申请/专利权人：辽宁工程技术大学

申请日：2017-02-22

公开（公告）日：2023-10-03

公开（公告）号：CN106644841B

主分类号：G01N13/04

分类号：G01N13/04

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.10.03#授权;2017.06.06#实质审查的生效;2017.05.10#公开

摘要：本发明提供一种研究地下建筑工程管涌现象的模拟试验装置，包括试验箱体、给试验箱体内土样施加压力的垂直加压装置、基于单片机的智能水头控制系统和显微观测装置，试验箱体上游左侧有进水管经进水阀与所述基于单片机的智能水头控制系统连接，下游右侧有出水管；所述试验箱体顶部用有机玻璃盖板密封，所述有机玻璃盖板表面沿上游至下游开有多个管涌口且用胶塞封堵，在所述管涌口和所述进水管处安装有流速仪。本发明模拟管涌作用下土体破坏的试验装置，可以根据需要调节水头梯度、渗径长度，从而更贴近现实，能够测量在不同水流速度作用下，不同渗径长度下、不同垂直压力下土体的管涌现象。

主权项：1.一种研究地下建筑工程管涌现象的模拟试验装置的使用方法，其特征在于，包括：试验箱体、给试验箱体内土样施加压力的垂直加压装置、基于单片机的智能水头控制系统和显微观测装置，试验箱体上游左侧有进水管经进水阀与所述基于单片机的智能水头控制系统连接，下游右侧有出水管；所述试验箱体内上游处设有透水板间隔形成进水室和土样容纳室，所述土样容纳室对应的试验箱体前侧壁上设有多个规则排布的透水孔，所述试验箱体顶部用有机玻璃盖板密封，所述有机玻璃盖板表面沿上游至下游开有多个管涌口且用胶塞封堵，在所述管涌口和所述进水管处安装有流速仪；所述基于单片机的智能水头控制系统包括水头升降装置、控制水头升降装置的电机及控制电机的控制箱，所述水头升降装置中水槽的出水口与所述进水管连接；所述显微观测装置由放大倍数为10倍至220倍的奥林巴斯体显微镜和CCD摄像机组成；所述垂直加压装置包括底座和固定在底座上的多级液压缸，所示试验箱体置于所述底座上，所述多级液压缸作用在所述有机玻璃盖板上对土样逐级加压，每级加压控制在0.1～0.2kPa；所述试验箱体的外侧壁均为有机玻璃板；所述管涌口等间距分布；在所述管涌口处设置有承砂盘；该方法包括以下步骤：首先将透水板固定好，并在试验箱体内的土样容纳室堆放土样，然后将有机玻璃盖板盖好，确保土样与有机玻璃盖板之间无缝隙，其上的管涌口用胶塞封堵，进水阀和出水阀处于关闭状态；将奥林巴斯体显微镜调零，CCD摄像机和流速仪处于工作状态；进行不同渗径长度试验时打开相应位置的管涌口，启动垂直加压装置，对土样加压，将水箱注满水，接通单片机控制箱电源，打开进水阀，并调节水的流速，使水流经进水管进入进水室；之后观察土样表面变化情况，并通过显微镜观察土样表面颗粒细观上的变化情况，当土样发生管涌时，水携带细砂开始向管涌口输送，观察流速仪所反馈的示数，当土体完全静止，收集承砂盘涌出的泥沙，即为试验结束，最后打开出水阀；通过计算，得出所需数据及结论；在每次试验过程中，启动垂直加压装置对土样施加的压力逐级增加，进而研究在土样上施加不同大小的压力下管涌临界速度的变化规律。

全文数据：一种研究地下建筑工程管涌现象的模拟试验装置技术领域:[0001] 本发明属于管涌现象的试验装置，尤其涉及一种研究地下建筑工程管涌现象的模拟试验装置。背景技术:[0002] 随着高层建筑以及超高层建筑越来越多，相应的基坑等地下工程也越来越深。在基坑支护的同时，常常需要采用井点降水等方法降低基坑内的地下水位，使得基坑内外的水头相差巨大，人为的增大了基坑产生渗透变形的可能性。渗透是由于地下水压力不均衡形成水渗流的过程，而渗透会引起砂土颗粒的位移，它一般分为:流土、管涌、接触冲刷和接触流失四种破坏形式，大量资料表明基坑管涌危害最大。为了保证地下工程的建设安全，故管涌等渗透破坏问题受到了学术及工程界的普遍关注。为了研究管涌的机理，需要一种模拟管涌侵蚀动态发展的试验装置，已有的管涌试验装置得出的数据单一，且缺乏对土体在不同压力下发生管涌现象的相关研究。因此急需提供一种新的试验装置不仅能够真实模拟土体管涌发展的条件和过程，实时监测管涌发展过程中土体细观结构、水力、力学特性的演变，而且能够同时测量有关管涌的多种数据，从而进行对比研究得出相应的规律，为深入研究管涌机制提供可靠依据。发明内容:[0003] 针对现有技术的缺陷，本发明提供一种可同时测量地下建筑工程管涌现象的多种相关数据的模拟试验装置。[0004] 本发明采用如下技术方案:提供一种研究地下建筑工程管涌现象的模拟试验装置，包括试验箱体、给试验箱体内土样施加压力的垂直加压装置、基于单片机的智能水头控制系统和显微观测装置，试验箱体上游左侧有进水管经进水阀与所述基于单片机的智能水头控制系统连接，下游右侧有出水管;所述试验箱体内上游处设有透水板间隔形成进水室和土样容纳室，所述土样容纳室对应的试验箱体前侧壁上设有多个规则排布的透水孔，所述试验箱体顶部用有机玻璃盖板密封，所述有机玻璃盖板表面沿上游至下游开有多个管涌口且用胶塞封堵，在所述管涌口和所述进水管处安装有流速仪。[0005] 所述基于单片机的智能水头控制系统包括水头升降装置、控制水头升降装置的电机及控制电机的控制箱，所述水头升降装置中水槽的出水口与所述进水管连接。[0006] 所述显微观测装置由放大倍数为10倍至220倍的奥林巴斯体显微镜和CCD摄像机组成。[0007] 所述垂直加压装置包括底座和固定在底座上的多级液压缸，所示试验箱体置于所述底座上，所述多级液压缸作用在所述有机玻璃盖板上对土样逐级加压，每级加压控制在0.1〜0.2kPa0[0008] 所述试验箱体的外侧壁均为有机玻璃板。[0009] 所述管涌口等间距分布。[0010] 在所述管涌口处设置有承砂盘。[0011]由上述技术方案可知，本发明与现有技术相比，具有如下优点:所述研究地下建筑工程管涌现象的模拟试验装置，试验过程中模拟的水流速度、渗径长度、土体所受垂直压力可控，可同时测量管涌现象的多种相关数据，实现观测土体发生管涌时临界速度及渗径长度对管涌的影响程度，以此得出水流速度对颗粒流失的影响；分析土体在不同压力下管涌临界速度的变化规律;不同流速下临界粒径的变化规律以及管涌颗粒粒径比例；同时通过该试验装置能更好的实现模型的可视化。附图说明:[0012]图1为本发明实施例提供的研究地下建筑工程管涌现象的模拟试验装置结构示意图；[0013] 本实施例中:1-控制箱，2-电机，3-水头升降装置，4-水槽，5-进水管，6_进水阀，7_有机玻璃盖板，8-透水板，9-管涌口，10-流速仪，11-奥林巴斯体显微镜，12-C⑶摄像机，13-试验箱体，131-进水室，132-土样容纳室，14-出水管，15-透水孔，16-出水阀，17-垂直加压装置，18-底座，19-多级液压缸。具体实施方式:[0014]下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。[0015] 请参阅图1所示，本发明公开的一种研究地下建筑工程管涌现象的模拟试验装置，包括由有机玻璃板制成的试验箱体13、给试验箱体13内土样施加压力的垂直加压装置17、基于单片机的智能水头控制系统和显微观测装置。试验箱体13上游左侧有进水管5经进水阀6与所述基于单片机的智能水头控制系统连接，下游右侧有出水管14;所述试验箱体13内上游处设有透水板8间隔形成进水室131和土样容纳室132，所述土样容纳室132对应的试验箱体13前侧壁上设有多个规则排布的透水孔15，直径为30mm，用于在试验过程中渗透上来的水能尽快排走而不影响试验，所述试验箱体13顶部用有机玻璃盖板7密封，所述有机玻璃盖板7表面沿上游至下游等间距开有三个直径为50mm的管涌口9且用胶塞封堵，管涌口9处设有承砂盘，所述承砂盘可以收集涌出的泥沙，将水滤出，用于判断颗粒粒径比例，在所述管涌口9和所述进水管5处安装有流速仪10，用以实时观测水流速度以及管涌发生时的临界速度。[0016] 所述垂直加压装置17包括底座18和固定在底座18上的多级液压缸19，所示试验箱体13置于所述底座18上，所述多级液压缸19作用在所述有机玻璃盖板7上对土样逐级加压，每级加压控制在0.1〜0.2kPa，通过调节水的流速可得到在不同压力下管涌临界速度的变化规律。[0017] 所述基于单片机的智能水头控制系统包括水头升降装置3、控制水头升降装置3的电机2及控制电机2的控制箱1，所述水头升降装置3中水槽4的出水口与所述进水管5连接。[0018] 所述显微观测装置由放大倍数为10倍至220倍的奥林巴斯体显微镜11和CCD摄像机12组成，可以进行连续自动拍摄或人工拍摄，获得试验过程中局部土样的图片和影像，以供细观参数分析，且可以分析在不同流速下，临界粒径的变化规律。[0019] 本发明的试验装置实施过程如下:[0020]首先将透水板固定好，并在试验箱体内的土样容纳室堆放土样，适当压实、平整，尽量还原土体的自然状态，然后将有机玻璃盖板盖好，确保土样与有机玻璃盖板之间无缝隙，其上的管涌口用胶塞封堵，进水阀和出水阀处于关闭状态;将奥林巴斯体显微镜调零，CCD摄像机和流速仪处于工作状态;进行不同渗径长度试验时打开相应位置的管涌口，启动垂直加压装置，对土样加压，将水箱注满水，接通单片机控制箱电源，打开进水阀，并调节水的流速，使水流经进水管进入进水室;之后观察土样表面变化情况，并通过显微镜观察土样表面颗粒细观上的变化情况，当土样发生管涌时，水携带细砂开始向管涌口输送，观察流速仪所反馈的示数，当土体完全静止，收集承砂盘涌出的泥沙，即为试验结束，最后打开出水阀。通过计算，可得出所需数据及相关结论。在每次试验过程中，启动垂直加压装置对土样施加的压力可逐级增加，进而可研究在土样上施加不同大小的压力下管涌临界速度的变化规律。[0021]综上所述，本发明的研究地下建筑工程管涌现象的模拟试验装置能够满足土体的管涌现象模拟要求。可得到不同渗径长度处发生管涌的临界速度;不同流速下临界粒径的变化规律以及管涌颗粒粒径比例；土体在不同大小的垂直压力下管涌临界速度的变化规律;在管涌发展过程中土体细观结构的变化规律。[0022] 最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

权利要求：1.一种研究地下建筑工程管涌现象的模拟试验装置，其特征在于，包括:试验箱体、给试验箱体内土样施加压力的垂直加压装置、基于单片机的智能水头控制系统和显微观测装置，试验箱体上游左侧有进水管经进水阀与所述基于单片机的智能水头控制系统连接，下游右侧有出水管;所述试验箱体内上游处设有透水板间隔形成进水室和土样容纳室，所述土样容纳室对应的试验箱体前侧壁上设有多个规则排布的透水孔，所述试验箱体顶部用有机玻璃盖板密封，所述有机玻璃盖板表面沿上游至下游开有多个管涌口且用胶塞封堵，在所述管涌口和所述进水管处安装有流速仪。2.根据权利要求1所述的研究地下建筑工程管涌现象的模拟试验装置，其特征在于:所述基于单片机的智能水头控制系统包括水头升降装置、控制水头升降装置的电机及控制电机的控制箱，所述水头升降装置中水槽的出水口与所述进水管连接。3.根据权利要求1所述的研究地下建筑工程管涌现象的模拟试验装置，其特征在于:所述显微观测装置由放大倍数为10倍至220倍的奥林巴斯体显微镜和CCD摄像机组成。4.根据权利要求1所述的研究地下建筑工程管涌现象的模拟试验装置，其特征在于:所述垂直加压装置包括底座和固定在底座上的多级液压缸，所示试验箱体置于所述底座上，所述多级液压缸作用在所述有机玻璃盖板上对土样逐级加压，每级加压控制在0.1〜0.2kPa05.根据权利要求1所述的研究地下建筑工程管涌现象的模拟试验装置，其特征在于:所述试验箱体的外侧壁均为有机玻璃板。6.根据权利要求1所述的研究地下建筑工程管涌现象的模拟试验装置，其特征在于:所述管涌口等间距分布。7.根据权利要求1所述的研究地下建筑工程管涌现象的模拟试验装置，其特征在于:在所述管涌口处设置有承砂盘。

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