【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于岩土工程，具体涉及了一种超重力强降雨模拟装置及降雨模拟方法。
技术介绍
1、降雨是诱发岩土体灾变最典型、最重要的气候条件之一，在边坡稳定、膨胀土干湿循环、浅基础破坏和路堤变形等问题中均是十分重要的边界条件。降雨诱发岩土体灾变的空间尺度大(区域范围)、时间跨度长(季节干湿循环等)，难以实现现场的完整观测，缩尺模型试验成为不可或缺的再现手段。离心机具有“缩尺”和“缩时”效应，利用它可模拟大尺度和长时间的原型降雨问题，完整重现边坡失稳过程。通过离心机重力加速度倍数n为100时，模型缩尺为实际原型的1/100，岩土边坡模型模拟试验时间缩短为实际原型的1/1002。超重力条件下可以真实模拟降雨的机载装置，则是实现降雨离心模拟的关键。
2、目前用于离心试验机载降雨模拟装置主要通过特定类型的喷嘴，通过厂家提供的测试数据可知一定水压下喷嘴喷射液滴的粒径大小。结合水压计、流量计等原件，通过标定可实现定量模拟某一范围内的降雨强度和历时。在超重力试验中，为了使超重力环境下模型降雨强度与原型降雨强度等效，需要将试验模型降雨强度放大到原型降雨强度的n倍，然而受限于超重力离心机试验设备的特性，传统的利用外接压力泵提升水压来模拟降雨的方法常常受到诸多限制。其中包括压力泵供水压力较低、喷嘴要求过高等问题，这些限制导致无法在较高离心加速度g值下模拟强降雨。
技术实现思路
1、为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种超重力强降雨模拟装置及降雨模拟方法，以解决由于压力泵供水压
2、本专利技术采用的技术方案为：
3、一、一种超重力强降雨模拟装置：
4、包括进液模块和降雨模型箱；降雨模型箱中安装有土体模型，进液模块中存储有用于模拟降雨液体的粘滞流体，进液模块的出口与降雨模型箱的入口连通，进液模块用于向降雨模型箱的土体模型中喷淋速度可控的液体，以在超重力环境中对土体模型在降雨工况下的变形破坏过程进行模拟，进而还原真实降雨工况下原型土样的破坏性能。
5、所述的进液模块包括供水箱、外置压力泵、输水管、流量计、调压阀、第一水压传感器和第二水压传感；所述供水箱的出口通过输水管与降雨模型箱的进液口连通，从供水箱到降雨模型箱的输水管上依次设置有外置压力泵、流量计、第一水压传感器、调压阀和第二水压传感；
6、所述的供水箱内存储有粘滞流体，粘滞流体用于模拟降雨液体和土体模型内的孔隙流体，外置压力泵用于将供水箱中储存的粘滞流体输送至输水管中，流量计用于实时监测输水管内的流量，调压阀用于调节输水管内的液体压力，第一水压传感器和第二水压传感均用于实时监测输水管内的液体压力。
7、所述降雨模型箱包括箱体、喷液组件和土体模型；土体模型放置在箱体内部，喷液组件安装在箱体的顶部，喷液组件用于对土体模型喷淋液体，供水箱的液体经输水管后进入到喷液组件中，调压阀对经输水管的液体压力进行调节，进而对液体的喷淋速度进行调节以在超重力环境下模拟不同的降雨强度。
8、所述供水箱中粘滞流体的粘滞系数按照以下公式处理得到：
9、µv=n·µw
10、其中，µv表示供水箱中粘滞流体的粘滞系数；µw表示水的粘滞系数；n表示超重力环境下的离心加速度与重力加速度的比值。
11、二、一种超重力强降雨模拟试验方法，包括以下步骤：
12、步骤s1、首先往供水箱内注入粘滞流体，在常重力下并启动供水箱和外置压力泵，使得供水箱中的粘滞流体经输水管流入降雨模型箱中；
13、步骤s2、利用调压阀调节输水管中的液体压力，同时利用第一水压传感器和第二水压传感实时监测输水管内的液体压力，当输水管内的液体压力达到设定的液压目标值并稳定后，开始进行常重力下的降雨模拟试验，得到降雨模型箱内的降雨强度；
14、步骤s3、改变液压目标值，重复多次步骤s2，获得不同液压目标值下的降雨强度，以设定的液压目标值作为横坐标，以液压目标值对应的降雨强度作为纵坐标绘制粘滞流体的液压-降雨强度关系曲线；
15、步骤s4、将装置整体吊入土工离心机中，进行超重力环境下的离心降雨模拟试验；
16、步骤s5、在离心降雨模拟试验中对降雨模型箱内的土体模型进行微观观测以得到土体模型在不同位置处的微观特性，进而还原真实工况下的原型土样在降雨工况下的破坏性能，并获取降雨强度和原型土样破坏性能之间的传递规律。
17、所述的降雨模拟试验具体为：当经调压阀调压后的输水管中液体达到设定液压目标值并稳定后，降雨模型箱顶部的喷液组件开始向土体模型稳定喷淋液体，接着观测土体模型在喷淋液体过程中的微观特性，同时记录单位时间内的喷淋液体量作为降雨模型箱的降雨强度。
18、所述步骤s4的具体步骤如下：
19、首先，将装置整体吊入土工离心机中并固定，启动土工离心机，将土工离心机的离心加速度逐渐提高至预设的ng并持续预设时间，并在ng超重力下启动供水箱和外置压力泵，使得供水箱中的粘滞流体经输水管流入降雨模型箱中，接着，利用调压阀调节输水管中的液体压力，同时利用第一水压传感器和第二水压传感实时监测输水管内的液体压力，当输水管内的液体压力达到设定的液压目标值并稳定后，开始进行超重力下的离心降雨模拟试验。
20、在所述ng超重力下，供水箱内的粘滞流体采用n倍水粘滞系数的粘滞流体。
21、所述步骤s4中，经调压阀调压后的输水管内设定的液压目标值按照以下方式处理得到：
22、首先，确定待模拟真实工况下原型土样的降雨强度qp，根据原型土样的降雨强度qp确定降雨模型箱内土体模型的目标降雨强度qm，接着利用粘滞流体的液压-降雨强度关系曲线得到目标降雨强度qm对应的液压作为设定的液压目标值，其中，原型土样的降雨强度qp和土体模型的目标降雨强度qm的关系表达式如下：
23、qm/qp= km/kp
24、km= kρng/µv
25、kp= kρg/µw
26、其中，km为ng离心加速度下的土体渗透系数；kp为常重力下的土体渗透系数；k表示土体固有渗透系数；ρ表示流体密度；g表示重力加速度；µv表示供水箱中粘滞流体的粘滞系数；µw表示水的粘滞系数。
27、本专利技术的原理如下：
28、在ng超重力试验下，水力梯度保持不变，水在土体模型与常重力下原型之间的渗透系数之比为：
29、km/ kp=(kρng/µ)/( kρg/µ)=n
30、其中，km为离心加速度下的土体渗透系数；kp为常重力下的土体渗透系数；k为土体固有渗透系数；ρ为流体密度；g为重力加速度；µ为水动力粘滞系数；ng表示离心加速度；
31、在边界条件相同的情况下，离心机中土体的渗透系数为常重力情况下土体渗透系数的n倍，那么降雨强度与土体渗透系数比尺相同，即：
32、qm/qp= n
33、其中，q本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超重力强降雨模拟装置，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的一种超重力强降雨模拟装置，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的一种超重力强降雨模拟装置，其特征在于：
4.根据权利要求2所述的一种超重力强降雨模拟装置，其特征在于：
5.一种应用于权利要求1-4任一所述装置的超重力强降雨模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种超重力强降雨模拟试验方法，其特征在于：
7.根据权利要求5所述的一种超重力强降雨模拟试验方法，其特征在于：
8.根据权利要求5所述的一种超重力强降雨模拟试验方法，其特征在于：
9.根据权利要求5所述的一种超重力强降雨模拟试验方法，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.一种超重力强降雨模拟装置，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的一种超重力强降雨模拟装置，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的一种超重力强降雨模拟装置，其特征在于：
4.根据权利要求2所述的一种超重力强降雨模拟装置，其特征在于：
5.一种应用于权利要求1-4任一所述装置的超重力强降雨模拟试验方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵宇，闫状，吴逸，柳景淳，张瑞，刘准，李卓徽，梁腾，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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