[发明专利]一种模拟土体柱孔扩张的试验装置及试验方法

权利要求书

1.一种模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于：包括模型箱、门型支架、挤土装置、高速摄像机、围压装置和数据采集装置；

所述模型箱为长方体结构，它的一个短边侧面采用钢化玻璃板制作，高速摄像机正对该侧面，所述模型箱的箱顶短边方向设置有第一外伸板，长边方向等间距布置有两个第二外伸板；

所述门型支架立于模型箱短边方向的两侧，门型支架由横梁和两根立柱组成，立柱底部固定于地面；

所述挤土装置包括辊轴组件、橡胶膜、曲柄摇手和盖板；其中辊轴组件由四组辊轴组成，分别为第一辊轴、第二辊轴、第三辊轴、第四辊轴，第一辊轴、第二辊轴、第三辊轴的两端固定在门型支架横梁上，其中辊轴直径与轴承相匹配；第四辊轴沿模型箱的对称轴设置在模型箱的顶部，第四辊轴的两端通过轴承置于第一外伸板上，并在模型箱透明玻璃一侧与曲柄摇手连接；所述橡胶膜缠绕并悬挂于辊轴组件上；其中一套橡胶膜连接第二辊轴和第四辊轴，另一套连接第一辊轴和第三辊轴；预先将缠绕在第二辊轴上的橡胶膜黏结在第四辊轴上，第一辊轴和第三辊轴上的橡胶膜在第四辊轴下方黏结在一起，两套橡胶膜在第四辊轴下方贴合，中间涂抹减阻剂；所述盖板位于模型箱顶部，由固定板和滑动板组成，盖板以第四辊轴为对称轴左右对称布置，在模型箱短边上设置了滑槽，滑动板沿该滑槽进行滑动，固定板固定在第一外伸板和第二外伸板上，滑槽固定在第一外伸板上；通过设置盖板，防止在挤土过程中土体向上隆起；

围压装置设置在与模型箱透明玻璃相对应的另一侧，所述围压装置包括气囊、加载板、隔板和真空泵；在模型箱侧面设有一个空腔，该空腔由加载板、上部隔板和模型箱的侧壁围成，气囊内置于该空腔中，并通过气囊管与外部真空泵连接；加载板位于气囊一侧，竖直立于模型箱内部，加载板高度与模型箱高度一致；加载板将模型箱与围压装置分隔开；

所述数据采集装置包括测力传感器、孔隙水压力计和土压力盒；两个测力传感器分别设置在固定第四辊轴的轴承的上方，孔隙水压力计和土压力盒均匀设置在土体内部。

2.根据权利要求1所述的模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于：所述第一辊轴、第二辊轴、第三辊轴通过T型轴承支承于模型箱上方的门型支架横梁上。

3.根据权利要求1所述的模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于：所述橡胶膜的端部设有挡环，橡胶膜幅宽为模型箱长边的四分之三，缠绕在第四辊轴的橡胶膜的一端紧贴模型箱透明箱壁，另一端在辊轴上固定挡环。

4.根据权利要求1所述的模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于：减阻剂为石墨粉、润滑油或润滑脂中的一种。

5.根据权利要求1所述的模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于：所述加载板距离模型箱不透明一端的距离为模型箱长边的四分之一。

6.根据权利要求1所述的模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于：滑槽和固定板通过螺栓固定在第一外伸板和第二外伸板上；所述滑动板紧贴第四辊轴位于固定板的内侧，固定板紧靠滑动板，其中，滑动板比固定板高2mm，滑动板两端与滑槽上滑轮固定，通过滑轮带动滑动板在滑槽里滚动。

7.根据权利要求1所述的模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于：所述隔板与模型箱的顶部齐平，并在其下表面与箱壁交界的四个角点处以及箱底紧靠加载板处分别焊接一个挡块；上部四个挡块和隔板上均预留螺孔，通过螺栓使两者连接。

8.根据权利要求1所述的模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于：测力传感器卡设于第四辊轴两端的轴承内，顶部设置一字角码；将无头螺栓穿过一字角码和第一外伸板的栓孔，紧固轴承和测力传感器；孔隙水压力计和土压力盒埋在土里，位置随实验人员需要测量的数据数量而定。

9.一种模拟土体柱孔扩张的试验方法，采用权利要求1~8任一项所述的模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于包括如下步骤：

① 在模型箱内安装围压装置，并在箱壁预留气囊管路孔口，将气囊与真空泵连接；

② 在模型箱内分层填筑模型土，并分层夯实，同时埋设孔隙水压力计和土压力盒，且每隔相同厚度均匀铺设示踪粒子；当填土接近箱顶时，利用螺栓将第四辊轴固定于外伸板上，之后继续填土至箱顶；

③ 将第一辊轴、第二辊轴、第三辊轴分别套设于模型箱上方的门式支架横梁上，并在第二辊轴和第四辊轴、第一辊轴和第三辊轴之间缠绕橡胶膜，形成“挂布”；其中，第一辊轴、第三辊轴之间的橡胶膜与第二辊轴、第四辊轴之间的橡胶膜在下端密贴，形成双层结构，中间涂抹减阻剂，接着安装盖板；

④ 采用真空泵对气囊充气，推动加载板挤压土体，施加侧向压力；接着转动曲柄摇手，每个辊轴外侧缠绕若干圈橡胶膜，通过转动曲柄摇手，使第四辊轴转动，带动第四辊轴缠绕橡胶膜；同时带动第二辊轴上的橡胶膜使第四辊轴的橡胶膜越来越多，第四辊轴的半径会越来越大，随着缠绕半径的增加实现不同围压条件下土体圆柱形动态扩张过程；

⑤ 利用数据采集装置记录土体扩张过程中各传感器数据，并利用高速摄像机对土体内部的示踪粒子进行拍摄追踪，获取其运动轨迹，利用图像分析软件得到粒子的移动距离和速度。