(4-1)用于饱和土体，另一侧安装第二通水阀门(4-2)用于连通承压水头调节系统;所述承压架空层(2)由带通水孔的有机玻璃板(2-1)、有机玻璃短柱(2-2)和反滤土工织物(2-3)组成;所述带通水孔的有机玻璃板(2-1)底部固定有机玻璃短柱(2-2)，放置于模型箱(I)内，并与模型箱(I)的四个侧面密封连接;所述带通水孔的有机玻璃板(2-1)表面粘贴反滤土工织物(2-3);所述承压水头调节系统由水压计(5)、支架(6)和马里奥特瓶(7)组成;所述水压计(5)通过三通管连接模型箱(I)和马里奥特瓶(7);所述支架(6)的顶端安装定滑轮(6-1)，钢丝绳(6-2) —端连接手摇器(6-3)，另一端绕过定滑轮(6-1)连接马里奥特瓶(7)，通过手摇器(6-3)控制马里奥特瓶(7)的升降调节承压水头的大小;所述马里奥特瓶(7)由有机玻璃圆筒(7-1)、进气阀门(7-2)、第三通水阀门(7-3)、出气阀门(7-4)和气囊(7-5)组成;所述有机玻璃圆筒(7-1)底部设置进气阀门(7-2)和第三通水阀门(7-3)，顶部设置出气阀门(7-4);所述进气阀门(7-2)与气囊(7-5)连接;所述传感器固定装置(8)由不锈钢支架(8-1)、尼龙板(8-2)和螺栓(8-6)组成;所述传感器固定装置(8)通过螺栓(8-6)固定在模型箱(I)内的后侧面上;所述尼龙板(8-2)固定在不锈钢支架(8-1)上，不锈钢支架(8-1)和尼龙板(8-2)上开有贯穿的安装微型孔隙水压力传感器的圆孔(8-3)，尼龙板(8-2)上开有安装微型土压力盒的圆孔(8-4)，不锈钢支架(8-1)和尼龙板(8-2)上开有导线槽(8-5);所述量测系统包括微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、多通道数据采集仪和数码照相机;所述微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒通过信号传输线连接多通道数据采集仪;所述数码照相机放置于模型箱正前方。2.根据权利要求1所述的一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，所述气囊(7-5)内装有Iatm的氮气。3.根据权利要求1所述的一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，所述有机玻璃圆筒(7-1)内装有无气水(1)。4.根据权利要求1所述的一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，模型箱(I)内的底部试验土体为砾砂(9-1)，以模拟承压土层;上覆试验土体为弱透水性土体(9-2)，采用无气水饱和。5.根据权利要求4所述的一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，所述的弱透水性土体(9-2)为粘质粉土。6.根据权利要求1所述的一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，所述数码照相机在试验过程中应排除干扰，其位置不可发生挪动;可根据拍摄需要增设光源。7.根据权利要求1所述的一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，所述传感器固定装置(8)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；传感器固定装置(8)应安装在不影响数码照相机拍摄的模型箱(I)侧面。8.根据权利要求1所述的一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，所述带通水孔的有机玻璃板(2-1)与模型箱(I)的四个侧面通过玻璃胶密封连接。9.根据权利要求1所述的一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，所述手摇器(6-3)具有自锁功能。
【专利摘要】本发明公开了一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置。包括模型箱、承压架空层、承压水头调节系统、传感器固定装置和量测系统；模型箱底部设置承压架空层；承压架空层与承压水头调节系统连接，通过调节承压水头调节系统的马里奥特瓶来控制模型箱内承压水头的升降；量测系统包括微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、多通道数据采集仪和数码照相机；本发明可模拟承压水头升降时承压层和上覆弱透水性地基土体之间的相互作用；量测不同承压水头下地基的水土压力和变形，整理相关试验数据并确定地基受力和变形发展规律等问题，为承压水升降引起的地基问题研究提供有效的试验数据支持，并对于之后理论分析模型提供依据。
【IPC分类】G01N3/12
【公开号】CN105716958
【申请号】CN201610205933
【发明人】应宏伟, 章丽莎, 魏骁, 王小刚, 朱成伟, 沈华伟, 张金红
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年6月29日
【申请日】2016年4月1日