[發(fā)明專利]一種可模擬動水頭邊界作用土體的一維圓筒試驗裝置及方法

在審

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• 申請日: 2018-01-31
• 公開（公告）號: CN108267370A
• 公開（公告）日: 2018-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 應宏偉;許鼎業(yè);沈華偉;章麗莎;王迪;朱成偉;李哲偉;陳川;虞展望;張宇宣
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜;邱啟旺

本發(fā)明公開了一種可模擬動水頭邊界作用土體的一維圓筒試驗裝置及方法，該裝置包括主體圓筒、GDS標準控制器、有機玻璃圓筒裝置、數(shù)據(jù)采集儀；主體圓筒包括從上至下依次連接的一節(jié)頂部圓筒、若干節(jié)中間圓筒、一節(jié)底部圓筒和小車；主體圓筒的不同高度上安裝孔隙水壓力計固定裝置；底部圓筒的底部分別與GDS標準控制器和有機玻璃圓筒裝置連接；本發(fā)明可模擬地基中承壓水的動態(tài)變化過程；量測計算動態(tài)承壓水作用下地基的水土壓力和變形，整理相關(guān)試驗數(shù)據(jù)并確定地基受力和變形發(fā)展規(guī)律等問題；探求動態(tài)承壓水變化的幅值和速率對地基穩(wěn)定性的影響，為動態(tài)承壓水作用引起的地基問題研究提供有效的試驗數(shù)據(jù)支持，并對于之后理論分析模型提供依據(jù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種地基模型試驗裝置，尤其涉及一種可模擬動水頭邊界作用土體的一維圓筒試驗裝置及方法，可于模擬承壓水動態(tài)變化時上覆弱透水性地基土體的響應情況，研究動態(tài)承壓水作用下地基的破壞條件和破壞模式。

背景技術(shù)

我國幅員遼闊，水資源豐富，地下水分布廣泛，尤其是在沿海沿江區(qū)域，伴隨著土層的復雜分布，往往存在著弱透水層下方有承壓水的現(xiàn)象。洪峰過境、潮汐作用、大型降雨、工程中使用降壓井等將導致弱透水層底部的承壓水頭動態(tài)變化，從而進一步影響弱透水層中的水土壓力、變形和穩(wěn)定。在該類地區(qū)中的工程建設(shè)中，如弱透水層中的邊坡工程、基坑開挖、盾構(gòu)掘進等，動態(tài)承壓水的作用往往會影響工程區(qū)域內(nèi)水土壓力的分布，進而給工程建設(shè)帶來風險。

實際工程包含眾多復雜因素，受動態(tài)承壓水影響的弱透水層中的水土壓力實時監(jiān)測往往難以進行。此外，工程中水文條件千變?nèi)f化，想要通過大量實測數(shù)據(jù)來進行統(tǒng)計分析，進而總結(jié)出受動態(tài)承壓水影響的弱透水層中水土響應及地基變形的一般規(guī)律，也是不現(xiàn)實的；在目前已有的研究手段中，數(shù)值軟件模擬和理論解析較為便捷，但這兩種方法在研究時一般需先為地基土假設(shè)一種本構(gòu)模型。因此，在計算承壓水動態(tài)變化引起的土體內(nèi)水土壓力和變形時，結(jié)果是否可信很大程度取決于土體的本構(gòu)模型是否合理以及計算參數(shù)的具體取值。

與解析和數(shù)值方法相比，模型試驗可以克服上述諸多缺點。1g條件下的土工模型試驗可以方便地施加穩(wěn)定、規(guī)律的邊界條件，無需假設(shè)本構(gòu)關(guān)系，可直接觀測實驗現(xiàn)象并獲得數(shù)據(jù)。此外，1g模型實驗下的常重力環(huán)境不會破壞土體結(jié)構(gòu)，土顆粒的大小及相互之間的作用關(guān)系與實際地層中相同，弱透水層底部土顆粒與其下部承壓水之間的相互作用也可以得到真實的模擬。因此，1g模型實驗被廣泛應用于土體的微觀研究之中。

目前，在已有的與動態(tài)承壓水相關(guān)的1g試驗研究中，大部分研究為縮小比尺的三維模型試驗研究，土單元體的試驗研究幾乎為空白。土工單體尺度下的縮尺模型試驗往往對不同實際工程中的局部場地行為進行模擬，如基坑開挖、隧道開挖等。這些縮尺模型試驗往往關(guān)注整個試驗區(qū)域內(nèi)的孔壓分布、變形規(guī)律、土壓力分布以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力等等，從而對實際工程中的某些關(guān)鍵數(shù)值進行預測、模擬，但無法揭示這些表觀現(xiàn)象之下的內(nèi)在規(guī)律，對新的本構(gòu)、計算理論的建立沒有太大的用處。與之相對應的是，以三軸試驗為代表的土單元體試驗則旨在于解決上述的問題，更多關(guān)注土體本身的各種本構(gòu)關(guān)系，在與承壓水相關(guān)的科學研究中，承壓水壓力在土體中如何進行傳播則為土單元體研究中的關(guān)鍵問題。

另一方面，目前大量土工試驗在模擬承壓水變化時，一般使承壓水壓力分級增加或減小，各級壓力值是離散的，因此不能實現(xiàn)承壓水連續(xù)動態(tài)地變化，與工程中真實的承壓水變化方式有明顯差異，承壓水變化速率對土體中水土壓力等各項參數(shù)的影響也無法得到研究；此外，該領(lǐng)域的大多數(shù)模型試驗均采用矩形斷面的模型箱進行研究，矩形斷面模型箱四個角可能引起該處土體受力、變形的突變，從而對試驗造成干擾；另外，含氣水通入土體后使土體成為非飽和土，已有的與承壓水相關(guān)的實驗研究往往未考慮這一問題，將土體由固、液、氣組成三相物質(zhì)簡化為只有固體與液體的兩相物質(zhì)，土中氣體對土體性狀的影響被忽略。

發(fā)明內(nèi)容