一種高飽和度含氣砂三維土柱倒塌試驗裝置的制作方法

本技術屬于室內模型箱試驗設備，涉及一種土柱倒塌試驗裝置，尤其涉及一種高飽和度含氣砂三維土柱倒塌試驗裝置。

背景技術：

1、水下滑坡是在近海三角洲、大陸架、深海盆地等地常見的海洋地質災害，其主要表現為大量土體大規模轉移。大規模的水下滑坡可以輸運超過100km3的沉積物，流速可以超過19m/s，在僅0.2°到0.3°的滑道上仍能保持3～10m/s的流速。這些流動的物質主要由顆粒物質(如砂土、粉砂及碎石)和夾帶的介質(如氣體、水流及泥漿)組成。了解顆粒材料的流體動力學響應，預測物質可能傳播的速度和范圍對于風險評估和預防至關重要。

2、土柱倒塌問題是研究顆粒材料流體力學性質最為直觀和有效的物理力學試驗。典型的土柱倒塌試驗過程包括圓柱形或矩形土柱在撤去側擋土墻后，土柱在自重驅動下沿著基底滑動。目前，干燥顆粒材料的流體力學性質已經得到較好的理解。然而，水下顆粒材料的倒塌機理和規律由于涉及流體和固體顆粒的復雜相互作用還未得到很好的揭示。

3、此外，由于我國沿海軟土中有機質含量高，分解后形成沼氣儲存于上覆或下伏的粉砂、貝殼砂、粉土層中，易于在上下黏土層的封閉下形成含氣砂層。含氣砂層中的氣體常以游離氣體的形式存在于土骨架之間。其氣體的特殊存在形式，改變了海洋(海相)沉積土的力學性質，從而影響滑坡的流動性質。

4、然而，水下高飽和度含氣砂邊坡倒塌過程難以在現場觀察，室內模型箱試驗也受限于含氣砂邊坡/土柱的制備。因此，高飽和度含氣顆粒材料的流滑性質仍停留在理論分析和數值模擬層面，其理論成果尚缺乏試驗支撐。

5、為此，有必要提出一種新型的水下土柱倒塌試驗設備，實現水下高飽和度含氣土柱的制備和土柱倒塌試驗。

技術實現思路

1、本實用新型的目的在于提供一種高飽和度含氣砂三維土柱倒塌試驗裝置，以解決上述背景技術中缺乏高飽和度含氣砂土柱而使試驗無法開展的問題。

2、為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案:

3、一種高飽和度含氣砂三維土柱倒塌試驗裝置，包括模型箱、提升機構、真空泵和co2氣罐；所述模型箱包括由下到上依次布置的底板、箱體和頂蓋；所述箱體為空心圓柱體結構，所述底板與所述箱體固定連接，所述箱體與所述頂蓋可拆卸連接，所述箱體內部設有所述提升機構；所述頂蓋上方設有第一閥門和第二閥門，所述第二閥門與所述真空泵或co2氣罐連接。

4、進一步的，所述提升機構包括模具筒、繩索、第一定滑輪、第二定滑輪、第一轉動軸、第二轉動軸、配重塊，所述第一轉動軸和第二轉動軸均固定在所述箱體側壁上，所述第一轉動軸上設有第一定滑輪，所述第二轉動軸上設有第二定滑輪；所述模具筒為上下敞口的土柱成形模具，位于底板上方，與所述繩索一端連接；所述繩索自模具筒向上豎直引入第一定滑輪后水平進入第二定滑輪，變向后垂直引出與所述配重塊連接。

5、進一步的，所述箱體側壁上設有電磁鐵，所述電磁鐵與所述配重塊位置相對，用于固定所述配重塊。

6、進一步的，所述底板上方設有配重井，所述配重井位于所述配重塊正下方，所述配重井底部填充有緩沖棉。

7、進一步的，所述底板上還設有tdr時域反射計，所述tdr時域反射計位于所述模具筒正下方。

8、進一步的，所述底板和頂蓋的邊緣凸出于所述箱體，所述頂蓋通過螺栓與所述底板連接。

9、進一步的，所述箱體頂部設有凹槽，所述凹槽內設有密封圈。

10、進一步的，所述頂蓋上設有第一壓力表。

11、進一步的，所述箱體側壁上設有透明視窗。

12、一種高飽和度含氣砂三維土柱倒塌試驗方法，利用上述裝置實現，包括以下步驟：

13、將模具筒放置于底板上，稱量指定重量的干砂，在模具筒內分層填樣至指定高度；

14、將繩索的一端與模具筒連接，另一端與配重塊連接，并依次繞過第一定滑輪和第二定滑輪后將配重塊置于電磁鐵側面，打開電磁鐵電源，使配重塊吸附于電磁鐵上；

15、緩慢向模型箱中注入蒸餾水至預定水位，水位高度不超過模具筒的高度；

16、依次在箱體上安裝密封圈和頂蓋，并擰緊螺栓；

17、打開第二閥門，關閉第一閥門，用高壓管連接真空泵和第二閥門，打開真空泵，抽真空后關閉真空泵和第二閥門，保持負壓時間不少于1天；

18、緩慢打開第一閥門使模型箱內氣壓回到標準大氣壓力值；通過高壓管連接co2氣罐與第二閥門，緩慢打開co2氣罐，使模型箱內壓力升高至預定壓力p1，并維持壓力不少于2天，使co2溶液達到飽和；

19、緩慢降低co2氣罐輸出壓力至預定壓力p2，使co2氣體從溶液中析出，通過tdr時域反射計監測土柱的飽和度，達到預定飽和度后，關閉第二閥門；

20、關閉電磁鐵電源，使配重塊落入配重井，并帶動模具筒豎直上升，土柱在失去側支撐后開始倒塌。

21、與現有技術相比，本實用新型的有益效果是：

22、1.本實用新型的試驗裝置設有真空泵，可以實現水下飽和土柱的制備和試驗；同時該裝置還設有co2氣罐，通過氣壓的控制，可以完成飽和co2孔隙液的制備，及降壓使co2氣體從飽和co2溶液中析出，進而實現高飽和度含氣砂土柱的制備和試驗。

23、2.本實用新型的試驗裝置包括提升機構，提升機構連接配重塊和電磁鐵，可以通過電磁鐵電路的通斷控制模具筒的抬升，從而在全封閉模型箱內實現土柱倒塌的觸發控制。

24、3.本實用新型的試驗裝置的模型箱頂蓋上還設有壓力表，可用于觀察模型箱內部壓力變化；模型箱側面設有透明視窗，可用于觀察和記錄土柱倒塌過程；土柱底部中心設有tdr時域反射計，能監測土柱的飽和度變化；從而確保了試驗變量的可控性，提升了試驗結果的可靠性。

技術特征：

1.一種高飽和度含氣砂三維土柱倒塌試驗裝置，其特征在于，包括模型箱、提升機構(5)、真空泵(11)和co2氣罐(12)；所述模型箱包括由下到上依次布置的底板(1)、箱體(2)和頂蓋(3)；所述底板(1)與所述箱體(2)固定連接，所述箱體(2)與所述頂蓋(3)可拆卸連接，所述箱體(2)內部設有所述提升機構；所述頂蓋(3)上方設有第一閥門(303)和第二閥門(304)，所述第二閥門(304)與所述真空泵(11)或co2氣罐(12)連接；所述提升機構(5)包括模具筒(501)、繩索(502)、第一定滑輪(503)、第二定滑輪(504)、第一轉動軸(505)、第二轉動軸(506)、配重塊(507)，所述第一轉動軸(505)和第二轉動軸(506)均固定在所述箱體(2)側壁上，所述第一轉動軸(505)上設有第一定滑輪(503)，所述第二轉動軸(506)上設有第二定滑輪(504)；所述模具筒(501)位于底板(1)上方，與所述繩索(502)一端連接，所述繩索(502)自模具筒(501)向上豎直引入第一定滑輪(503)后水平進入第二定滑輪(504)，變向后垂直引出與所述配重塊(507)連接；所述箱體(2)側壁上設有電磁鐵(202)，所述電磁鐵(202)與所述配重塊(507)位置相對，用于固定所述配重塊(507)。

2.根據權利要求1所述的高飽和度含氣砂三維土柱倒塌試驗裝置，其特征在于，所述底板(1)上方設有配重井(6)，所述配重井(6)位于所述配重塊(507)正下方，所述配重井(6)底部填充有緩沖棉(7)。

3.根據權利要求1所述的高飽和度含氣砂三維土柱倒塌試驗裝置，其特征在于，所述底板(1)上還設有tdr時域反射計(803)，所述tdr時域反射計(803)位于所述模具筒(501)正下方。

4.根據權利要求1所述的高飽和度含氣砂三維土柱倒塌試驗裝置，其特征在于，所述底板(1)和頂蓋(3)的邊緣凸出于所述箱體(2)，所述頂蓋(3)通過螺栓(4)與所述底板(1)連接。

5.根據權利要求1所述的高飽和度含氣砂三維土柱倒塌試驗裝置，其特征在于，所述箱體(2)頂部設有凹槽(203)，所述凹槽(203)內設有密封圈(9)。

6.根據權利要求1所述的高飽和度含氣砂三維土柱倒塌試驗裝置，其特征在于，所述頂蓋(3)上設有第一壓力表(801)。

7.根據權利要求1所述的高飽和度含氣砂三維土柱倒塌試驗裝置，其特征在于，所述箱體(2)側壁上設有透明視窗(201)。

技術總結
本技術公開了一種高飽和度含氣砂三維土柱倒塌試驗裝置，該裝置包括模型箱、提升機構、真空泵和CO<subgt;2</subgt;氣罐；所述模型箱包括由下到上依次布置的底板、箱體和頂蓋；所述箱體為空心圓柱體結構，所述底板與所述箱體固定連接，所述箱體與所述頂蓋可拆卸連接，所述箱體內部設有所述提升機構；所述頂蓋上方設有第一閥門和第二閥門，所述第二閥門與所述真空泵或CO<subgt;2</subgt;氣罐連接。可以通過提升機構實現全封閉條件下觸發土柱倒塌，真空泵、CO<subgt;2</subgt;氣罐與模型箱之間相互配合使用，可以分別實現飽和土柱和高飽和度含氣砂土柱的制備。該試驗裝置實現了對壓力和土體飽和度的可控，保證了試驗結果的可靠性。

技術研發人員：童森杰,黃茂松,時振昊,俞劍,沈侃敏,王濱,王海宇,張文龍,楊宏毅,孫長江
受保護的技術使用者：中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司
技術研發日：20240410
技術公布日：2024/12/23