[发明专利]一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置及方法

权利要求书

1.一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置，其特征在于，包括主体圆筒(1)、数据采集仪(5)、真空泵(6)和承压水压力控制系统；所述承压水压力控制系统包括有机玻璃圆筒装置(4)、流量计和电子阀；

所述主体圆筒(1)包括从上至下依次连接的盖板(1‐7)、一节顶部圆筒(1‐1)、若干节中间圆筒(1‐4)、一节底部圆筒(1‐5)和小车(1‐6)；所述顶部圆筒(1‐1)、中间圆筒(1‐4)、底部圆筒(1‐5)均由有机玻璃制成；所述顶部圆筒(1‐1)筒顶上安装盖板(1‐7)，盖板(1‐7)下表面中央设有透水石(1‐7‐2)，上部装有出水阀门(1‐7‐1)，饱和土体过程中出水阀门(1‐7‐1)与真空泵(6)相连接；试验过程中出水阀门(1‐7‐1)保持打开以便及时排水，使得试验土体内水位线保持恒定；

所述顶部圆筒(1‐1)、中间圆筒(1‐4)、底部圆筒(1‐5)的不同高度上安装孔隙水压力计固定装置(1‐2)，用于测量固定位置的孔隙水压力大小；所述孔隙水压力计固定装置(1‐2)由螺栓(1‐2‐1)、有机玻璃方头(1‐2‐2)、孔隙水压力计(1‐2‐3)组成；所述螺栓(1‐2‐1)和孔隙水压力计(1‐2‐3)通过螺纹安装在所述有机玻璃方头(1‐2‐2)上，所述有机玻璃方头(1‐2‐2)通过透水石和玻璃胶分别与顶部圆筒(1‐1)、中间圆筒(1‐4)、底部圆筒(1‐5)相连接；所述孔隙水压力计(1‐2‐3)与所述数据采集仪(5)连接，可采集承压水动态水压力变化数据；所述主体圆筒(1)相邻的两节圆筒中间安装防水橡胶圈(1‐3)；

所述底部圆筒(1‐5)由有机玻璃圆筒单元(1‐5‐1)、透水石(1‐5‐2)、有机玻璃支柱(1‐5‐3)、主体圆筒第一通水阀门(1‐5‐4)、主体圆筒第二通水阀门(1‐5‐5)构成；所述有机玻璃短柱(1‐5‐3)固定在所述有机玻璃圆筒单元(1‐5‐1)的底部，所述透水石(1‐5‐2)安装在所述有机玻璃短柱(1‐5‐3)上方；所述有机玻璃圆筒单元(1‐5‐1)底部一侧安装有主体圆筒第一通水阀门(1‐5‐4)，另一侧安装有主体圆筒第二通水阀门(1‐5‐5)；

所述有机玻璃圆筒装置(4)由有机玻璃圆筒、有机玻璃底座、有机玻璃圆筒第一通水阀门(4‐1)和有机玻璃圆筒第二通水阀门(4‐2)组成；所述有机玻璃圆筒第一通水阀门(4‐1)与主体圆筒第二通水阀门(1‐5‐5)连通，实现土体饱和并施加边界水压；所述有机玻璃圆筒第二通水阀门(4‐2)引出一总管路，总管路的末端分为两个支路，每个支路的末端连接一套电子阀和流量计；通过总管路控制有机玻璃圆筒内的水位高度，此过程通过设定电子阀的通电间隔和流量计的流量实现，一套电子阀和流量计控制进水，另一套电子阀和流量计控制出水，实现有机玻璃圆筒水位的连续上升和下降。

2.根据权利要求1所述的一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置，其特征在于，所述顶部圆筒(1‐1)底部内壁有螺纹，用于与所述中间圆筒(1‐4)拼接；所述中间圆筒(1‐4)顶部和底部的内壁均含有螺纹，用于与上下两节圆筒相连。

3.根据权利要求1所述的一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置，其特征在于，所述主体圆筒(1)内的试验土体为弱透水性土体(7)，采用无气水饱和。

4.根据权利要求3所述的一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置，其特征在于，所述弱透水性土体(7)为粉质粘土。

5.根据权利要求1所述的一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置，其特征在于，所述有机玻璃圆筒装置(4)内的液体为无气水(8)。

6.根据权利要求1所述的一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置，其特征在于，所述孔隙水压力计固定装置(1‐2)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；所述孔隙水压力计固定装置(1‐2)安装在不同的高度。

7.根据权利要求1所述的一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置，其特征在于，在饱和阶段，用真空泵(6)对主体圆筒(1)内的土体进行抽气，可以加快土体饱和的速率，增大饱和度。

8.一种利用权利要求1‐7任一项所述装置进行模拟动态承压水作用土体的试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)开启电子阀使流量计中通水进行排空操作，由主体圆筒第二通水阀门(1‐5‐5)向主体圆筒(1‐1)内通无气水(8)，待整个管路内的气体排尽后关闭主体圆筒第二通水阀门(1‐5‐5)；

(2)在孔隙水压力计固定装置(1‐2)上安装孔隙水压力计(1‐2‐3)，将孔隙水压力计(1‐2‐3)的信号传输线连接至数据采集仪(5)；而后将透水石(1‐5‐2)装入主体圆筒(1‐1)内；分层装填弱透水性土体(7)并夯实，每一次加样时首先将一层铁丝网放置在有机玻璃圆筒单元(1‐5‐1)上，然后将土样透过铁丝网加入到有机玻璃圆筒单元(1‐5‐1)中，每一个有机玻璃圆筒单元(1‐5‐1)的加样过程根据试验的尺寸及精度分层填筑并击实，直至填土完成；

(3)由主体圆筒第二通水阀门(1‐5‐5)以试验所需的流量向主体圆筒(1‐1)通无气水(8)饱和弱透水性土体(7)，在整个试验过程中出水阀门(1‐7‐1)保持开启状态以便及时排水，必要时接通真空泵(6)进行抽气，增加土体的饱和速率和饱和程度，待土体完全饱和之后关闭主体圆筒第二通水阀门(1‐5‐5)；

(4)打开数据采集仪(5)采集记录试验初始状态下的孔隙水压力计(1‐2‐3)读数；打开主体圆筒第二通水阀门(1‐5‐5)，通过电子阀控制进水或出水时间，通过流量计控制进水或出水流量，两个装置协同工作即可控制有机玻璃圆筒内的水位高度，并且由于有机玻璃圆筒与主体圆筒(1)底部连通，从而实现承压水水压的控制；利用数据采集仪(5)连续采集记录该级压力下孔隙水压力计(1‐2‐3)的读数；直至弱透水性土体(7)发生突涌破坏，关闭主体圆筒第二通水阀门(1‐5‐5)，关闭电子阀和数据采集仪(5)，读取并记录有机玻璃圆筒装置(4)的读数；而后拆除主体圆筒(1‐1)内的试验土体，重置流量计和电子阀；

(5)采用如上所述方法重复试验，改变承压水压力变化的周期、均值和幅值，进行多组试验；通过数据采集仪(5)采集记录各组承压水动态变化中孔隙水压力计(1‐2‐3)的读数；最后对每组试验结果进行整理，分析数据采集仪(5)采集记录的承压水动态变化过程中孔隙水压力计(1‐2‐3)的读数；将各组试验结果进行对比，分析动态承压水作用下地基土体破坏机理。