[发明专利]一种分层饱和土渗流固结模拟装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种土渗流固结模拟装置，尤其是涉及一种分层饱和土渗流固结模拟装置。

背景技术

土力学是土木工程专业一门重要的技术基础课程，饱和土渗流固结问题是土力学中非常重要的研究课题，由于涉及到大量的力学物理概念，并且相关知识比较抽象，传统的教学方式通常采用在黑板上进行大量数学符号的理论公式推导，它涉及到土体的有效应力、孔隙水压力、土体沉降量随时间变化等问题，这对刚接触饱和土渗流固结问题的学生来讲是一个挑战和困难。为了让学生能更好地理解和掌握饱和土体渗流固结知识，在教学中常常采用弹簧-活塞模型来作为辅助手段来形象描述土体固结过程中有效应力与孔隙水压力相互转化的关系，但缺少相应的实物模型在课堂上进行教学演示。

目前关于土体固结装置的专利如下：

授权公告号为CN 203069454U的中国专利公开了一种土体一维固结装置，包括安装压力室的底座，装配试样的三开模压力室，设置在压力室上、中、底部用于限制侧向变形的环箍，土样上下部放置透水石，顶部加盖压力帽，以及作用于压力帽上的加载装置，在竖直的加载装置上安设百分表或直接在透水石顶部安装位移传感器，该装置安装方便，操作简单，但只适用于某些压缩性低的土体的一维固结试验；

公开号为CN 104020055 A的中国专利公开了一种多功能粗颗粒土直剪、固结装置，该装置包括矩形结构的反力架，反力架内一侧的第一高度调节工作台上的水平液压千斤顶和另一侧的水平承载机构；水平液压千斤顶和水平承载机构之间的反力架顶梁上向下设置有传力柱和垂直液压千斤顶，垂直液压千斤顶的活塞杆端部设置有水平承压板，位于水平承压板正下方自上而下设置有上剪切盒和下剪切盒；围绕下剪切盒的盒口设置有水槽；下剪切盒的底部设置有滚轴排；该装置实现对粗颗粒土的室内直剪试验、室内固结试验和原位直剪试验三种功能；

授权公告号为CN 203688417 U的中国专利公开了一种测定土样的多层固结渗透仪，该渗透仪的空气压缩机与气水交换器的入口相连接，气水交换器的出口与渗透固结装置相连接，调压及压力监测装置分别与气水交换器、渗透固结装置相连接，多个渗透固结装置相串联，每个渗透固结装置分别与调压及压力监测装置相连接，渗透固结装置与括单杠杆双联固结仪为加压连接，该渗透仪可测量不同材料组合在一起时的总的渗透系数；

上述发明专利多以测定土体在渗流固结状态下的土体参数为主，并不能从本质上揭示土体固结过程中有效应力与孔隙水压力相互转化的规律，且实际工程中天然土体多以分层形式存在，借助上述发明专利无法考虑分层饱和土的渗流固结问题，同时在大学课堂上无法借助这些装置向同学们生动、具体地讲解土体固结理论。

发明内容

本发明的目的就是为了弥补现有土体固结试验装置无法考虑实际工程中土体分层特性，且无法直观地揭示土体固结过程中有效应力与孔隙水压力相互转化规律的不足，提供一种能够模拟分层饱和土的渗流固结问题的分层饱和土渗流固结模拟装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种分层饱和土渗流固结模拟装置，其特征在于，所述的模型装置包括容器装置、弹簧-活塞装置、加载装置、给排水装置和量测装置，所述的容器装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过给排水装置连接，所述的弹簧-活塞装置设置在盛水容器内部，用来模拟分层土体，所述的加载装置固定在弹簧-活塞装置顶部，对弹簧-活塞装置施加荷载，所述的给排水装置设置在加载装置上，所述的量测装置设置在盛水容器侧壁上用来测量静水压力。

所述的容器装置采用高刚度钢化玻璃材料制成，所述的盛水容器装满水，模拟土体中的孔隙水，所述的收集容器收集模拟分层饱和土固结试验时从盛水容器中排出的水，盛水容器和收集容器的侧壁和底部均不透水。

所述的弹簧-活塞装置由多层带孔活塞板和弹簧连接而成，其中各层带孔活塞板水平设置，相邻层带孔活塞板之间通过弹簧连接，弹簧模拟土骨架，活塞上的小孔模拟土体孔，小孔的疏密用来模拟土体的孔隙比。

所述的弹簧每层设置不同的劲度系数，模拟分层土体不同的弹性模量。为保证每层带孔活塞板能够平稳地移动，每层布置5根劲度系数相同的弹簧，各弹簧布置点如图3所示。根据土体弹性模量E_s的定义，