[发明专利]一种多功能土工模型试验系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种土工模型试验系统及方法，具体涉及一种多功能土工模型试验系统及方法，属于岩土工程室内模型试验领域。

背景技术

室内模型试验已成为岩土工程领域内研究问题的一种主要手段，室内模型试验是指在实验室内根据特制的器材模拟实际的各种工况，来研究岩土的物理力学状态。地基土的不均匀沉降不仅会降低路面结构的平整度，还会降低路面结构的整体强度，影响交通的正常运行，大幅度增加公路养护和维修的费用。滑坡是一种严重的地质灾害，发生时不仅可能会阻碍交通，还可能威胁人们的生命财产安全。滑坡与水的作用有关，降雨是诱发滑坡的主要因素之一，长时间的降雨或短时的强降雨都可能引发大规模的滑坡。膨胀土是一种同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的黏性土，在反复降雨与蒸发作用下，土体产生内应力，从而使膨胀土中原生裂隙扩展和新裂隙的产生，裂隙数量增加并连通,最后形成裂隙网络，裂隙发育严重破坏了土体的完整性，水分通过裂隙通道快速渗入土体内部，使土体孔隙水压力上升而基质吸力减小，土体抗剪强度显著降低，容易产生滑坡，滑塌，当膨胀土作为路堤填料时，容易引起路面发生变形、开裂和断板。

现场监测是研究土层变形特性最直观、有效的方式，但由于现场试验的周期长、费用高、影响因素复杂多样等原因，将工程实际等比例缩小的室内模型试验成为研究地基土层变形规律的一种主要手段。在季节性冻土地区，冬季土体冻结，路基产生冻胀；春季冻土融化，路基产生翻浆、冒泥，对公路造成危害。而水分迁移又是产生冻胀的直接因素，所以研究冻土中的水分迁移机理有着重要的意义。现有的模型试验仅探究了土层的沉降特性，未能反映土层的应力分布，没有考虑在冻土或季节性冻土地区的沉降特性和水分迁移的过程。且现有的模型箱功能单一，为开展不同的模型试验需要制作不同的模型箱，经济性较差。

发明内容

本发明是为解决现有模型箱无法模拟温度场的条件的问题，进而提供一种多功能土工模型试验系统及方法。该系统可控制温度条件和进行多种试验。

本发明为解决上述问题采用的技术方案是：

一种多功能土工模型试验系统包括外框架、模型箱、降雨模拟机构、制冷机构、加热机构和数据采集系统；

模型箱安装在外框架上，降雨模拟机构的出水口布置在模型箱的顶部，制冷机构和加热机构给模型箱提供环境温度，数据采集系统采集模型箱内的冻土工况指标。

进一步地，模型箱为钢化玻璃有盖箱体，模型箱内设有具有浸水孔的上底板，上底板与下底板之间形成储水箱，模型箱的侧板上开有连接孔。

进一步地，降雨模拟机构包括补水箱、进水管、降雨喷头和阀门，在箱体的顶板上安装降雨喷头和为降雨喷头供水的进水管，进水管上安装阀门，进水管连接补水箱。

进一步地，制冷机构包括制冷压缩机、风机和风管，制冷压缩机与风机连接，风机与风管连接，风管安装在连接孔上，制冷压缩机上设置有温控面板。

进一步地，加热机构包括加热管。

本发明的一种多功能土工模型试验方法是这样实现的：

一、根据试验工况需要，确定模型箱的尺寸、模型相似比、路基模型长度以及坡度比；

二、准备模拟用的土体材料；

三、根据不同的土工性能试验需要，建立相应的模拟工序；

四、将各传感器的引线连接到数据采集仪上，并连接计算机，实现数据的实时采集与显示。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明采用风冷制冷的方式对模型箱内部温度进行控制，相较于现有的直冷制冷的方式，不需要在箱体内布设铜管，节约了空间，方便试验的进行；同时风冷制冷的最大负温比制冷的方式低，且温度波动更小，控温精确。

相较于传统在顶板布设铜管的制冷方式，采用在左右两侧开孔的风冷制冷，可以在顶部通过千斤顶进行加载，在千斤顶周围用保温棉包裹，以达到制冷效果，实现在季冻区施工加载工况的模拟。本发明模型箱采用钢化玻璃，强度大，透明度好，直观清晰地实现沉降和滑坡的可视化效果。

本发明的方法可根据具体的工况设计一种通用的模型箱，并在模型箱内部布设模拟的工况，再根据实际工况进行温度控制、加载、降雨等，最后采集试验数据，本方法能够模拟多种工况，试验范围广，可靠度高。

附图说明

图1为本发明模型箱的结构示意图；

图2为加热管、进水管、降雨喷头、阀门及顶板的连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明。