一种土工管袋水下填充并上覆荷载的脱水试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及土工织物材料性能测试技术领域，具体涉及一种土工管袋水下填充并上覆荷载的脱水试验装置。


背景技术：

2.土工管袋是以高强纺织型土工织物缝制成的管袋制品，袋内充灌泥沙或淤泥形成大型管体，可作为堤坝填筑、河流护岸、海塘护脚、崩岩抢护、抗洪抢险等工程的构件，具有就地取材、施工速度快、结构简单、整体性好、经济效益显著、对环境影响小等优点，应用非常广泛。
3.其中，当土工管袋用于江边围堰填筑时，由于潮水因具有涨落间隔短、水位变化大等特点，底层土工管袋常需要在水下进行施工，并在填筑完毕后立即进行上层土工管袋的填筑。上述管袋填筑步骤在工程中应用广泛，但与常规的土工管袋脱水过程不同的是，土工管袋在水环境下脱水时，将受到水压力作用，管袋内泥浆排水变得更为困难，导致内部土体强度低，在潮水冲击下失稳的风险提高。此外在当下层管袋填筑完毕，上层管袋的填筑将对下层管袋形成超压并加速排水，此过程中下层管袋的脱水特性具体如何仍然未知，而现有填筑过程根据施工人员的经验判定下层管袋的脱水程度，具有一定的风险性，但对用做承压的管袋来说，其水下环境施工时脱水特性对整体围堰施工的安全性来说尤为重要。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于，提供一种模拟土工管袋在水环境下和随后上覆荷载下的脱水过程的脱水试验装置，能够对工程设计提供直观依据。
5.为此，本实用新型采用以下技术方案：
6.一种土工管袋水下填充并上覆荷载的脱水试验装置，包括模型试验箱、以及进行模拟实验的土工管袋，并以此配备数据采集模块，所述模型试验箱内部形成供所述土工管袋放置的试验区；所述土工管袋连接设置灌浆装置，所述土工管袋位于所述试验区的底部，模拟底层土工管袋；所述试验区在充水条件下模拟所述土工管袋所在的水环境，以此通过所述数据采集模块对所述土工管袋在水下填充工况下的脱水特性监测；所述试验区上方可拆卸连接设置伺服加载系统，所述伺服加载系统在其下方伸缩连接设置加载板，所述伺服加载系统和所述加载板模拟所述土工管袋上方的土工管袋荷载，并通过所述伺服加载系统施压模拟所述土工管袋上方的土工管袋荷载在往内部填充过程中对所述土工管袋的荷载变化，经由所述数据采集模块对所述土工管袋在上覆荷载工况下的脱水特性监测。
7.进一步地：所述模型试验箱侧壁设置第一排水阀门。
8.进一步地：所述伺服加载系统包括电液伺服作动器，以此模拟所述土工管袋上方的土工管袋的填充过程；所述电液伺服作动器的两侧设置连接梁，所述连接梁端部与所述模型试验箱内壁之间配合设置的第一固定孔。
9.进一步地：所述试验区下方形成供所述土工管袋内部填充并可使其充分扩展的区
域。
10.进一步地：所述数据采集模块包括配备在所述伺服加载系统内可监测所述土工管袋高度变化的压力传感器与位移传感器。
11.进一步地：所述模型试验箱还可对所述土工管袋进行无水环境下的脱水检测；所述模型试验箱底部设置有支脚，形成放置区域；并以此在所述模型试验箱底部设置第二排水阀门，同时在所述放置区域内放置与所述第二排水阀门的出口处相连通的集水检测装置。
12.进一步地：所述集水检测装置包括电子秤、以及放置在所述电子秤上的集水箱。
13.进一步地：所述模型试验箱上下分体可拆式包括上部模型箱和下部模型箱，所述下部模型箱内设置可与所述伺服加载系统连接配合的第二固定孔。
14.进一步地：所述上部模型箱和所述下部模型箱之间的连接处设置有垫片。
15.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
16.本实用新型在对土工管袋水下填充的试验过程中，可通过数据采集模块与电液伺服加载系统的变化实时采集土工管袋脱水过程中高度变化情况，并基于土工管袋高度数据，定性转化为土工管袋的排水量、排水速率数据，最终总结得到土工管袋在水环境及上覆荷载条件下的脱水及受力特性，能够对工程设计提供直观依据，从而得到实际工程中的预先尺度把握，确保土工管袋水下填充的安全性。
附图说明
17.图1为本实用新型上覆荷载工况系统的整体结构示意图；
18.图2为本实用新型自重脱水工况系统的整体结构示意图；
19.图3为本实用新型组合模型试验箱的爆炸结构示意图；
20.图4为本实用新型水环境下孔隙水压力变化示意图；
21.图5为本实用新型水环境下土工管袋高度的变化示意图。
22.附图中的标记为：1-上部模型箱，11-螺丝，12-螺母，2-起吊钩，3-垫片，4-下部模型箱，41-线口，5-电液伺服加载系统，6-加载板，71-连接梁、72-固定孔，8-第一排水阀门，9-第二排水阀门，10-土工管袋，11-孔隙水压力计，12-应变片，13-集水箱，14-电子秤，15-模型试验箱。
具体实施方式
23.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。
24.如图1-图5所示，本实施例提供一种土工管袋模拟在水下填充并上覆荷载情况下的脱水试验装置，该脱水试验装置可明确土工管袋在相应条件下的排水量、排水速率。
25.该脱水试验装置包括模型试验箱15、以及进行模拟实验的土工管袋10，并以此配备数据采集模块，模型试验箱15内部形成供土工管袋10放置的试验区16；土工管袋10内部连接设置灌浆装置，土工管袋10位于试验区16的底部，模拟底层土工管袋；试验区16在充水条件下模拟土工管袋10所在的水环境，以此通过数据采集模块对土工管袋10在水下填充工况下脱水特性监测；试验区16上方可拆卸连接设置伺服加载系统5，伺服加载系统5在其下
方伸缩连接设置加载板6，伺服加载系统5和加载板6模拟土工管袋10上方的土工管袋荷载，并通过伺服加载系统5施压模拟土工管袋10上方的土工管袋荷载在往内部填充过程中对土工管袋10的荷载变化，经由数据采集模块对土工管袋10在上覆荷载工况下的脱水特性监测。
26.本实施例中，对脱水特性的监测包括对土工管袋10排水量、排水速率的监测，其排水量通过土工管袋10的高度来间接反映，同时可间接得到土工管袋10的排水速率。
27.具体的，伺服加载系统5包括电液伺服作动器，以此模拟土工管袋10上方的土工管袋的填充过程，而非瞬间施加较大荷载；电液伺服作动器的两侧设置连接梁71，连接梁71端部与模型试验箱15内壁之间配合设置的第一固定孔72。本实施例中，第一固定孔72以及第二固定孔73皆为螺纹孔，连接梁71端部设置圆盘并在其上开设与螺纹孔配合的通孔，以此通过螺栓将伺服加载系统5与模型试验箱15连接固定。
28.其中，数据采集模块包括监测土工管袋10在无上覆荷载情况以及无水情况下高度变化的拉绳位移传感器；数据采集模块还包括在上覆荷载情况下，配备在伺服加载系统5内可监测土工管袋10高度变化的压力传感器与位移传感器。
29.拉绳位移传感器通过将一端固定在加载板6底部，其拉绳的一端连接固定在土工管袋10上表面，这时加载板6保持原来所在位置不动，从而可在土工管袋10脱水其表面高度下降后的拉绳情况，得到相应的土工管袋10无上覆荷载情况下自脱水的高度变化情况。压力传感器设置在加载板6内，当加载板6受到外力作用时，将对加载板6内压力传感器形成挤压，从而获得压力数据，而位移传感器则设置于电液伺服作动器调节伸缩的伸缩连杆部分处，当伸缩连杆每次进行伸长或缩短操作时便会对伸缩连杆的长度进行确认与输出，从而获得实时伸缩连杆的长度变化数据，当土工管袋10表面与加载板6接触后，两者将形成同步的位移变化，因此可通过伸缩连杆位移变化实时监测上覆荷载施加后土工管袋10高度的变化情况。
30.通过伸缩连杆进行土工管袋10高度监测的过程为：压力传感器在进入水环境时呈压力基本保持稳定，而在与土工管袋10接触的瞬间所得到的压力数值出现陡增，以此将通过位移传感器进行形成位移的初始值，此后加载板6将对土工管袋10提供稳定设定值的上覆压力，在此过程中土工管袋10高度将持续变化，直至实验结束，记录得到位移的终值，从而间接得到土工管袋10的高度变化情况。
31.其中，试验区16下方形成供土工管袋10内部填充并可使其充分扩展的区域。
32.其中，模型试验箱15侧壁设置第一排水阀门8。
33.如图1-5所示，本实施例还提供一种对土工管袋多方面检测的监测结构，该监测结构通过数据采集模块进行相应孔隙水压力、土工管袋10张拉力情况和排水量进行监测。
34.具体的，数据采集模块包括孔隙水压力计11和应变片12；孔隙水压力计11设置于土工管袋10内部，应变片12设置于土工管袋10表面，模型试验箱15侧壁上开设有仅供孔隙水压力计11和应变片12的导线穿过的线口41。线口41进而在穿过导线后进行封堵，避免模型试验箱15内的水流出，同时也可在水环境下避免需从模型试验箱15顶部穿线，导致在加压时容易对传感器的导线挤压，而影响数据的准确性。
35.其中，由于需要获得土工管袋10内不同高度处的孔隙水压力变化，因此定制三层铁架，在不同层分别布置孔隙水压力计11，可用绑扎方式布置连接，应变片12则位于土工管
袋10表面的纵轴线与横轴线上，布置方式为通过柔性胶水粘贴。
36.如图5所示，由于孔隙水压力计11固定于不同高度，因此不同位置孔隙水压力计11的静水压力也不同，以中部底层为例，在1米深水下孔隙水压力计11的水压最高达到9.5kpa，在约500s时开始进行填充，最终达到了约12kpa，当填充结束后，土工管袋10内土体开始排水，因此孔隙水压力开始消散，经过约1000s后孔压消散至10.2kpa。与之类似的，如图4所示，土工管袋10高度在填充后达到了200mm，随后呈现先快后慢的下降趋势，经过约2000s后稳定至100mm，从上述分析不难看出，在填充过程中土工管袋10高度变化与孔压变化基本一致，而在排水过程中，土工管袋10高度的下降时间略长于孔压下降时间，这是因为土工管袋10高度变化不仅由土体排水造成，当土体已基本结束排水阶段后，仍能侧向(四周)位移，从而进一步降低土工管袋10的高度。
37.其中，关于土工管袋10的扩张，相对由于排水造成的土工管袋10高度变化(对于室内试验为10cm)，土工管袋10扩张造成的高度变化(张拉使土工管袋10材料应变仅达到5％以内)可忽略不计。
38.如图2所示，本实施例还提供一种土工管袋在无水环境下脱水检测的脱水试验装置，该脱水试验装置相较于传统一体式的试验箱，一方面为了实现水环境下土工管袋10脱水试验，需要将模型试验箱15高度至少设计达到1.5m以上(模拟工程实际中10kpa以上的水压)，另一方面在进行无水环境脱水时，过高的模型试验箱15高度会对试验的准备与传感器安装带来不便(例如：1.电压220v的泥浆泵通常只能将泥浆送至0.6m-0.8m高度。2.将土工管袋10置于模型试验箱15内后，孔隙水压力计11和应变片12的导线可通过线口41中穿出，若在模型试验箱15内对所测土工管袋10进行无水情况或所测水面高度较低的有水情况时，可仅使用下部模型箱4进行实验，而操作时则可弯腰进行相应操作；而一体式的模型试验箱15需要借助梯子等工具翻越进入模型试验箱15内进行相同操作，费时费力)。
39.该脱水试验装置包括在模型试验箱15底部设置支脚，形成放置区域；并以此在模型试验箱15底部设置第二排水阀门9，同时在放置区域内放置与第二排水阀门9的出口处相连通的集水检测装置。
40.具体的，模型试验箱15上下分体可拆式包括上部模型箱1和下部模型箱4，下部模型箱4内设置可与伺服加载系统5连接梁71连接配合的第二固定孔73。
41.其中，上部模型箱1为上下均开口的铁质长方体，下部模型箱4为上部开口的铁质长方体，上部模型箱1底部向外延伸设置2cm的上连接板，下部模型箱4在其开口处向外延伸设置2cm的下连接板，并在上连接板与下连接板皆间隔开设螺丝孔，同时上连接板与下连接板中的螺丝孔相互连通，结合可与螺丝孔配合的螺丝11以及螺母12，从而将上部模型箱1与下部模型箱4连接。上部模型箱1顶部设置起吊钩2可进行上部模型箱1与下部模型箱4的分离、以及搬运。
42.以此通过上部模型箱1和下部模型箱4以及伺服加载系统5的便捷拆装即可解决上述问题。在进行无水环境试验时只需使用下部模型箱4，并将伺服加载系统5与连接梁71安装在第二固定孔73上，即可对土工管袋10施加任意大小的上覆荷载。
43.其中，上连接板与下连接板之间设置有垫片3。垫片3可采用橡胶材质。
44.具体的，集水检测装置包括电子秤14、以及放置在电子秤14上的集水箱13。以此进行无水情况下脱水量的检测。
45.本实施例提供该脱水试验装置可实现上覆荷载范围的公式，具体公式如下：
46.p
max
＝f/a
47.式中，f为加载系统最大荷载，a为加载接触面积，即加载板6的面积。
48.本实施例中设伺服加载系统的最大荷载为30kn，加载板6的尺寸为0.6m
×
0.8m(长
×
宽)，则最大压强p
max
可达到：
49.p
max
＝f/a＝30000/0.6/0.8＝62.5kpa
50.由上述公式可知，最大可模拟上覆压强为62.5kpa，土工管袋10内土体由于其有较高含水率，因此重度γ约为1300kg/m3，因此伺服加载系统5可最大模拟4.8m高度的上覆土工管袋超压。
51.请参阅图1-5，在进行土工管袋10脱水特性实验时，具体操作方式如下：
52.s1：综合考虑土工管袋10模型、上部模型箱1、下部模型箱4尺寸，从而对应确定垫片3尺寸和可模拟最大超压水平；
53.s2：在下部模型箱4中放置土工管袋10并连接相关孔隙水压力计11、应变片12，打开第一排水阀门8并将土工管袋10内的传感器导线从线口41穿出，来将导线与电脑电性连接。
54.s3：若进行无水环境上覆荷载的传统土工管袋10脱水试验，则将电液伺服加载系统吊装于下部模型箱内并安装连接，随后通过泥浆泵向土工管袋10中填充泥浆，随后土工管袋10开始排水，滤出液体通过打开的第二排水阀门9，在放置的集水箱13内进行收集并通过电子秤14实时称量；
55.当土工管袋10排水达到设计时间后，调整电液伺服加载系统的加载板6所在位置，在设定完毕荷载大小后即可进行上覆荷载施加。
56.s4：若进行考虑水环境与上覆荷载的土工管袋10脱水试验，则利用起吊机将下部模型箱4和上部模型箱1组装并连接，随后将电液伺服加载系统5吊装于上部模型箱1内安装；
57.关闭第一排水阀门8和第二排水阀门9，并通过水管往模型试验箱15内充水达到合适高度；
58.无上覆荷载情况下的排水速率的监测：利用泥浆泵往土工管袋10中填充泥浆，从而使土工管袋10进行排水，通过拉绳位移传感器观察土工管袋10的高度变化，即可间接观测土工管袋10的排水速率；
59.上覆荷载情况下的排水速率的监测：当土工管袋10排水达到设计时间后，调整电液伺服加载系统5的加载板6位置，在设定完毕荷载大小后即可进行上覆荷载施加，促使土工管袋10加速排水，基于位移传感器观察电液伺服加载系统5中加载板6的位移变化即可得到土工管袋10的高度变化，对排水量数据进行排水量/时间的计算操作即可间接观测土工管袋10的排水速率。
60.以上实施例仅为本实用新型的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本实用新型的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种土工管袋水下填充并上覆荷载的脱水试验装置，其特征在于：包括模型试验箱(15)、以及进行模拟实验的土工管袋(10)，并以此配备数据采集模块，所述模型试验箱(15)内部形成供所述土工管袋(10)放置的试验区(16)；所述土工管袋(10)连接设置灌浆装置，所述土工管袋(10)位于所述试验区(16)的底部，模拟底层土工管袋；所述试验区(16)在充水条件下模拟所述土工管袋(10)所在的水环境，以此通过所述数据采集模块对所述土工管袋(10)在水下填充工况下的脱水特性监测；所述试验区(16)上方可拆卸连接设置伺服加载系统(5)，所述伺服加载系统(5)在其下方伸缩连接设置加载板(6)，所述伺服加载系统(5)和所述加载板(6)模拟所述土工管袋(10)上方的土工管袋荷载，并通过所述伺服加载系统(5)施压模拟所述土工管袋(10)上方的土工管袋在往内部填充过程中对所述土工管袋(10)的荷载变化。2.根据权利要求1所述的一种土工管袋水下填充并上覆荷载的脱水试验装置，其特征在于：所述模型试验箱(15)侧壁设置第一排水阀门(8)。3.根据权利要求1所述的一种土工管袋水下填充并上覆荷载的脱水试验装置，其特征在于：所述伺服加载系统(5)包括电液伺服作动器，以此模拟所述土工管袋(10)上方的土工管袋的填充过程；所述电液伺服作动器的两侧设置连接梁(71)，所述连接梁(71)端部与所述模型试验箱(15)内壁之间配合设置的第一固定孔(72)。4.根据权利要求1所述的一种土工管袋水下填充并上覆荷载的脱水试验装置，其特征在于：所述试验区(16)下方形成供所述土工管袋(10)内部填充并可使其充分扩展的区域。5.根据权利要求1所述的一种土工管袋水下填充并上覆荷载的脱水试验装置，其特征在于：所述数据采集模块包括配备在所述伺服加载系统(5)内可监测所述土工管袋(10)高度变化的压力传感器与位移传感器。6.根据权利要求1所述的一种土工管袋水下填充并上覆荷载的脱水试验装置，其特征在于：所述模型试验箱(15)还可对所述土工管袋(10)进行无水环境下的脱水检测；所述模型试验箱(15)底部设置有支脚，形成放置区域；并以此在所述模型试验箱(15)底部设置第二排水阀门(9)，同时在所述放置区域内放置与所述第二排水阀门(9)的出口处相连通的集水检测装置。7.根据权利要求6所述的一种土工管袋水下填充并上覆荷载的脱水试验装置，其特征在于：所述集水检测装置包括电子秤(14)、以及放置在所述电子秤(14)上的集水箱(13)。8.根据权利要求6所述的一种土工管袋水下填充并上覆荷载的脱水试验装置，其特征在于：所述模型试验箱(15)上下分体可拆式包括上部模型箱(1)和下部模型箱(4)，所述下部模型箱(4)内设置可与所述伺服加载系统(5)连接配合的第二固定孔(73)。9.根据权利要求8所述的一种土工管袋水下填充并上覆荷载的脱水试验装置，其特征在于：所述上部模型箱(1)和所述下部模型箱(4)之间的连接处设置有垫片(3)。

技术总结
本实用新型提供了一种土工管袋水下填充并上覆荷载的脱水试验装置，包括模型试验箱、以及进行模拟实验的土工管袋，并以此配备数据采集模块，所述模型试验箱内部形成供所述土工管袋放置的试验区；所述土工管袋内部连接设置灌浆装置，所述土工管袋位于所述试验区的底部，模拟底层土工管袋；所述试验区在充水条件下模拟所述土工管袋所在的水环境。本实用新型实时采集土工管袋脱水过程中高度变化情况，并基于土工管袋高度数据，定性转化为土工管袋的排水量、排水速率数据，最终总结得到土工管袋在水环境及上覆荷载条件下的脱水及受力特性，能够对工程设计提供直依据，从而得到实际工程中的预先尺度把握，确保土工管袋水下填充的安全性。全性。全性。


技术研发人员：陈文江 朱沈鸣 王强 张华 史吏 李建雄 王建华 范柯杰 王华春 金琛
受保护的技术使用者：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/8/17