CN104880396B - 外荷作用下土体二向渗流模型装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外荷作用下土体二向渗流模型装置及测试方法，可用于岩土工程渗流试验仪器制造。该装置包括容器箱、进排水系统、应力加载装置和底座，其中容器箱由活动隔板和活动滤网分隔为左室、中室和右室，左室通过上部接孔连接水箱，活动隔板用于调节渗径长度，容器箱左右两侧分别设置活动排水装置，用于调节左室和右室的水头差；应力加载装置用于改变作用在土样上的应力。该仪器可以测量不同竖向应力下土体的横向和竖向渗透系数，可以测试不满足达西渗透定律情况下土体水力坡降和渗流速度的关系，可以观测土体的流土、管涌、流网等现象。该装置功能齐全，构造简单，操作方便，测试精度高。

Description

外荷作用下土体二向渗流模型装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种岩土工程渗流测试装置和方法，具体为一种外荷作用下土体二向渗流模型装置及测试方法，属于岩土工程测试仪器制造技术领域。

背景技术

土的渗透能力是岩土工程的重要问题之一，土的渗透系数是反映土体渗透能力的指标。在土的边界条件和环境比较简单的情况下可以只考虑土的竖向渗流，但在工程上遇到的渗流问题，边界条件很复杂，水流形态往往是二向或三向的，比如常见的土坝渗流就属于多向渗流。然而，目前渗透系数通常由室内土工试验测得, 且认为所测得的渗透系数满足各向同性假设, 从而以实际测得的竖向渗透系数来代替水平方向渗透系数, 并用于渗透系数的空间变异性统计分析。显然，此方法误差比较大，难以满足工程需要。因此，需要设计一种简单易操作的试验装置来测量土体的二向渗流系数，以满足工程的需要。此外，工程中需要考虑压力对土体渗透系数的影响，现有仪器设备未能考虑压力对土体横向和竖向渗透系数的影响。在本发明的二向渗流模型装置中加入了应力加载装置，能够方便的测出不同压力下土体的横向和竖向渗透系数，进而可绘制压力与土体渗透系数的关系曲线，用来满足工程需要。

土体的渗透变形也是岩土工程研究的重要问题之一，按照渗透水流引起的局部破坏特征，土体的渗透变形分为流土和管涌两种基本型式。流土主要发生在地基或者土坝下游渗流逸出处，管涌主要发生在砂砾中。目前，室内试验中普遍用计算机程序对流土和管涌现象进行简单的模拟，还没有一个较好的方法把流土和管涌现象真实的呈现出来，无法形象的再现一些常见的因渗流引起的工程破坏，比如基坑开挖涌水涌砂现象、土坝渗水流土及管涌现象、河堤下游覆盖层下流砂涌出等现象。

水流在渗流场内的运动通常用流网表示。流网是在渗流场内由流线和等势线正交组成的网格，流线是指水沿水头降低方向运动的轨迹，在稳定流中轨迹上任一点的切线与该点的流动方向相重合；在各向同性介质中，等势线是与流线相互正交的等水位线。流网可以反映水在渗流场中的运动方向以及流动速度，流线愈密集，表明该处的水力坡降愈大，渗透速度也愈大；流线愈稀疏，则水力坡降愈小，流速也愈小。目前，人们通常用解析法、数值法和电拟法来绘制流网，但是这些方法比较复杂，不能在试验中进行形象的模拟。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种外荷作用下土体二向渗流模型装置及测试方法，可以用于测量不同压力下土体的横向和竖向渗透系数；可以模拟水在渗流场内的运动，进行渗流场流网模拟试验；可以观测土体渗透变形、流土、管涌及突涌现象；可以量测不满足达西渗透定律情况下土体水力坡降和渗流速度的关系。

为达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种外荷作用下土体二向渗流模型装置，包括三室容器箱、进排水系统、应力加载装置和底座；所述三室容器箱包括：容器箱、活动隔板、活动滤网、水箱；活动隔板和活动滤网均通过套槽与容器箱连接，套槽与活动隔板之间以及套槽和活动滤网之间设置海绵垫层，从而保证密封性；所述进排水系统包括顶进水孔、移动排水装置、体变管、下排水孔、底排水孔；所述顶进水孔安装在所述容器箱右侧的顶部，所述移动排水装置安装在容器箱的左右两侧，所述体变管安装在容器箱的右侧，所述体变管下端连接下排水孔，所述容器箱右室的底板中心开设底排水孔，在顶进水孔，下排水孔和底排水孔上分别装有阀门，在下排水孔和底排水孔与容器箱的内壁交接处贴有滤砂层；所述容器箱左室为密封容器室，且上部开设连接孔，用来连接水箱；所述底座包括框架、角钢、支架，所述角钢和支架固定在框架的四角上；应力加载装置通过螺栓孔A或螺栓孔B固定在底座上。

所述移动排水装置包含移动排水孔，钢片和钢片盒；所述移动排水孔安装于钢片上，移动排水孔与钢片间空隙用硅胶密封，移动排水孔上安装有阀门，在移动排水孔与容器箱的内壁交接处贴有滤砂层；两个钢片盒分别安装在容器箱的顶端和底端，钢片盒上安装旋杆，所述钢片通过旋杆卷进上下钢片盒内；在容器箱左侧壁中间和右侧壁中间开有竖向开口，在竖向开口的外侧设置有外槽，所述钢片通过外槽安装在竖向开口的外侧，在钢片外附有一层塑胶膜，在钢片和外槽之间设置海绵垫层，保证密封性。

所述应力加载装置包含钢架、气缸、活塞、应力控制面板、应力显示器；应力显示器与应力控制面板为一整体，应力控制面板粘结在钢架上，气缸焊接在钢架上，钢架下端设有螺栓，用于连接底座。

测量土体的横向渗透系数与土所受压力的关系时，把所有活动滤网调到容器箱底部，把所有活动隔板调到距容器箱底部50mm处，关闭容器箱两侧移动排水孔，关闭底部排水孔的阀门，关闭体变管的阀门，向中室放入土样，依次盖上容器盖、橡胶垫、载物台，把应力加载装置固定在底座上，让活塞与载物台接触，调节应力控制面板，使应力达到试验所需应力，稳定后，通过导管，把水箱安装在左室上部的接孔上，打开水箱的阀门向左室注水，等到右室的水位线超过100mm时，将右侧移动排水孔移到右侧水位线位置，并打开移动排水孔，待右侧移动排水孔排水均匀时，开始收集右侧移动排水孔排除的水，并计时。

在容器箱外表面上，在中间隔板的位置设有自下而上的刻度。

在底座的框架宽度方向有两个凹孔，使得钢片盒穿过底座；在底座的框架长度方向有螺栓孔A、螺栓孔B，螺栓孔A、螺栓孔B通过螺栓连接应力加载装置。

一种外荷作用下土体二向渗流模型的测试方法，包括如下步骤：

步骤一，准备步骤：首先按照试验要求将相应的土样装入容器箱，其次将应力加载装置通过螺栓孔A或螺栓孔B安装在仪器上，并设置压力，测量横向透系数时，把水箱安装在容器箱的左室上方，并通过水箱设置上游水头，测量竖向渗透系数时，直接从容器箱的右室上方的进水孔加水，最后调整出水孔位置；

步骤二，测量步骤：通过容量瓶收集流经土样的水，等水均匀流出时，记录流经土样的水流量和时间；

步骤三，计算步骤：对记录到的水流量数据和时间数据按照公式进行计算，得出渗透系数，其中k为渗透系数、V为水流量、L为渗径长度、A为试样横截面积、h为水头差、t为记录的时间。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：本发明外荷作用下土体二向渗流模型装置制作工艺简单，主体采用有机玻璃材质；仪器中间增加活动隔板和移动排水装置，可改变水流渗径长度以及左右两侧水头差。使用该仪器不仅可以测量不同压力下土体的横向和竖向渗透系数，进行渗流场流网模拟试验，观测土体渗透变形、流土、管涌等现象，还可量测不满足达西渗透定律情况下土体水力坡降和渗流速度的关系。该装置功能齐全，构造简单，操作方便，测试精度高。

附图说明

图1为外荷作用下土体二向渗流模型装置正面图；

图2为外荷作用下土体二向渗流模型装置左侧面图；

图3为外荷作用下土体二向渗流模型装置右侧面图；

图4为外荷作用下土体二向渗流模型装置俯视图；

图5为外荷作用下土体二向渗流模型装置底部仰视图；

图6为外荷作用下土体二向渗流模型装置的底座图；

图7为外荷作用下土体二向渗流模型装置的应力加载装置图；

图8为图2、图3中左右移动排水装置的详图；

图9为移动隔板和容器箱结合位置的俯视详图；

图10为方案一实施简图；

图11为方案二实施简图；

图12为方案三实施简图；

图13为方案四实施简图；

图14为方案五实施简图；

图15为方案六实施简图。

具体实施方式

下面结合附图所示，对本发明具体实施方式做以下说明。

如图1至图8所示，一种外荷作用下土体二向渗流模型装置，包括三室容器箱、进排水系统、应力加载装置22和底座25；所述三室容器箱包括：容器箱1、活动隔板5、活动滤网6、水箱43；活动隔板5和活动滤网6均通过套槽11与容器箱1连接，套槽11与活动隔板5之间以及套槽11和活动滤网6之间设置海绵垫层31，从而保证密封性；所述进排水系统包括顶进水孔15、移动排水装置7、体变管17、下排水孔18、底排水孔16；所述顶进水孔15安装在所述容器箱1右侧的顶部，所述移动排水装置7安装在容器箱1的左右两侧，所述体变管17安装在容器箱1的右侧，所述体变管17下端连接下排水孔18，所述容器箱1右室的底板中心开设底排水孔16，在顶进水孔15，下排水孔18和底排水孔16上分别装有阀门9，在下排水孔18和底排水孔16与容器箱1的内壁交接处贴有滤砂层10；所述容器箱1左室2为密封容器室，且上部开设连接孔41，用来连接水箱43；所述底座25包括框架27、角钢28、支架29，所述角钢28和支架29固定在框架27的四角上；应力加载装置22通过螺栓孔A39或螺栓孔B40固定在底座25上。

所述移动排水装置7包含移动排水孔8，钢片24和钢片盒13；所述移动排水孔8安装于钢片24上，移动排水孔8与钢片10间空隙用硅胶密封，移动排水孔8上安装有阀门9，在移动排水孔8与容器箱1的内壁交接处贴有滤砂层10；两个钢片盒13分别安装在容器箱1的顶端和底端，钢片盒13上安装旋杆14，所述钢片24通过旋杆14卷进上下钢片盒13内；在容器箱1左侧壁中间和右侧壁中间开有竖向开口，在竖向开口的外侧设置有外槽23，所述钢片24通过外槽23安装在竖向开口的外侧，在钢片24外附有一层塑胶膜30，在钢片24和外槽23之间设置海绵垫层31，保证密封性。

所述应力加载装置22包含钢架36、气缸35、活塞37、应力控制面板34、应力显示器33；应力显示器33与应力控制面板34为一整体，应力控制面板34粘结在钢架36上，气缸35焊接在钢架36上，钢架36下端设有螺栓38，用于连接底座25。

在容器箱1外表面上，在中间隔板5的位置设有自下而上的刻度12。

在底座25的框架27宽度方向有两个凹孔26，使得钢片盒24穿过底座25；在底座25的框架27长度方向有螺栓孔A39、螺栓孔B40，螺栓孔A39、螺栓孔B40通过螺栓38连接应力加载装置22。

本实施例中容器箱1尺寸长×宽×高为：1020mm×170mm×460mm，有机玻璃厚度为10±1mm；右室4的右侧距顶10mm处设置一个直径为10±1mm的顶进水孔15，右室4的右侧距底部10mm设有一个直径为10±1mm的下排水孔18，并连接一个高度为450±1mm直径为10±1mm的体变管17；右室4的底部中心位置设有直径为10±1mm的底排水孔16；左室2的上部中心位置设有直径为20±1mm的接孔41，通过导管42连接水箱43，水箱43尺寸长×宽×高为：300mm×170mm×400mm。

容器盖19厚度为10±1mm，橡胶垫20厚度为4±1mm，多孔板32厚度为4±1mm。

活动隔板5厚度为4±1mm，宽150±1mm，高450±1mm，活动滤网6厚度为2±1mm，宽150±1mm，高450±1mm；容器箱1的正表面上，在活动隔板5处，标有长度为450mm的毫米级刻度12，底部为刻度起点。

容器箱1左右两侧壁的中间开有宽度为20±1mm的竖向开口，移动排水孔8直径为20±1mm，弹簧钢片24厚度为1mm，长度为1000±1mm，宽度为30±1mm，表层附有1mm厚的塑胶模30，钢片盒13为边长80±1mm，厚度为40±1mm的正方形塑胶盒。

应力加载装置22包含钢架36、气缸35、活塞37、应力控制面板34、应力显示器33。钢架36下端设有螺栓38，螺栓直径为20±1mm。

底座25由钢框27、角钢28和支座29组成，钢框27外缘尺寸长×宽×厚为：1030mm×180mm×4mm，内缘尺寸长×宽×厚为：950mm×100mm×4mm；钢框27宽度方向有个凹孔26，长为40mm，宽为15mm；等边角钢28尺寸为长×高×厚为：10mm×10mm×3mm；支座29为长方体柱，高度为100±1mm，底面边长为15±1mm，4个支座29和4个角钢28分别焊接在钢框27的底部和上部，位置四个角各一个，底座25材质为不锈钢。

一种外荷作用下土体二向渗流模型的测试方法，包括如下步骤：

步骤一，准备步骤：首先按照试验要求将相应的土样装入容器箱1，其次将应力加载装置22通过螺栓孔A39或螺栓孔B40安装在仪器上，并设置压力，测量横向透系数时，把水箱43安装在容器箱1的左室2上方，并通过水箱43设置上游水头，测量竖向渗透系数时，直接从容器箱1的右室4上方的进水孔15加水，最后调整出水孔18位置；

步骤二，测量步骤：通过容量瓶收集流经土样的水，等水均匀流出时，记录流经土样的水流量和时间；

步骤三，计算步骤：对记录到的水流量数据和时间数据按照公式进行计算，得出渗透系数，其中k为渗透系数、V为水流量、L为渗径长度、A为试样横截面积、h为水头差、t为记录的时间。

实施例1：观察流网试验时，把左室2的活动隔板5和活动滤网6调到容器箱1底部，把右室4的活动隔板5调到合适位置，活动滤网6调到容器箱1底部，把容器箱1右侧排水孔8关闭，关闭底部排水孔16的阀门9，关闭体变管17的阀门9，分别向中室3和右室4放置适量的砂土（右室4的砂土高度应大于中室的砂土高度），在右侧砂的顶部与仪器正面壁的交接线上，均匀的插入五个针孔33，针孔中放置红色颜料，打开进水孔15观察水在渗流场中的渗流现象及流线图。

实施例2：观察土体的渗透变形试验时，对于流土现象：把左室2的活动隔板5和活动滤网6调到容器箱1底部，把右室4的活动隔板5和活动滤网6调到合适位置，把两侧排水孔8关闭，关闭底部排水孔16的阀门9，关闭体变管17的阀门9，分别向中室3和右室4放置适量的流土型土（右室的土体高度应大于中室的土体高度），在两侧土体的上部附一层石子，打开进水孔15，观察流土现象。把观察流土现象时使用的流土型土，换成颗粒相差较大的不均匀砂土，可以观察土的管涌现象，把上部的石子换成粘土，可以观察突涌现象。

实施例3：测量土体的横向渗透系数时，需把所有活动滤网6调到容器箱1底部，把所有活动隔板5调到距容器箱1底部50mm处，关闭容器箱两侧移动排水孔8，关闭底部排水孔16的阀门9，关闭体变管17的阀门9，向中室3放入高度50mm的土样，依次盖上容器盖19、橡胶垫20、载物台21，通过导管42，把水箱43安装在左室2上部的接孔41上，打开水箱43的阀门9向左室2注水，等到右室4的水位线超过100mm时，将右侧移动排水孔8移到右侧水位线位置，并打开移动排水孔8，待右侧移动排水孔排水均匀时，开始收集右侧移动排水孔排除的水，并计时。试验结束后，可以调节右侧移动排水孔的位置，改变水力坡降，观察渗流速度和水力坡降的关系。

实施例4：测量土体的横向渗透系数与土所受压力的关系时，需把所有活动滤网6调到容器箱1底部，把所有活动隔板5调到距容器箱1底部50mm处，关闭容器箱两侧移动排水孔8，关闭底部排水孔16的阀门9，关闭体变管17的阀门9，向中室3放入高度50mm的土样，依次盖上容器盖19、橡胶垫20、载物台21，把应力加载装置22固定在底座25的螺栓孔A39上，让活塞37与载物台21接触，调节应力控制面板34，使应力达到试验所需应力，稳定后，通过导管42，把水箱43安装在左室2上部的接孔41上，打开水箱43的阀门9向左室2注水，等到右室4的水位线超过100mm时，将右侧移动排水孔8移到右侧水位线位置，并打开移动排水孔8，待右侧移动排水孔排水均匀时，开始收集右侧移动排水孔排除的水，并计时。试验结束后，改变应力大小重复此实验，记录横向渗透系数与土所受压力的关系。

实施例5：测量土体的竖向渗透系数时，需把所有活动隔板5和活动滤网6调到容器箱1底部，把容器箱右侧的移动排水孔8关闭，关闭底部排水孔16的阀门9，打开体变管17的阀门9，向右室4内放入高度适中的土样，打开进水孔15向右室4注水，等水位线超过土样30mm到50mm时将右侧移动排水管8移到水位线位置，当体变管17的水位线稳定时，打开底部排水孔16的阀门9，待底部排水孔16排水均匀时，开始收集底部排水孔16排出的水，并计时。试验结束后，可以调节右侧移动排水孔8的位置，改变水力坡降，测得渗流速度和水力坡降的关系。

实施例6：测量土体的竖向渗透系数与土所受压力的关系时，需把所有活动隔板5和活动滤网6调到容器箱1底部，把容器箱右侧的移动排水孔8关闭，关闭底部排水孔16的阀门9，打开体变管17的阀门9，向右室4内放入高度适中的土样，在土样上面放置多孔板32，把应力加载装置22固定在底座25的螺栓孔B40上，让活塞37与多孔板32接触，调节应力控制面板34，使应力达到试验所需应力，稳定后，打开进水孔15向右室4注水，等水位线超过土样30mm到50mm时将右侧移动排水管8移到水位线位置，当体变管17的水位线稳定时，打开底部排水孔16的阀门9，待底部排水孔16排水均匀时，开始收集底部排水孔16排出的水，并计时。试验结束后，改变应力大小重复此实验，记录竖向渗透系数与土所受压力的关系。

Claims (5)

1.一种外荷作用下土体二向渗流模型装置，其特征在于，包括三室容器箱、进排水系统、应力加载装置（22）和底座（25）；所述三室容器箱包括：容器箱（1）、活动隔板（5）、活动滤网（6）、水箱（43）；活动隔板（5）和活动滤网（6）均通过套槽（11）与容器箱（1）连接，套槽（11）与活动隔板（5）之间以及套槽（11）和活动滤网（6）之间设置海绵垫层（31），从而保证密封性；所述进排水系统包括顶进水孔（15）、移动排水装置（7）、体变管（17）、下排水孔（18）、底排水孔（16）；所述顶进水孔（15）安装在所述容器箱（1）右侧的顶部，所述移动排水装置（7）安装在容器箱（1）的左右两侧，所述体变管（17）安装在容器箱（1）的右侧，所述体变管（17）下端连接下排水孔（18），所述容器箱（1）右室的底板中心开设底排水孔（16），在顶进水孔（15），下排水孔（18）和底排水孔（16）上分别装有阀门（9），在下排水孔（18）和底排水孔（16）与容器箱（1）的内壁交接处贴有滤砂层（10）；所述容器箱（1）左室（2）为密封容器室，且上部开设连接孔（41），用来连接水箱（43）；所述底座（25）包括框架（27）、角钢（28）、支架（29），所述角钢（28）和支架（29）固定在框架（27）的四角上；应力加载装置（22）通过螺栓孔A（39）或螺栓孔B（40）固定在底座（25）上；

所述应力加载装置（22）包含钢架（36）、气缸（35）、活塞（37）、应力控制面板（34）、应力显示器（33）；应力显示器（33）与应力控制面板（34）为一整体，应力控制面板（34）粘结在钢架（36）上，气缸（35）焊接在钢架（36）上，钢架（36）下端设有螺栓（38），用于连接底座（25）；

测量土体的横向渗透系数与土所受压力的关系时，把所有活动滤网（6）调到容器箱（1）底部，把所有活动隔板（5）调到距容器箱（1）底部50mm处，关闭容器箱两侧移动排水孔（8），关闭底部排水孔（16）的阀门（9），关闭体变管（17）的阀门（9），向中室（3）放入土样，依次盖上容器盖（19）、橡胶垫（20）、载物台（21），把应力加载装置（22）固定在底座（25）上，让活塞（37）与载物台（21）接触，调节应力控制面板（34），使应力达到试验所需应力，稳定后，通过导管（42），把水箱（43）安装在左室（2）上部的接孔（41）上，打开水箱（43）的阀门（9）向左室（2）注水，等到右室（4）的水位线超过100mm时，将右侧移动排水孔（8）移到右侧水位线位置，并打开移动排水孔（8），待右侧移动排水孔排水均匀时，开始收集右侧移动排水孔排除的水，并计时。

2.根据权利要求1所述的外荷作用下土体二向渗流模型装置，其特征在于，所述移动排水装置（7）包含移动排水孔（8），钢片（24）和钢片盒（13）；所述移动排水孔（8）安装于钢片（24）上，移动排水孔（8）与钢片（10）间空隙用硅胶密封，移动排水孔（8）上安装有阀门（9），在移动排水孔（8）与容器箱（1）的内壁交接处贴有滤砂层（10）；两个钢片盒（13）分别安装在容器箱（1）的顶端和底端，钢片盒（13）上安装旋杆（14），所述钢片（24）通过旋杆（14）卷进上下钢片盒（13）内；在容器箱（1）左侧壁中间和右侧壁中间开有竖向开口，在竖向开口的外侧设置有外槽（23），所述钢片（24）通过外槽（23）安装在竖向开口的外侧，在钢片（24）外附有一层塑胶膜（30），在钢片（24）和外槽（23）之间设置海绵垫层（31），保证密封性。

3.根据权利要求1所述的外荷作用下土体二向渗流模型装置，其特征在于，在容器箱（1）外表面上，在中间隔板（5）的位置设有自下而上的刻度（12）。

4.根据权利要求1所述的外荷作用下土体二向渗流模型装置，其特征在于，在底座（25）的框架（27）宽度方向有两个凹孔（26），使得钢片盒（24）穿过底座（25）；在底座（25）的框架（27）长度方向有螺栓孔A（39）、螺栓孔B（40），螺栓孔A（39）、螺栓孔B（40）通过螺栓（38）连接应力加载装置（22）。

5.一种外荷作用下土体二向渗流模型的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，准备步骤：首先按照试验要求将相应的土样装入容器箱（1），其次将应力加载装置（22）通过螺栓孔A（39）或螺栓孔B（40）安装在仪器上，并设置压力，测量横向透系数时，把水箱（43）安装在容器箱（1）的左室（2）上方，并通过水箱（43）设置上游水头，测量竖向渗透系数时，直接从容器箱（1）的右室（4）上方的进水孔（15）加水，最后调整出水孔（18）位置；

步骤二，测量步骤：通过容量瓶收集流经土样的水，等水均匀流出时，记录流经土样的水流量和时间；

步骤三，计算步骤：对记录到的水流量数据和时间数据按照公式进行计算，得出渗透系数，其中k为渗透系数、V为水流量、L为渗径长度、A为试样横截面积、h为水头差、t为记录的时间。