CN108931623A - 研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置，包括降雨系统、试样放置系统和监测系统，所述试样放置系统中放置试样，所述监测系统包括传感器和收集仪，所述试样内插入传感器，所述传感器连接收集仪，所述降雨系统包括支架、储水箱和降雨箱，所述支架的一侧安装储水箱，所述支架的另一侧安装降雨箱，所述储水箱连通降雨箱，所述降雨箱位于试样放置系统的上方。本发明能得到准确的土水特征曲线，了解土体的固结、强度和渗流等，可广泛应用于降雨后可能出现的滑坡预测以及基坑失稳的预测。

Description

研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置

技术领域

本发明涉及非饱和土的土水特征领域，尤其涉及一种研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置。

背景技术

非饱和土在自然界广泛地存在，与饱和土不同，非饱和土是一种三相土。非饱和土中不仅有固相(土粒及部分胶结物质)和液相(水和水溶液)，而且还有气相(空气和水汽等)存在。在路堤填筑、边坡稳定性分析、深基坑开挖支护等过程中，伴随时间、气候、地下水位的改变，非饱和土中孔隙水、气的比例发生变化，从而使土的固结、强度和渗流等情况发生改变，导致土的性质大为复杂化。比如，土坝工程中，堤坝运行后，水位变动会使孔隙水、气的比例发生变化，从而使土体的固结、强度和渗流等情况都与饱和土力学理论所阐明的不同；边坡工程中，对长时间降雨后出现的滑坡的机理分析以及预测预报等均应当考虑土体含水量变化的影响；深基坑的开挖支护工程中，由于开挖使得地下水位降低，基坑土体在一定范围内成为非饱和土，短期内使土的抗剪强度增加，但随着时间的增长，土中吸力又会使非饱和区域孔隙水压力上升，强度衰减，最终导致基坑失稳。

基质吸力是研究非饱和土特性的一个重要参数，基质吸力多用于描述土体雨水入渗的能力，比如大坝土体入渗、降雨入渗，其可通过土水特征曲线描述——实验测得土中基质吸力与土体体积含水率变化的一组数据表示，而通过非饱和土的土水特征曲线又可以进一步研究非饱和土的抗剪强度。因此，获取非饱和土的土水特征曲线是研究非饱和土的一种重要手段。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种可以控制降雨历时及降雨量，进而有效研究不同深度土体基质吸力与土体体积含水率变化的研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置。

本发明的实施例提供研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置，包括降雨系统、试样放置系统和监测系统，所述试样放置系统中放置试样，所述监测系统包括传感器和收集仪，所述试样内插入传感器，所述传感器连接收集仪，所述降雨系统包括支架、储水箱和降雨箱，所述支架的一侧安装储水箱，所述支架的另一侧安装降雨箱，所述储水箱连通降雨箱，所述降雨箱位于试样放置系统的上方，根据设定的降雨量，将储水箱中的水加入降雨箱中，降雨箱中的水模拟降雨入渗到试样中，通过传感器感应降雨入渗到试样中产生的基质吸力和体积含水率变化数据，并传输给收集仪，所述收集仪对数据进行记录，进一步分析记录数据得到非饱和土的土水特征曲线。

进一步，所述支架包括主架、左侧架和右侧架，所述左侧架和右侧架在主架的两侧，且左侧架和右侧架能沿主架升降，所述左侧架上固定储水箱，所述右侧架上固定降雨箱，所述降雨箱和储水箱通过导管连通，所述导管上设有止水夹和过滤器，所述止水夹靠近储水箱，所述过滤器靠近降雨箱。

进一步，所述储水箱为马氏瓶，所述储水箱内插入气管，所述降雨箱包括箱盖和箱体，所述箱盖设在箱体的上方，且所述箱盖上开有气孔，所述箱体的底部均匀开有通孔，所述通孔内插入针头，打开止水夹，储水箱中的水经过滤器过滤后进入降雨箱，并经针头滴入试样中模拟降雨。

进一步，所述通孔沿箱体的底部中心由内向外圆周排列，所述针头的上端与箱体的底部平齐。

进一步，所述试样放置系统包括底座、试样放置柱和透水石，所述试样放置柱和透水石均放置在底座上方，且透水石在试样放置柱内，所述底座内开有排水通道，将试样放置在试样放置柱，模拟降雨入渗到试样过程中的水透过所述透水石，进入排水通道，并从排水通道排出。

进一步，所述底座上放置有一圆环垫层，所述透水石放置在圆环垫层内，所述试样放置柱放置在圆环垫层上，所述排水通道包括三个竖直排水孔和一个水平排水通道，三个竖直排水孔沿竖直方向等间距开设在底座上，一个水平排水通道将三个竖直排水孔贯通，并延伸至底座的两端，试样中的水透过所述透水石，进入竖直排水孔，进而从水平排水通道排出。

进一步，所述试样放置柱包括两块拼接板，每块拼接板的一端设拼接口，另一端设拼接缝，将拼接口卡在拼接缝内，两块拼接板围成两端开口的圆柱，即为试样放置柱，所述试样放置柱的下端外侧通过一加固环加固。

进一步，所述加固环包括两个半圆环，所述半圆环的两端有水平延伸的短铁片，所述短铁片上有一螺丝孔，将两个半圆环相对的螺丝孔内插入螺丝拧紧，进而实现对试样放置柱的加固。

进一步，所述试样放置柱为两端开口的高强度有机玻璃圆柱，沿试样放置柱的高度方向设有刻度，所述试样放置柱的前部沿高度方向开有五个监测孔，所述试样放置柱后部沿高度方向开有五个监测孔，所述传感器通过监测孔插入试样内。

进一步，所述传感器包括五个体积含水量传感器和五个基质吸力传感器，所述收集仪为两个数据采集仪，一个数据采集仪连接五个体积含水量传感器，另一个数据采集仪连接五个基质吸力传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：结构简单，设计巧妙，能够根据需要调整降雨强度和降雨历时，操作简单，适用范围较广，有较强的实用性。利用设有过滤器的导管连接马氏瓶和采用针头降雨的降雨箱来实现降雨模拟，不但可以根据需要调整马氏瓶气管的高度和降雨箱液面的高度来准确调节降雨强度，而且实验过程稳定，不会发生堵塞现象。试样放置装置根据传感器大小预设了监测孔，并且沿高度方向对两种监测数据分别设有五个监测孔来实现降雨条件下不同深度试样的数据采集。同时，试样放置装置采用两头开孔的拼接板相互拼接成圆柱，方便了实验中试样的放置，也方便了实验完成后仪器的清洗。本发明能够准确的获取降雨降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线，了解土体的固结、强度和渗流等，可广泛应用于降雨后可能出现的滑坡预测以及基坑失稳的预测。

附图说明

图1是本发明研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置的一示意图。

图2是图1中加固环的放大图。

图3是图1中试样放置柱的柱内径展开图。

图4是试样放置柱拼接前的侧视示意图。

图5是拼接在前部的拼接板的示意图。

图6是拼接在后部的拼接板的示意图。

图7是图1中箱体底部的放大图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置，包括降雨系统2、试样放置系统1和监测系统3。

试样放置系统1包括底座11、试样放置柱12、圆环垫层13、透水石14和加固环15。底座11呈圆盘型，底座11内开有排水通道，所述排水通道包括三个竖直排水孔111和一个水平排水通道112，三个竖直排水孔111沿竖直方向等间距开设在底座11的顶面上，一个水平排水通道112开设在底座11的内部，且位于中间，水平排水通道112将三个竖直排水孔111贯通，并延伸至底座11的两端。试样放置柱12和透水石14均放置在底座11上方，且透水石14在试样放置柱12内，试样放置在试样放置柱12。优选地，底座11上放置有一圆环垫层13，透水石14放置在圆环垫层13内，所述试样放置柱12放置在圆环垫层13上，圆环垫层13为塑料垫层。

请参考图3-6，试样放置柱12为两端开口的高强度有机玻璃圆柱，沿试样放置柱12的高度方向设有刻度，所述试样放置柱12的前部沿高度方向等间距开有五个监测孔124，所述试样放置柱12后部也沿高度方向等间距开有五个监测孔124，试样放置柱12包括两块拼接板121，每块拼接板121的一端设拼接口122，另一端设拼接缝123，将拼接口122卡在拼接缝123内，两块拼接板121围成两端开口的圆柱，即为试样放置柱12。

请参考图2，试样放置柱12的下端外侧通过一加固环15加固，加固环15包括两个半圆环151，所述半圆环151的两端有水平延伸的短铁片152，所述短铁片152上有一螺丝孔153，将两个半圆环151相对的螺丝孔153内插入螺丝154拧紧，进而实现对试样放置柱12的加固，保证拼接的紧密性。

监测系统3包括传感器和收集仪，传感器连接收集仪，传感器包括五个体积含水量传感器31和五个基质吸力传感器32，所述收集仪为两个数据采集仪33，一个数据采集仪33连接五个体积含水量传感器31，另一个数据采集仪33连接五个基质吸力传感器32，五个体积含水量传感器31穿过试样放置柱12后部的五个监测孔124，插入试样中，五个基质吸力传感器32穿过试样放置柱12前部的五个监测孔124，插入试样中。

降雨系统2包括支架21、储水箱22、降雨箱23、导管24、止水夹25和过滤器26。所述支架21的一侧安装储水箱22，所述支架21的另一侧安装降雨箱23，所述储水箱22连通降雨箱23，优选地，支架21包括主架211、左侧架212和右侧架213，所述左侧架212和右侧架213在主架211的两侧，且左侧架212和右侧架213能沿主架211升降，所述左侧架212上固定储水箱22，所述右侧架212上固定降雨箱23，所述降雨箱23和储水箱22通过导管24连通，所述导管24上设有止水夹25和过滤器26，所述止水夹25靠近储水箱22，所述过滤器26靠近降雨箱23。

储水箱22优选为马氏瓶，所述储水箱22内插入气管。

请参考图7，降雨箱23位于试样放置系统1的上方，降雨箱23包括箱盖232、箱体231和针头233，所述箱盖232设在箱体231的上方，且所述箱盖232上开有气孔2321，箱盖232可以减小实验过程中降雨箱23内水分的蒸发从而减小误差，所述箱体231的底部均匀开有通孔2311，通孔2311沿箱体231的底部中心a由内向外圆周排列，共六圈，所述通孔2311内插入针头233，所述针头233的上端与箱体231的底部平齐。

根据设定的降雨量，打开止水夹25，将储水箱22中的水加入降雨箱23中，降雨箱23中的水模拟降雨入渗到试样中，优选地，储水箱22中的水经过滤器26过滤后进入降雨箱23，并经针头233滴入试样中模拟降雨，过滤器26可以保证进入针头233的水干净，保证的针头233内的畅通，通过传感器感应降雨入渗到试样中产生的基质吸力和体积含水率变化数据，并传输给收集仪，所述收集仪对数据进行记录，进一步分析记录数据得到非饱和土的土水特征曲线，模拟降雨入渗到试样过程中的水透过所述透水石14，进入排水通道，并从排水通道排出，优选地，试样中的水先进入竖直排水孔111，进而从水平排水通道112排出。

工作过程：

①设计实验，确定实验过程中需要的降雨强度，通过预实验对马氏瓶中的气管的高度进行调整，并确定实验开始时降雨箱23中所需的液面高度，降雨箱23侧面设有刻度，可以精确确定液面高度；

②将圆环垫层13放置在底座11的正中位置，将透水石14放置在圆环垫层13内环的正中位置，将制备好的试样放置在透水石14上，将拼接板121的内壁涂抹一层凡士林并紧贴试样进行拼接，确保拼接缝123和拼接口122拼接紧密，将加固环15放置在圆环垫层13上，将两个半圆环151相对的螺丝孔153内插入螺丝拧紧，完成对试样放置柱12的加固，确保实验过程中试样放置柱12的稳定性；

③将五个EC-5体积含水量传感器31连接到EM-50G数据采集仪33上，并将五个EC-5体积含水量传感器31分别通过试样放置柱12后部的五个监测孔124插入到试样中，将五个MPS-2基质吸力传感器32连接到EM-50G数据采集仪33上，并将五个MPS-2基质吸力传感器32分别通过试样放置柱12前部的五个监测孔124插入到试样中；

④调整支架21的位置，左侧架212和右侧架213的高度，使降雨箱23正好贴合在试样放置柱12的上方，根据实验方案，打开降雨箱23的箱盖232并迅速加水至预定液面高度，盖上箱盖232，打开止水夹25，开始模拟降雨入渗实验，五个EC-5体积含水量传感器31和五个MPS-2基质吸力传感器32感应后传输给EM-50G数据采集仪33，通过EM-50G数据采集仪33记录试样五个不同高度含水量和基质吸力的数据变化情况，最后通过计算机读取EM-50G数据采集仪33里记录的数据，进一步处理数据得到预定降雨强度下试样五个不同高度的非饱和土水特征曲线随时间变化的规律。

本发明结构简单，设计巧妙，能够根据需要调整降雨强度和降雨历时，操作简单，适用范围较广，有较强的实用性。利用设有过滤器的导管连接马氏瓶和采用针头降雨的降雨箱来实现降雨模拟，不但可以根据需要调整马氏瓶气管的高度和降雨箱液面的高度来准确调节降雨强度，而且实验过程稳定，不会发生堵塞现象。试样放置装置根据传感器大小预设了监测孔，并且沿高度方向对两种监测数据分别设有五个监测孔来实现降雨条件下不同深度试样的数据采集。同时，试样放置装置采用两头开孔的拼接板相互拼接成圆柱，方便了实验中试样的放置，也方便了实验完成后仪器的清洗。本发明能够准确的获取降雨降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线，了解土体的固结、强度和渗流等，可广泛应用于降雨后可能出现的滑坡预测以及基坑失稳的预测。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置，其特征在于，包括降雨系统、试样放置系统和监测系统，所述试样放置系统中放置试样，所述监测系统包括传感器和收集仪，所述试样内插入传感器，所述传感器连接收集仪，所述降雨系统包括支架、储水箱和降雨箱，所述支架的一侧安装储水箱，所述支架的另一侧安装降雨箱，所述储水箱连通降雨箱，所述降雨箱位于试样放置系统的上方，根据设定的降雨量，将储水箱中的水加入降雨箱中，降雨箱中的水模拟降雨入渗到试样中，通过传感器感应降雨入渗到试样中产生的基质吸力和体积含水率变化数据，并传输给收集仪，所述收集仪对数据进行记录，进一步分析记录数据得到非饱和土的土水特征曲线。

2.根据权利要求1所述的研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置，其特征在于，所述支架包括主架、左侧架和右侧架，所述左侧架和右侧架在主架的两侧，且左侧架和右侧架能沿主架升降，所述左侧架上固定储水箱，所述右侧架上固定降雨箱，所述降雨箱和储水箱通过导管连通，所述导管上设有止水夹和过滤器，所述止水夹靠近储水箱，所述过滤器靠近降雨箱。

3.根据权利要求2所述的研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置，其特征在于，所述储水箱为马氏瓶，所述储水箱内插入气管，所述降雨箱包括箱盖和箱体，所述箱盖设在箱体的上方，且所述箱盖上开有气孔，所述箱体的底部均匀开有通孔，所述通孔内插入针头，打开止水夹，储水箱中的水经过滤器过滤后进入降雨箱，并经针头滴入试样中模拟降雨。

4.根据权利要求3所述的研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置，其特征在于，所述通孔沿箱体的底部中心由内向外圆周排列，所述针头的上端与箱体的底部平齐。

5.根据权利要求1所述的研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置，其特征在于，所述试样放置系统包括底座、试样放置柱和透水石，所述试样放置柱和透水石均放置在底座上方，且透水石在试样放置柱内，所述底座内开有排水通道，将试样放置在试样放置柱，模拟降雨入渗到试样过程中的水透过所述透水石，进入排水通道，并从排水通道排出。

6.根据权利要求5所述的研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置，其特征在于，所述底座上放置有一圆环垫层，所述透水石放置在圆环垫层内，所述试样放置柱放置在圆环垫层上，所述排水通道包括三个竖直排水孔和一个水平排水通道，三个竖直排水孔沿竖直方向等间距开设在底座上，一个水平排水通道将三个竖直排水孔贯通，并延伸至底座的两端，试样中的水透过所述透水石，进入竖直排水孔，进而从水平排水通道排出。

7.根据权利要求5所述的研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置，其特征在于，所述试样放置柱包括两块拼接板，每块拼接板的一端设拼接口，另一端设拼接缝，将拼接口卡在拼接缝内，两块拼接板围成两端开口的圆柱，即为试样放置柱，所述试样放置柱的下端外侧通过一加固环加固。

8.根据权利要求7所述的研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置，其特征在于，所述加固环包括两个半圆环，所述半圆环的两端有水平延伸的短铁片，所述短铁片上有一螺丝孔，将两个半圆环相对的螺丝孔内插入螺丝拧紧，进而实现对试样放置柱的加固。

9.根据权利要求5所述的研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置，其特征在于，所述试样放置柱为两端开口的高强度有机玻璃圆柱，沿试样放置柱的高度方向设有刻度，所述试样放置柱的前部沿高度方向开有五个监测孔，所述试样放置柱后部沿高度方向开有五个监测孔，所述传感器通过监测孔插入试样内。

10.根据权利要求1所述的研究降雨入渗下非饱和土的土水特征曲线的模型实验装置，其特征在于，所述传感器包括五个体积含水量传感器和五个基质吸力传感器，所述收集仪为两个数据采集仪，一个数据采集仪连接五个体积含水量传感器，另一个数据采集仪连接五个基质吸力传感器。