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量測原位應(yīng)力場作用下土體位移的模型試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種量測原位應(yīng)力場作用下土體位移的模型試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法，該模型試驗(yàn)裝置包括透明模型箱、透水層、孔隙壓力測量裝置、壓力水提供裝置、密封蓋板，所述密封蓋板密封于所述開口處，所述排水腔體設(shè)有排水孔，所述土樣放置腔體側(cè)壁設(shè)有測壓孔，所述孔隙壓力測量裝置位于所述測壓孔中、且所述孔隙壓力測量裝置與所述測壓孔為液密封配合，所述密封蓋板設(shè)有進(jìn)水管，所述壓力水提供裝置通過連接進(jìn)水管與所述土樣放置腔體連通，所述壓力水提供裝置與所述排水孔連通構(gòu)成水循環(huán)系統(tǒng)。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的量測原位應(yīng)力場作用下土體位移的模型試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、設(shè)備成本低。
【專利說明】量測原位應(yīng)力場作用下土體位移的模型試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖士工程領(lǐng)域，尤其涉及量測原位應(yīng)力場作用下土體位移的模型試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]粒子圖像測速技術(shù)最先應(yīng)用于流體力學(xué)中，通過激光照射流體切面，獲得切面上示蹤粒子流動(dòng)前后的照片，通過圖像匹配技術(shù)，測定示蹤顆粒的流速，得到流體的流動(dòng)速度。由于該種技術(shù)具有無干擾、動(dòng)態(tài)、全局觀測等優(yōu)點(diǎn)，粒子圖像測速技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從開始的流體力學(xué)向生物學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)和巖土工程等多個(gè)學(xué)科發(fā)展。
[0003]由于粒子圖像測速技術(shù)是利用圖像相關(guān)處理技術(shù)將變形前后的圖像進(jìn)行分割和像塊互相關(guān)處理，因此要求拍攝圖像清晰準(zhǔn)確，該技術(shù)常被應(yīng)用在小尺寸模型的試驗(yàn)分析測量。小尺寸的模型試驗(yàn)在結(jié)構(gòu)力學(xué)、水力學(xué)和巖土工程中應(yīng)用非常廣泛，但縮尺后模型中各點(diǎn)的自重應(yīng)力場遠(yuǎn)低于原型中原位應(yīng)力場，強(qiáng)度指標(biāo)很難滿足相似條件，那么試驗(yàn)成果也必然與實(shí)際情況相差較大。
[0004]而且，目前的試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不便、設(shè)備成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不便、設(shè)備成本高的問題，本發(fā)明提供了一種量測原位應(yīng)力場作用下土體位移的模型試驗(yàn)裝置。
[0006]本發(fā)明提供了一種量測原位應(yīng)力場作用下土體位移的模型試驗(yàn)裝置，包括透明模型箱、透水層、孔隙壓力測量裝置、壓力水提供裝置、密封蓋板，所述透明模型箱頂部設(shè)有開口，所述密封蓋板密封于所述開口處，所述透水層位于所述透明模型箱內(nèi)部，所述透水層與所述密封蓋板之間的空間為土樣放置腔體，所述透水層與所述透明模型箱底部之間的空間為排水腔體，所述排水腔體設(shè)有排水孔，所述土樣放置腔體側(cè)壁設(shè)有測壓孔，所述孔隙壓力測量裝置位于所述測壓孔中、且所述孔隙壓力測量裝置與所述測壓孔為液密封配合，所述密封蓋板設(shè)有進(jìn)水管，所述壓力水提供裝置通過連接進(jìn)水管與所述土樣放置腔體連通，所述壓力水提供裝置與所述排水孔連通構(gòu)成水循環(huán)系統(tǒng)。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述透水層由透水石構(gòu)成。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述透水石上設(shè)有過濾網(wǎng)。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述過濾網(wǎng)為土工織物制成。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述孔隙壓力測量裝置為孔隙水壓力傳感器。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述透明模型箱全部由透明材料制成，或者在所述透明模型箱中拍攝土體變形一側(cè)由透明材料制成。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述排水孔通過水泵與所述壓力水提供裝置連通構(gòu)成水循環(huán)系統(tǒng)，所述進(jìn)水管設(shè)置水龍頭控制開關(guān)；所述壓力水提供裝置由連接管連接到馬氏瓶，由所述馬氏瓶來提供穩(wěn)定的水頭，并且連有氣泵，對(duì)水流加壓，控制所需的水力梯度。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該模型試驗(yàn)裝置還包括數(shù)字照相機(jī)，所述數(shù)字照相機(jī)用于拍攝在試驗(yàn)過程中土樣的變形照片。
[0014]本發(fā)明還公開了一種量測原位應(yīng)力場作用下土體位移的試驗(yàn)方法，該試驗(yàn)方法使用所述的模型試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，包括如下步驟:
A.將土樣分層放入所述透明模型箱中，制備飽和均勻土樣；
B.通過壓力水提供裝置向透明模型箱內(nèi)控制施加壓力水，調(diào)整水力梯度，達(dá)到要求的原位應(yīng)力場；
C.通過數(shù)字照相機(jī)用于拍攝在試驗(yàn)過程中土樣的變形照片。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在所述步驟A中，制備飽和均勻土樣的方法是首先通過排水孔對(duì)土樣施加向上的水頭，使土顆粒有向上流動(dòng)的趨勢，然后讓土顆?？孔灾爻恋?，對(duì)土樣有一個(gè)加密的過程，以此快速制備飽和均勻土樣。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的量測原位應(yīng)力場作用下土體位移的模型試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、設(shè)備成本低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的量測原位應(yīng)力場作用下土體位移的模型試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0018]如圖1所示，本發(fā)明公開了一種量測原位應(yīng)力場作用下土體位移的模型試驗(yàn)裝置，包括透明模型箱1、透水層3、孔隙壓力測量裝置5、壓力水提供裝置6、密封蓋板7，所述透明模型箱I頂部設(shè)有開口，所述密封蓋板7密封于所述開口處，所述透水層3位于所述透明模型箱I內(nèi)部，所述透水層3與所述密封蓋板7之間的空間為土樣放置腔體2，所述透水層3與所述透明模型箱I底部之間的空間為排水腔體，所述排水腔體設(shè)有排水孔4，所述土樣放置腔體2側(cè)壁設(shè)有測壓孔，所述孔隙壓力測量裝置5位于所述測壓孔中、且所述孔隙壓力測量裝置5與所述測壓孔為液密封配合，所述密封蓋板7設(shè)有進(jìn)水管9，所述壓力水提供裝置6通過連接進(jìn)水管9與所述土樣放置腔體2連通，所述壓力水提供裝置6與所述排水孔4連通構(gòu)成水循環(huán)系統(tǒng)。
[0019]所述孔隙壓力測量裝置5與所述測壓孔為液密封配合的方式可以是用玻璃膠封閉孔隙水壓力傳感器與測壓孔之間的縫隙。
[0020]所述透水層3由透水石構(gòu)成，所述透水石上設(shè)有過濾網(wǎng)，所述過濾網(wǎng)為土工織物制成。過濾網(wǎng)防止土顆粒漏出，造成土體流失或試驗(yàn)失敗。
[0021]所述孔隙壓力測量裝置5為孔隙水壓力傳感器。孔隙壓力測量裝置5可以在測壓孔中插入測壓管，根據(jù)水柱上身的高度差控制水力梯度，得到需要的原位應(yīng)力場?？紫端畨毫鞲衅鳒y量水壓力來控制水力梯度，以此來達(dá)到所需的原位應(yīng)力場。
[0022]所述透明模型箱I全部由透明材料制成，或者所述透明模型箱I的一部分由透明材料制成。該透明模型箱I可以是方形，所述透明模型箱I的材料可采用透明有機(jī)玻璃或者其它透明材料，所述透明模型箱I與密封蓋板7必須嚴(yán)格密封，可以在密封蓋板7與透明模型箱I之間加一個(gè)橡膠密封墊圈。該透明模型箱I可以四面完全采用透明有機(jī)玻璃，也可以只在模型箱正面(量測土體位移的一面)采用透明有機(jī)玻璃，其他三面采用鋼板或其他材料，做好密封措施。
[0023]所述排水孔4通過水泵與所述壓力水提供裝置6連通構(gòu)成水循環(huán)系統(tǒng)，所述進(jìn)水管9設(shè)置水龍頭控制開關(guān)；所述壓力水提供裝置6由連接管連接到馬氏瓶，由所述馬氏瓶來提供穩(wěn)定的水頭，并且連有氣泵，對(duì)水流加壓，控制所需的水力梯度。
[0024]該模型試驗(yàn)裝置還包括數(shù)字照相機(jī)8，所述數(shù)字照相機(jī)8用于拍攝在試驗(yàn)過程中土樣的變形照片。由計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)過程相機(jī)拍照。
[0025]本發(fā)明還公開了一種量測原位應(yīng)力場作用下土體位移的試驗(yàn)方法，該試驗(yàn)方法使用模型試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，包括如下步驟:
第一步，將土樣分層放入所述透明模型箱I中，制備飽和均勻土樣；
第二步，通過壓力水提供裝置6向透明模型箱I內(nèi)控制施加壓力水，調(diào)整水力梯度，達(dá)到要求的原位應(yīng)力場；
第三步，通過數(shù)字照相機(jī)8用于拍攝在試驗(yàn)過程中土樣的變形照片。
[0026]在所述第一步中，制備飽和均勻土樣的方法是首先通過排水孔4對(duì)土樣施加向上的水頭，使土顆粒有向上流動(dòng)的趨勢，然后讓土顆?？孔灾爻恋恚瑢?duì)土樣有一個(gè)加密的過程，以此快速制備飽和均勻土樣。通過這種方法能夠快速制備飽和均勻的土樣。
[0027]具體步驟是，首先，在模型箱底部以上距離放一塊透水石，在透水石上放置土工織物作為反濾材料，防止土顆粒漏出。將透明土樣2分層加入直至達(dá)到要求高度，制備得到飽和土樣，并且保證土體在模型箱中各處比較均勻。用密封蓋板7將透明模型箱I密封，連接孔隙壓力量測裝置5和數(shù)字照相機(jī)8。從透明模型箱I主體上部通過馬氏瓶加水至指定高度，并通入氣，根據(jù)孔隙壓力量測裝置5調(diào)整水頭至所需的重力場，并穩(wěn)定一段時(shí)間達(dá)到滲流的穩(wěn)定。然后在試驗(yàn)過程采用數(shù)字照相機(jī)8拍攝箱正面的土體變形照片。試驗(yàn)過程相機(jī)固定且不易晃動(dòng)。后期采用配套圖像分析軟件定量量測土體的位移場。
[0028]在第二步中，對(duì)土樣加氣加水，根據(jù)孔隙壓力量測裝置，調(diào)節(jié)水力梯度，達(dá)到需要的原位應(yīng)力水平。
[0029]本發(fā)明的模型試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法具有如下優(yōu)勢:1.應(yīng)用范圍廣，粒子圖像測速技術(shù)以其特有的無干擾、自動(dòng)化、全局性、簡便性等優(yōu)點(diǎn)，在巖土工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與工程研究中，都得到了廣泛的應(yīng)用，而且隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)字圖像采集硬件的性能提高，這一技術(shù)具有極大的發(fā)展?jié)摿Α⒘Ｗ訄D像測速技術(shù)的優(yōu)勢應(yīng)用到原位應(yīng)力場模型試驗(yàn)，使非介入變形測量ng重力場內(nèi)部土體變形得以實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)大粒子圖像測速技術(shù)的應(yīng)用范圍。2.均勻性好，原位應(yīng)力場模型試驗(yàn)利用水在土體中拖拽土顆粒提供的滲流場是均勻力場，試驗(yàn)材料各部分是均勻受力的，其模擬的系統(tǒng)誤差較小。3.設(shè)備成本低，滲水力模型設(shè)備簡單，易于操作，成本較低。
[0030]本發(fā)明的模型試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法，在巖土工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與工程研究中，都得到了廣泛的應(yīng)用，而且隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)字圖像采集硬件的性能提高，這一技術(shù)具有極大的發(fā)展?jié)摿Α⒘Ｗ訄D像測速技術(shù)的優(yōu)勢應(yīng)用到原位應(yīng)力場模型試驗(yàn)，使非介入變形測量原位應(yīng)力場剖面土體變形得以實(shí)現(xiàn)；均勻性好，原位應(yīng)力場模型試驗(yàn)利用水在土體中拖拽力提供的滲流場是均勻力場，試驗(yàn)材料各部分是均勻受力的，其模擬的系統(tǒng)誤差；設(shè)備成本低。該模型設(shè)備簡單，易于操作，成本較低。[0031]本發(fā)明試驗(yàn)裝置利用水在土體中對(duì)土顆粒的拖拽力來提供滲流場，使尺寸縮小η倍的模型土體中的滲流場與重力場之和同土體的實(shí)際原位應(yīng)力場相等。本發(fā)明還采用粒子圖像測速技術(shù)量測原位應(yīng)力場中模型土體的位移。本發(fā)明結(jié)合數(shù)字圖像測量技術(shù)和模擬原位應(yīng)力場的模型試驗(yàn)裝置，將模型土樣的應(yīng)力水平提高，并使連續(xù)測量和非介入變形測量原位應(yīng)力場剖面土體變形得以實(shí)現(xiàn)。
[0032]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種量測原位應(yīng)力場作用下土體位移的模型試驗(yàn)裝置，其特征在于:包括透明模型箱(I)、透水層(3)、孔隙壓力測量裝置(5)、壓力水提供裝置(6)、密封蓋板(7)，所述透明模型箱(I)頂部設(shè)有開口，所述密封蓋板(7)密封于所述開口處，所述透水層(3)位于所述透明模型箱(I)內(nèi)部，所述透水層(3)與所述密封蓋板(7)之間的空間為土樣放置腔體(2)，所述透水層(3)與所述透明模型箱(I)底部之間的空間為排水腔體，所述排水腔體設(shè)有排水孔(4)，所述土樣放置腔體側(cè)壁設(shè)有測壓孔，所述孔隙壓力測量裝置(5)位于所述測壓孔中、且所述孔隙壓力測量裝置(5)與所述測壓孔為液密封配合，所述密封蓋板(7)設(shè)有進(jìn)水管(9)，所述壓力水提供裝置(6)通過連接進(jìn)水管(9)與所述土樣放置腔體連通，所述壓力水提供裝置(6)與所述排水孔(4)連通構(gòu)成水循環(huán)系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模型試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述透水層(3)由透水石構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模型試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述透水石上設(shè)有過濾網(wǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模型試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述過濾網(wǎng)為土工織物制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模型試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述孔隙壓力測量裝置(5)為孔隙水壓力傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模型試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述透明模型箱(I)全部由透明材料制成，或者在所述透明模型箱(I)中拍攝土體變形一側(cè)由透明材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模型試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述排水孔(4)通過水泵與所述壓力水提供裝置(6)連通構(gòu)成水循環(huán)系統(tǒng)，所述進(jìn)水管(9)設(shè)置水龍頭控制開關(guān)；所述壓力水提供裝置(6)由連接管連接到馬氏瓶，由所述馬氏瓶來提供穩(wěn)定的水頭，并且連有氣泵，對(duì)水流加壓，控制所需的水力梯度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的模型試驗(yàn)裝置，其特征在于:該模型試驗(yàn)裝置還包括數(shù)字照相機(jī)(8)，所述數(shù)字照相機(jī)(8)用于拍攝在試驗(yàn)過程中土樣的變形照片。
9.一種量測原位應(yīng)力場作用下土體位移的試驗(yàn)方法，其特征在于，該試驗(yàn)方法使用權(quán)利要求8所述的模型試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，包括如下步驟: A.將土樣分層放入所述透明模型箱(I)中，制備飽和均勻土樣； B.通過壓力水提供裝置(6)向透明模型箱(I)內(nèi)控制施加壓力水，調(diào)整水力梯度，達(dá)到要求的原位應(yīng)力場； C.通過數(shù)字照相機(jī)(8)用于拍攝在試驗(yàn)過程中土樣的變形照片。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的模型試驗(yàn)裝置，其特征在于:在所述步驟A中，制備飽和均勻土樣的方法是首先通過排水孔(4)對(duì)土樣施加向上的水頭，使土顆粒有向上流動(dòng)的趨勢，然后讓土顆?？孔灾爻恋恚瑢?duì)土樣有一個(gè)加密的過程，以此快速制備飽和均勻土樣。
【文檔編號(hào)】G01B11/16GK103558041SQ201310515044
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】袁炳祥, 陳銳, 彭濤, 滕軍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院