一种模拟城市地下管道渗漏引发地面沉降的试验装置

本技术涉及岩土工程模型试验，具体为一种模拟城市地下管道渗漏引发地面沉降的试验装置。

背景技术：

1、随着城市化的不断发展，我国城市道路局部不均匀沉降的问题日益凸显，地表沉降不仅影响着道路正常通行，而且威胁着路上行人和车辆的安全，因此，有必要弄清城市地表沉降的内在作用机制，从而提出科学有效的防控措施。

2、大量调查和研究表明，城市地表沉降的诱因主要包括自然因素和人为因素，其中人为因素中的管道渗漏是导致地表沉降的最为常见因素之一，由于钢材锈蚀作用和地面荷载影响，埋设于地下的供/排水管极易损伤破坏，形成微细裂缝或孔洞，管道中的饮用水或污水会沿着上述破损区泄漏，入渗至管道周围的土体中，特别是管道水压较大时，泄露出的水体将会产生一定的动水压力，对管道周围土体产生侵蚀作用，将细小土颗粒带走，形成管道与周围土体的脱空区或地下空洞，与此同时，水体渗透还会导致管道周围土体的含水率和孔隙水压的增加，相应地，土体强度参数会弱化且有效应力增大，随着上述侵蚀作用和渗透作用持续进行，地下土体变形不断增加，最终引发地表不均匀沉降，并且，地下脱空区或孔洞的存在还可能进一步诱发地面塌陷。

3、考虑到地下管道渗漏的隐蔽性和渐进性，原位观测很难开展，数值模拟则难以考虑水体渗漏时的水土流固耦合过程，与之相比，室内试验能够更为真实有效的再现不同渗流条件和地层性质下的上覆地层沉降变形过程，从而为管道渗漏区域的路基受影响范围界定、防控措施提出及其有效性验证提供有益指导，但目前尚缺乏开展城市地下管道渗漏引发地面沉降的试验方法及相应试验装置。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于提供一种模拟城市地下管道渗漏引发地面沉降的试验装置，以解决上述背景技术中提出的缺乏开展城市地下管道渗漏引发地面沉降的试验方法及相应试验装置的问题。

2、为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案，一种模拟城市地下管道渗漏引发地面沉降的试验装置：包括模型箱、加载组件、砂土收集组件、加压与供水组件、和观测组件；

3、模型箱包括前壁、后壁、左壁、右壁及底板，上部开口无封闭，侧壁间、侧壁与底板之间的连接均使用酸性玻璃胶粘结，密封性强且不渗水和漏水，所述前壁为透明钢化玻璃，所述左壁、右壁、后壁为钢板组成的模型箱，所述模型箱前壁分布piv技术控制点，所述底板从左到右间距分布着五个螺旋管，所述螺旋管内壁设置有螺纹，所述模型箱附带有五个相对应的活塞旋钮，所述模型箱左右壁顶端设有卡槽，所述卡槽用于布置高分辨率摄影机，所述摄影机固定在卡槽上，按一定时间间隔拍照记录，所述模型箱内填充有土样；

4、加压与供水组件包括u型管、水箱与加压泵，所述u型管入水口与加压泵相连，所述u型管出水口与模型箱相连，且在出水口下方设有与之连通的竖向管道，用于收集水与随水分流出的砂土，且竖向管道的表面设置有第二阀门，所述u型管材质为柔性abs塑料，用于更好的连接与移动，所述u型管的表面设置有管壁，所述u型管的一侧上方设有压力表，用于控制压强与水速，所述u型管的另一侧设置有第二横向管道，所述水箱与加压泵之间连接有第一横向管道，所述u型管的表面设置有第一阀门；

5、砂土收集组件包括砂土收集箱，所述砂土收集箱为没有顶盖的不漏水塑料箱，其长、宽与模型箱尺寸相同，高度小于模型箱高度，其目的在于收集随水流冲刷下的砂土；

6、加载组件包括反力架、分配梁、滚轮、力传感器与混凝土板，所述反力架固定在地面上，所述混凝土板布设在模型箱中砂土表面，并将分配梁安置与混凝土板上，所述反力架内设置有千斤顶，所述反力架中的千斤顶设置在分配梁的中心上方，且千斤顶大活塞的顶杆上装设应变传感器，通过测量仪表直接测量压力，模拟市政管道渗水的情况下，路面有人流车辆经过引起的道路塌陷机理；

7、观测组件包括正向摄影机、侧向摄影机与三脚架，所述正向摄影机固定在模型箱正前方，并要求整个模型箱处于摄影机的拍照范围之内，所述模型箱左壁、右壁上方分别设有一个摄影机，所述摄影机上方与正向摄影机共同记录模型箱中砂土的变形与塌陷过程。

8、优选的，所述模型箱底板下设置的五个螺纹管的直径、长度、宽度与间距完全相同，所述螺纹管横截面的直径为100mm，且相邻的两个螺纹管的间距为100mm，所述模型箱底板下的孔洞连接螺纹管，且螺纹管可与u型管出水口连接。

9、优选的，所述模型箱实验中同时使用的不同u型管的尺寸、管道长度、管道直径应保持相同。

10、优选的，所述第一横向管道与第二横向管道高度比为1.3：1.5。

11、优选的，所述砂土收集箱的长、宽与模型箱相同，所述砂土收集箱高度为模型箱高度的0.5~0.6倍。

12、优选的，所述模型箱的前壁上布置有若干阵列式排布的圆形黑色实心piv技术控制点，所述模型箱的前壁正前方摆放高分辨率摄影机，所述高分辨率摄影机作用在三脚架上。

13、优选的，所述高分辨率摄影机按一定时间间隔拍照记录市政管道渗水引起道路塌陷的试验机理，捕捉渗水过程中的土样上表面变形破坏模式。

14、优选的，所述反力架的千斤顶部分用滚轮与主体部分连接，调节千斤顶位置，控制不同的荷载施加点位，所述调节千斤顶作用大小来模拟道路上方有车流、人流荷载的情况下，对该模型箱实验情况的影响；设分配梁的长为a，宽为b，千斤顶施加荷载为f，则受力面积为a*b，则下表面的附加应力应为q=f/ab。

15、优选的，所述混凝土板的长度、宽度均与模型箱相同，所述混凝土板高度为10mm。

16、与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

17、通过模拟不同地层条件下土样在不同位点处的水体侵蚀和渗透作用，分析土体渗流场和位移场的分布规律，揭示管道渗漏引发地面沉降的发生机制，且模拟场景多样，能够更加有效和全面的对地下管道渗漏引发地面沉降的因素观察和测试，提高模拟实验效果和性能。

技术特征：

1.一种模拟城市地下管道渗漏引发地面沉降的试验装置，其特征在于：包括模型箱、加载组件、砂土收集组件、加压与供水组件和观测组件；

2.根据权利要求1所述的一种模拟城市地下管道渗漏引发地面沉降的试验装置，其特征在于：所述模型箱底板下设置的五个螺纹管的直径、长度、宽度与间距完全相同，所述螺纹管横截面的直径为100mm，且相邻的两个螺纹管的间距为100mm，所述模型箱底板下的孔洞连接螺纹管，且螺纹管可与u型管出水口连接。

3.根据权利要求1所述的一种模拟城市地下管道渗漏引发地面沉降的试验装置，其特征在于：所述模型箱实验中同时使用的不同u型管的尺寸、管道长度、管道直径应保持相同。

4.根据权利要求1所述的一种模拟城市地下管道渗漏引发地面沉降的试验装置，其特征在于：所述第一横向管道与第二横向管道高度比为1.3：1.5。

5.根据权利要求1所述的一种模拟城市地下管道渗漏引发地面沉降的试验装置，其特征在于：所述砂土收集箱的长、宽与模型箱相同，所述砂土收集箱高度为模型箱高度的0.5~0.6倍。

6.根据权利要求1所述的一种模拟城市地下管道渗漏引发地面沉降的试验装置，其特征在于：所述模型箱的前壁上布置有若干阵列式排布的圆形黑色实心piv技术控制点，所述模型箱的前壁正前方摆放高分辨率摄影机，所述高分辨率摄影机作用在三脚架上。

7.根据权利要求1所述的一种模拟城市地下管道渗漏引发地面沉降的试验装置，其特征在于：所述高分辨率摄影机按一定时间间隔拍照记录市政管道渗水引起道路塌陷的试验机理，捕捉渗水过程中的土样上表面变形破坏模式。

8.根据权利要求1所述的一种模拟城市地下管道渗漏引发地面沉降的试验装置，其特征在于：所述反力架的千斤顶部分用滚轮与主体部分连接，调节千斤顶位置，控制不同的荷载施加点位，所述调节千斤顶作用大小来模拟道路上方有车流、人流荷载的情况下，对该模型箱实验情况的影响；设分配梁的长为a，宽为b，千斤顶施加荷载为f，则受力面积为a*b，则下表面的附加应力应为q=f/ab。

9.根据权利要求1所述的一种模拟城市地下管道渗漏引发地面沉降的试验装置，其特征在于：所述混凝土板的长度、宽度均与模型箱相同，所述混凝土板高度为10mm。

技术总结
本技术涉及岩土工程模型试验技术领域，具体为一种模拟城市地下管道渗漏引发地面沉降的试验装置，包括模型箱、加载组件、砂土收集组件、加压与供水组件、和观测组件；模型箱包括前壁、后壁、左壁、右壁及底板，上部开口无封闭，侧壁间、侧壁与底板之间的连接均使用酸性玻璃胶粘结，密封性强且不渗水和漏水，所述前壁为透明钢化玻璃。本技术通过模拟不同地层条件下土样在不同位点处的水体侵蚀和渗透作用，分析土体渗流场和位移场的分布规律，揭示管道渗漏引发地面沉降的发生机制，且模拟场景多样，能够更加有效和全面的对地下管道渗漏引发地面沉降的因素观察和测试，提高模拟实验效果和性能。

技术研发人员：孙灿,蒋昊宇,柴叶厚,刘邹莹,魏纲,胡成宝
受保护的技术使用者：浙大城市学院
技术研发日：20231206
技术公布日：2024/9/23