一種分層飽和土滲流固結(jié)模擬裝置的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種土滲流固結(jié)模擬裝置，尤其是涉及一種分層飽和土滲流固結(jié)模擬 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 土力學是土木工程專業(yè)一門重要的技術(shù)基礎課程，飽和土滲流固結(jié)問題是土力學 中非常重要的研宄課題，由于涉及到大量的力學物理概念，并且相關(guān)知識比較抽象，傳統(tǒng)的 教學方式通常采用在黑板上進行大量數(shù)學符號的理論公式推導，它涉及到土體的有效應 力、孔隙水壓力、土體沉降量隨時間變化等問題，這對剛接觸飽和土滲流固結(jié)問題的學生來 講是一個挑戰(zhàn)和困難。為了讓學生能更好地理解和掌握飽和土體滲流固結(jié)知識，在教學中 常常采用彈簧-活塞模型來作為輔助手段來形象描述土體固結(jié)過程中有效應力與孔隙水 壓力相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，但缺少相應的實物模型在課堂上進行教學演示。
[0003] 目前關(guān)于土體固結(jié)裝置的專利如下：
[0004] 授權(quán)公告號為CN203069454U的中國專利公開了一種土體一維固結(jié)裝置，包括安 裝壓力室的底座，裝配試樣的三開模壓力室，設置在壓力室上、中、底部用于限制側(cè)向變形 的環(huán)箍，土樣上下部放置透水石，頂部加蓋壓力帽，以及作用于壓力帽上的加載裝置，在豎 直的加載裝置上安設百分表或直接在透水石頂部安裝位移傳感器，該裝置安裝方便，操作 簡單，但只適用于某些壓縮性低的土體的一維固結(jié)試驗；
[0005][0006] 授權(quán)公告號為CN203688417U的中國專利公開了一種測定土樣的多層固結(jié)滲透 儀，該滲透儀的空氣壓縮機與氣水交換器的入口相連接，氣水交換器的出口與滲透固結(jié)裝 置相連接，調(diào)壓及壓力監(jiān)測裝置分別與氣水交換器、滲透固結(jié)裝置相連接，多個滲透固結(jié)裝 置相串聯(lián)，每個滲透固結(jié)裝置分別與調(diào)壓及壓力監(jiān)測裝置相連接，滲透固結(jié)裝置與括單杠 桿雙聯(lián)固結(jié)儀為加壓連接，該滲透儀可測量不同材料組合在一起時的總的滲透系數(shù)；
[0007] 上述發(fā)明專利多以測定土體在滲流固結(jié)狀態(tài)下的土體參數(shù)為主，并不能從本質(zhì)上 揭示土體固結(jié)過程中有效應力與孔隙水壓力相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律，且實際工程中天然土體多以 分層形式存在，借助上述發(fā)明專利無法考慮分層飽和土的滲流固結(jié)問題，同時在大學課堂 上無法借助這些裝置向同學們生動、具體地講解土體固結(jié)理論。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的就是為了彌補現(xiàn)有土體固結(jié)試驗裝置無法考慮實際工程中土體分 層特性，且無法直觀地揭示土體固結(jié)過程中有效應力與孔隙水壓力相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的不足， 提供一種能夠模擬分層飽和土的滲流固結(jié)問題的分層飽和土滲流固結(jié)模擬裝置。
[0009] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0010] 一種分層飽和土滲流固結(jié)模擬裝置，其特征在于，所述的模型裝置包括容器裝置、 彈簧-活塞裝置、加載裝置、給排水裝置和量測裝置，所述的容器裝置包括盛水容器和收集 容器，所述的盛水容器和收集容器通過給排水裝置連接，所述的彈簧-活塞裝置設置在盛 水容器內(nèi)部，用來模擬分層土體，所述的加載裝置固定在彈簧-活塞裝置頂部，對彈簧-活 塞裝置施加荷載，所述的給排水裝置設置在加載裝置上，所述的量測裝置設置在盛水容器 側(cè)壁上用來測量靜水壓力。
[0011] 所述的容器裝置采用高剛度鋼化玻璃材料制成，所述的盛水容器裝滿水，模擬土 體中的孔隙水，所述的收集容器收集模擬分層飽和土固結(jié)試驗時從盛水容器中排出的水， 盛水容器和收集容器的側(cè)壁和底部均不透水。
[0012] 所述的彈簧-活塞裝置由多層帶孔活塞板和彈簧連接而成，其中各層帶孔活塞板 水平設置，相鄰層帶孔活塞板之間通過彈簧連接，彈簧模擬土骨架，活塞上的小孔模擬土體 孔，小孔的疏密用來模擬土體的孔隙比。
[0013] 所述的彈簧每層設置不同的勁度系數(shù)，模擬分層土體不同的彈性模量。為保證每 層帶孔活塞板能夠平穩(wěn)地移動，每層布置5根勁度系數(shù)相同的彈簧，各彈簧布置點如圖3所 示。根據(jù)土體彈性模量匕的定義，
[0015] 設每層彈簧的勁度系數(shù)為k，每層帶孔活塞板上每根彈簧所受力為F，彈簧的壓縮 量為Ax，根據(jù)彈簧勁度系數(shù)的定義，
[0017] 設每層帶孔活塞板的橫截面積為A，相鄰帶孔活塞板之間的高度為H，則有
[0019] 根據(jù)上式可得到土體彈性模量匕與彈簧勁度系數(shù)k之間的關(guān)系為
[0021] 所述的彈簧-活塞裝置的帶孔活塞板上設有活塞孔旋轉(zhuǎn)開關(guān)，帶孔活塞板由兩層 孔隙分布相同但厚度較薄的帶孔活塞板疊加構(gòu)成，通過扭動活塞孔旋轉(zhuǎn)開關(guān)來控制上下層 孔隙重合部分的大小，來調(diào)節(jié)孔隙大小。
[0022] 所述的加載裝置包括加載托盤、支撐連桿和鋼管，所述的加載托盤通過支撐連桿 固定在頂層帶孔活塞板上，鋼管穿過加載托盤中心并與彈簧_活塞裝置頂部接觸。
[0023] 所述的加載托盤上放置加載砝碼，對彈簧-活塞裝置施加荷載。
[0024] 所述的加載砝碼由兩片對稱的薄鋼板拼接而成，與加載托盤形狀相匹配，中間留 有與鋼管匹配的圓孔，用于加載砝碼的定位。
[0025] 所述的給排水裝置為改進型的虹吸管，所述的虹吸管由軟管、氣腔和水流控制閥 組成，所述的軟管的一端從鋼管中插入至彈簧_活塞裝置的上表面，另一端連接水龍頭給 盛水容器輸水或氣腔，所述的氣腔與收集容器管接，管路上設置水流控制閥。
[0026] 所述的測量裝置包括多根測壓管，所述的測壓管固定在盛水容器外壁，測壓管的 測量點分別設置在每層彈簧_活塞裝置中彈簧的中間高度，測量由于施加荷載產(chǎn)生超靜孔 隙壓力。
[0027] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0028] (1)帶孔活塞板與彈簧聯(lián)接簡單方便，可設置多層彈簧-活塞裝置以模擬層狀土 體，每層彈簧可設置不同的勁度系數(shù)，可模擬分層土體中具有不同彈性模量的土骨架。
[0029] (2)帶孔活塞板的孔隙大小可進行調(diào)整，可模擬土體不同的孔隙比。
[0030] (3)加載裝置由四根連桿穩(wěn)定支撐，托盤中間固定一根貫穿的鋼管，為虹吸管的安 裝預留通道，同時幫助砝碼更好地定位，使荷載均勻地施加到頂層帶孔活塞上。
[0031] (4)給排水裝置為改進型的虹吸管，能夠?qū)崿F(xiàn)從水龍頭輸水至盛水容器，或者通過 擠壓氣腔使虹吸管按照虹吸原理工作，將頂層帶孔活塞上的水排出到收集容器，使固結(jié)試 驗更接近真實環(huán)境。
[0032] (5)對幫助學生深刻理解太沙基一維固結(jié)理論具有可觸摸、即看即所得的直接效 果，可模擬土體的有效應力、孔隙水壓力隨時間變化規(guī)律，通過改變模型的排水條件、加載 條件、彈簧勁度系數(shù)來開展課外學術(shù)活動。
【附圖說明】
[0033] 圖1為實施例1中本發(fā)明裝置的主視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖2為實施例1中本發(fā)明裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖3為實施例1中本發(fā)明裝置帶孔活塞板俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036] 圖4為實施例1中本發(fā)明裝置加載裝置托盤的的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖5為實施例1中本發(fā)明裝置加載裝置砝碼的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖中，1為盛水容器，2為收集容器，3為砝碼托盤，4為支撐連桿，5為鋼管，6為軟 管，7為氣腔，8為水流控制閥，9為測壓管，10為帶孔活塞板，11為彈簧，12為活塞板和彈簧 連接點，13為加載裝置托盤與連桿連接點，14為加載砝碼，15為活塞孔旋轉(zhuǎn)開關(guān)。
【具體實施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于 下述的實施例。
[0040] 實施例
[0041] 對于飽和土，土體一般是逐漸被壓縮，部分水量從土體中排出，土中超靜孔隙水壓 力相應地轉(zhuǎn)化為有效應力，直至變形趨于穩(wěn)定，這一過程稱為固結(jié)。本發(fā)明裝置用來模擬分 層飽和土固結(jié)實驗為學生展示飽和土固結(jié)機理，提升課堂教學效果。
[0042] 本發(fā)明一種分層飽和土滲流固結(jié)模擬裝置包括容器裝置、彈簧-活塞裝置、加載 裝置、給排水裝置和量測裝置。容器裝置包括盛水容器1和收集容器2,盛水容器1和收集 容器2通過給排水裝置連接，彈簧-活塞裝置設置在盛水容器1內(nèi)部，用來模擬分層土體， 加載裝置固定在彈簧_活塞裝置頂部，對彈簧-活塞裝置施加荷載，給排水裝置設置在加載 裝置上，量測裝置設置在盛水容器側(cè)壁上用來測量靜水