一种基于地下水位变化的Trapdoor实验设备

一种基于地下水位变化的trapdoor实验设备
技术领域
1.本发明涉及岩土工程试验技术领域，具体涉及基于地下水位变化的 trapdoor试验设备。


背景技术：

2.土拱效应是岩土工程中最为常见的现象之一。法国军事工程师于19世纪首次在谷仓工程中发现了土拱效应。20世纪二三十年代，其在隧道工程中的重要性受到了广泛地关注。而后，国内外学者从试验、理论、工程实践等方面对土拱效应进行了大量研究，并取得了可观的成果。1936年，terzaghi首次使用trapdoor试验直观地证实了土拱效应的存在并分析了“土拱”作用区域中应力的分布。之后，trapdoor试验成为了研究土拱效应最为常用的方法之一。
3.然而，在实际岩土工程中，存在着地下水上升等因素对土拱效应造成诸多影响，而现有的trapdoor试验设备无法实现对存在地下水上升的土拱效应的分析试验。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种基于地下水位变化的trapdoor试验设备，以解决现有的 trapdoor试验设备无法实现针对存在地下水上升因素的岩土进行土拱试验的问题。
5.本发明采用的技术手段如下：
6.一种基于地下水位变化的trapdoor试验设备，包括，基座、试验砂箱、水箱以及trapdoor装置；
7.所述基座上设有所述试验砂箱，所述试验砂箱底部设有连通试验砂箱内部与外部的沉陷门安装槽；
8.所述基座中设有trapdoor装置安装腔，所述trapdoor装置包括能够升降的沉陷门和用于驱动所述沉陷门升降的沉陷门驱动装置，所述trapdoor装置设置在所述trapdoor装置安装腔中，且所述沉陷门置于所述沉陷门安装槽中；
9.所述沉陷门安装槽上固定有用于对所述试验砂箱和所述沉陷门之间进行水密封的橡胶膜；
10.所述水箱设置在所述试验砂箱一侧且通过管路与所述试验砂箱下端连通，所述管路上设有控制阀。
11.进一步地，所述trapdoor装置具有多个，所述试验砂箱底部设有多个隔板，相邻两个隔板的相对面和试验砂箱的两相对内壁面围成所述沉陷门安装槽。
12.进一步地，所述试验砂箱上还设置有水位计。
13.进一步地，所述试验砂箱底部还设有鱼缸棉，所述水箱与所述试验砂箱连通的位置与所述鱼缸棉的位置相对应。
14.进一步地，所述鱼缸棉为长条状，所述鱼缸棉沿平行于沉降门长度的方向设置。
15.进一步地，所述鱼缸棉上还设有承土挡板。
16.进一步地，所述trapdoor装置还包括载荷均布钢板和多个连接柱，所述载荷均布钢板一侧与沉陷门驱动装置连接，另一侧通过多个所述连接柱与所述沉陷门固定连接。
17.进一步地，所述沉陷门驱动装置为千斤顶。
18.与现有技术比较，本发明所述的基于地下水位变化的trapdoor试验设备具有以下有益效果：本发明的trapdoor试验设备由于具有试验砂箱、水箱以及 trapdoor装置，且水箱通过管路与试验砂箱连通，因此，在土拱试验过程中，可以通过水箱模拟地下水上升，从而使得试验更切近岩土工程实际。
附图说明
19.图1为本发明公开的基于地下水位变化的trapdoor试验设备的原理结构示意图；
20.图2为本发明公开的基于地下水位变化的trapdoor试验设备的主视图，图中不包括水箱；
21.图3为本发明公开的基于地下水位变化的trapdoor试验设备的左视图，图中不包括水箱；
22.图4为本发明公开的基于地下水位变化的trapdoor试验设备的俯视图，图中不包括水箱；
23.图5为图2中b处局部放大示意图；
24.图6a为图2中a处局部放大示意图，图中沉陷门处于沉降状态；
25.图6b为图2中a处局部放大示意图，图中沉陷门处于上升状态；
26.图7为设有隔板的基于地下水位变化的trapdoor试验设备的局部示意图；
27.图8a为图7中c处放大示意图，图中承土挡板与鱼缸棉分离；
28.图8b为图7中d处放大示意图，图中隔板与沉陷门分离；
29.图8c为承土挡板结构图；
30.图9为隔板的结构图；
31.图10为隔板与橡胶膜连接的结构图；
32.图11为试验砂室与隔板安装后的示意图。
33.图中：1、基座，10、trapdoor装置安装腔，2、试验砂箱，20、沉陷门安装槽，21、橡胶膜，22、隔板，220、长条孔，23、水位计，24、鱼缸棉，25、承土挡板，250、透水孔，26、试验砂室，27、试验砂，28、隔板安装座，280、第一螺纹孔，29、封条，290、封条容纳槽，3、水箱，31、管路，32、管路接头，4、trapdoor装置，40、沉陷门，41、沉陷门驱动装置，42、载荷均布钢板， 43、连接柱，44、千斤顶。
具体实施方式
34.如图1、图2、图3以及图4所示为本发明公开的基于地下水位变化的 trapdoor试验设备，包括，基座1、试验砂箱2、水箱3以及trapdoor装置4；
35.所述基座1上设有所述试验砂箱2，所述试验砂箱2底部设有连通试验砂箱 2内部与外部的沉陷门安装槽20，实验砂箱2内部为试验砂室26，试验砂室内填充试验砂27，优选地，试验砂箱至少一侧壁采用透明材质制成以便于观测试验，试验砂箱整体为水密封；
36.所述基座1中设有trapdoor装置安装腔10，所述trapdoor装置4包括能够升降的沉
陷门40和用于驱动所述沉陷门40升降的沉陷门驱动装置41，所述 trapdoor装置4设置在所述trapdoor装置安装腔10中，且所述沉陷门40置于所述沉陷门安装槽20中；
37.所述沉陷门安装槽20上固定有用于对所述试验砂箱2和所述沉陷门40之间进行水密封的橡胶膜21，即如图6a和图6b所示，在沉陷门安装槽20上固定有防水的橡胶膜，以实现沉陷门处的水密封，橡胶膜具有弹性，因此，在沉陷门升降过程中，橡胶膜能够实现张紧和放松，以保证土拱试验的实现；
38.所述水箱3设置在所述试验砂箱2一侧且通过管路31与所述试验砂箱2下端连通，所述管路31上设有控制阀，具体地，水箱3设置在另一基座1上，水箱下端通过管路与试验砂箱的下端连通，水箱中存储有试验用水，通过管路和控制阀可以将水箱中的实验用水注入至试验砂箱中，以模拟土拱试验中存在地下水上升的情况。
39.进一步地，如图2所示，所述trapdoor装置4具有多个，本实施例中， trapdoor装置具有3个，所述试验砂箱2底部设有多个隔板22，相邻两个隔板 22的相对面和试验砂箱2的两相对内壁面围成所述沉陷门安装槽20，具体地，如图9、图10和图11所示，隔板22通过隔板安装座28固定在试验砂箱底部，橡胶膜21固定在隔板安装座28上以实现试验砂箱底部的水密封，优选地，隔板与隔板安装座可拆卸连接，在本实施例中，在实验砂箱2的底部固定有两个隔板安装座28，隔板安装座28上设有多个第一螺纹孔280，隔板22上纵向设有与第一螺纹孔对应的长条孔220，长条孔220的下端为阶梯孔，将隔板放置在隔板安装座28上后可以在长条孔中放置螺钉，以便于螺钉下端穿过长条孔下端的阶梯孔并与第一螺纹孔连接，使得隔板固定在隔板固定座上，隔板安装座28 的两侧以及验砂箱底部与隔板安装座围成的环形空间的内壁上均设有封条容纳槽290，封条容纳槽290中设有螺纹孔，橡胶膜的四周设置在封条容纳槽290中并由封条和螺钉将其固定以实现橡胶膜对砂箱底部的水密封，可以通过螺栓等结构将隔板与隔板安装座可拆卸连接，隔板可拆卸连接，便于进行不同的土拱试验，例如，只进行一个沉降门升降的土拱试验或进行多个沉降门升降的土拱试验。
40.进一步地，所述试验砂箱2上还设置有水位计23，以便于观测试验过程中的水位。
41.进一步地，如图7所示，所述试验砂箱2底部还设有鱼缸棉24，所述水箱 3与所述试验砂箱2连通的位置与所述鱼缸棉24的位置相对应，在本实施例中，试验砂箱上设有两个管路接头32，两个管路接头32位于沉陷门的两侧，两个管路接头分别与管路连通，以便于从两侧向试验砂箱中注入试验用水，管路接头的位置与鱼缸棉24的位置相对应，优选地，所述鱼缸棉24为长条状，所述鱼缸棉24沿平行于沉降门40长度的方向设置，由于设有鱼缸棉，可以便于试验用水快速均匀的分散至试验砂箱的底部，进而均匀的模拟地下水上升的过程，保证试验的可靠性。
42.进一步地，如图4、图8a、图8b以及图8c所示，所述鱼缸棉24上还设有承土挡板25，以便于对承载鱼缸棉上的试验砂，具体地，本实施中，承土挡板 25为钢板，承土挡板设置在鱼缸棉上，承土挡板25上均布有多个透水孔250，承土档板可以承载鱼缸棉上的试验砂，并且透水孔可以方便试验水透过进而从鱼缸棉中进入试验砂中。
43.进一步地，如图5所示，所述trapdoor装置4还包括载荷均布钢板42和多个连接柱43，所述载荷均布钢板42一侧与沉陷门驱动装置41连接，本实施中，所述沉陷门驱动装置为千斤顶，另一侧通过多个所述连接柱43与所述沉陷门40固定连接，连接柱43一般为钢柱，多个连接柱沿沉陷门长度方向均布，由于设置有载荷均布钢板42和多个连接柱43，可以实现
沉陷门驱动装置平稳的驱动沉降门升降，以保证试验效果。
44.以下为采用本发明公开的基于地下水位变化的trapdoor试验设备的试验过程：
45.1)、开始往试验砂箱中填放试验砂之前，首先通过沉陷门驱动装置(千斤顶)将3个沉陷门顶推至同一水平高度；
46.2)、从试验砂箱底部开始均匀地按照每层0.25d(d为沉陷门宽度)的厚度铺设试验砂，直到试验所需填砂高度；
47.3)、试验砂填筑结束后，在试验箱透明一侧安装固定相机，调整相机的焦距和位置，放置好闪光灯，记录实验中的土体变化情况；
48.4)、安装量程为10mm的位移计于所测沉陷门中心位置试验砂表面，调整位移计归零，记录试验过程土体沉降量。
49.5)、安装应变式微型土压力盒于沉陷门表面，用于测量沉陷门表面接触应力。
50.6)、向水箱中加水至初始水位，初始水位高度与试验箱土壤底部齐平但不接触。
51.7)、通过往水箱中加水使试验砂箱中的水位升高，使其水位保持在相应试验测试水位刻度标签
±
0.5mm位置，静置1小时后，试验砂样品中的水被认为处于稳定状态，并且移动沉陷门使沉陷门以0.02mm/s的速度向下移动；
52.8)、每次沉陷门下移0.2mm，停顿10秒钟，拍摄稳定后的全场图片并同步采集压力数据和位移数据；持续拍摄记录试验填土全过程图像和压力数据直至沉陷门位移达到实验所需值；
53.9)、改变试验砂箱中的水位为不同高度，重复步骤1)～7)。
54.本发明公开的基于地下水位变化的trapdoor试验设备不仅可以模拟地下水位上升的情况下的trapdoor试验，还可以对地下水下降的情况进行模拟试验，在沉陷门下移的过程中伴随水土流失。
55.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。