CN106018229A - 一种土体渗流过程和变形特征试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土体渗流过程和变形特征试验装置及试验方法，该装置分为三个部分，第一部分为试验装置，包括有机玻璃圆筒、有机玻璃圆盖、海绵、透水石；第二部分为测量装置，包括陶瓷张力计、微型土压力盒、孔隙水压力计、含水率测试仪、刻度尺、应力应变测试仪；第三部分为降雨装置，包括水箱、增压泵、电子流量控制器、喷头。以上三个部分结合紧密、共同工作。通过降雨装置模拟对土体的降雨过程，利用埋在不同土层的测量装置分别观测土体在渗流过程中土体内部孔隙率，孔隙水压力，含水率，土压力及其变形等一系列的变化，得到不同土体，在不同降雨强度条件下的渗流过程规律。
Description
技术领域
本发明涉及一种可以监测土体在降雨入渗过程中含水率、孔隙水压力、表面沉降以及土压力变化的试验装置，本发明可以用于分析不同土质、不同颗粒级配、不同降雨时间以及降雨强度对路堤边坡或路堑边坡内部渗流特征的影响。此发明还涉及该试验装置的使用方法。
背景技术
我国东南、西南部地区多为山地丘陵地貌，在降雨影响下滑坡时有发生。大量的统计资料显示，大部分山体滑坡都是发生在降雨期间或降雨之后，可见降雨引起的土体内部渗流场变化是导致边坡失稳的主要原因，因此在降雨过程中边坡内部的渗流过程一直是岩土工程界的研究重点。降雨引起的渗流过程会引起土体孔隙水压力、含水率、土压力变化等一系列的改变，而不同类型土质、不同降雨强度以及降雨时间均会对上述渗流特征产生影响。本试验装置及其试验方法对土体渗流过程以及变形特征方面的研究具有重大的意义。
现有对土体进行室内模型试验的方法主要是对土体进行模拟降雨，测定土体在不同含水率下土体的一些强度指标，分析某几个特定含水率情况下的土体强度参数，而目前还没有可以对土体在渗流过程当中所产生的一系列持续性变化进行不间断监测的装置。因此设计一种可以实时监测在降雨入渗过程中土体含水率、孔隙水压力、表面沉降以及土压力变化的装置是十分必要的。
发明内容
本发明要解决的问题是设计一种观察土体渗流过程及其变形特征的试验装置，用于测定水流在单项渗流过程中土体内部孔隙水压力、含水率、变形及其应力变化，同时也可以考虑土体类型，颗粒级配组成对上述各特征变量的影响。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种土体渗流过程和变形特征试验装置，该装置分为三个部分，第一部分为试验装置，包括有机玻璃圆筒、有机玻璃圆盖、海绵、透水石；第二部分为测量装置，包括陶瓷张力计、土压力盒、孔隙水压力计、含水率测试仪、刻度尺、应力应变测试仪；第三部分为降雨装置，包括水箱、增压泵、电子流量控制器、喷头。以上三个部分结合紧密、共同工作。
所述的有机玻璃圆筒由刚度较高的有机玻璃制成，该圆筒的高度为800mm，内侧直径390mm，外侧直径400mm；将有机玻璃圆筒侧壁任意竖向位置钻8个直径为28mm的圆孔，第一个钻孔的圆心距离有机玻璃圆筒的底部为50mm，以第一个钻孔的圆心为参考点在竖向位置相邻两孔之间距离为80mm；在上述圆孔的对称位置钻8个直径为10mm的圆孔，这些圆孔设置完毕后在此列圆孔的最底部另钻有直径为15mm的圆孔作为进、泄水口。
所述有机玻璃圆盖直径为410mm，厚度为10mm，在降雨装置模拟降雨后，及时将圆盖设置在有机玻璃圆筒的顶部，防止水分的蒸发。
所述透水石设置在有机玻璃圆筒的底部，水分可以自由的通过而土颗粒却不能通过，防止土体堵塞底部圆孔从而保证进、泄水口的正常使用，该透水石的厚度为30mm。
所述陶瓷张力计其测量范围为0～100kPa,精度为2kPa，在每个直径为28mm圆孔处埋入陶瓷张力计，该张力计的显示表盘在有机玻璃圆筒的外部并用玻璃胶进行固定，注意陶瓷张力计必须固定牢固，防止试验时对土体产生扰动。
所述孔隙水压力计测量范围0～50kPa，精度0.04kPa,试验时每填土80mm埋入一个孔隙水压计，该装置的导线紧靠有机玻璃圆筒的侧壁并在该圆筒的顶部统一引出来，导线的另一端连接应力应变测试仪以便读取数据。
所述土压力盒测量范围0～50kP,精度0.04kPa,试验时每填土80mm时埋入一个土压力盒，该装置的导线紧靠有机玻璃圆筒的侧壁并在该圆筒的顶部统一引出来，导线的另一端连接应力应变测试仪以便读取数据。
所述含水率测试仪该仪器分为读数单元与测量单元，要求的测量含水率范围0～100％,精度为0.1％，有机玻璃圆筒的侧壁上每个直径为10mm的圆孔位置埋入该装置的测量单元，连接读数单元与测量单元之间的导线在圆孔处穿出并用玻璃胶将圆孔处密封，其读数单元在有机玻璃圆筒的外部。
所述刻度尺必须保证在填土过程中以及填土完成后的竖直，这样才能保证测量的土体沉降值准确。
所述模拟降雨的装置，包括水箱、电子流量控制器、喷头、增压泵，其中水箱由厚度为10mm的有机玻璃制成，容量达到12L，增压泵的最大压力6kPa，电子流量控制器控制范围20～200ml/min,精度1ml/min,喷头流量范围20～200ml/min，利用以上几种装置可以有效地的控制降雨的强度。
本发明提供一种土体渗流过程和变形特征试验装置及试验方法，试验步骤如下：
步骤一、检查试验装置是否完整可用，事先调节好降雨装置确保降雨强度为设计所需要的，并将降雨装置调整到合适的高度，准备试验所需要的土体；
步骤二、在有机玻璃圆筒的底部铺设上厚度为30mm的透水石，再将试验用的土体分层逐步的填入有机玻璃筒中；
步骤三、在填土过程中每当到达直径为28mm的圆孔时安装陶瓷张力计， 当到达直径为5mm的圆孔时安装含水率测试仪的测量单元，并且每填筑80mm厚的的土层分别埋设一个土压力盒和孔隙水压计，保证两者之间的水平距离为50mm；
步骤四、将含水率测试仪的读数单元与测量单元相连并调试好装置，并且将土压力盒和孔隙水压计分别与应力应变测试仪相连并调试好装置；
步骤五、将土体填筑完毕后，在土体的表面铺设一层10mm厚的海绵；
步骤六、将降雨装置放置于有机玻璃圆筒的上方，并根据试验前制定的方案对土体进行降雨；
步骤七、根据事先制定的试验方案，在降雨过程中土体渗流状态下，对土压力盒、含水率测试仪、陶瓷张力计、孔隙水压计、刻度尺等装置进行观测并记录数值，也可以通过有机玻璃圆筒观察土体中的浸润线变化状态；
步骤八、将试验完成的土样取出，重新调整土体类型或者颗粒级配组成，重复步骤二到步骤七。
采用上述技术方案的土体渗流过程及其变形特征试验装置及试验方法，本发明的创新之处在于：在试验装置有机玻璃圆筒的侧壁不同位置进行了打孔设计，这样可以通过安装在不同土层的设备对土体的渗流进行持续、全方位的观测，该试验装置真正实现了对土体渗流过程及其变形特征的研究需要。
本发明试验装置构造简单，成本低廉，拆装方便，可以重复利用。该试验装置可以研究不同土体类型，不同土体颗粒级配的渗流过程及其变形特征。此外模拟降雨装置调节简便、易于控制，可以模拟不同强度的降雨过程。试验装置的主体有机玻璃圆筒底部设置进、泄水口，以便调节所测试土体的初始水位，可以方便的实现对不同初始水位下土体渗流过程的观测。
附图说明
图1是本发明整体侧视图
图2是本发明有机玻璃圆筒的整体图
图3是本发明有机玻璃圆筒的正视图
图4是本发明有机玻璃圆筒的左视图
图5是本发明有机玻璃圆盖
图6是本发明降雨装置的整体图
具体实施方式
下面结合附图，详细说明一种土体渗流过程和变形特征试验装置的具体实施方式
如图1该装置主要包括有机玻璃圆筒(1)、有机玻璃圆盖(2)、海绵(3)、透水石(4)、陶瓷张力计(5)、土压力盒(6)、孔隙水压力计(7)、含水率测试仪(8)、刻度尺(9)、应力应变测试仪(10)、水箱(11)、增压泵(12)、电子流量控制器(13)、喷头(14)。在有机玻璃圆筒(1)的筒壁钻有一定数量的圆孔，这些圆孔用来安装陶瓷张力计(5)、含水率测试仪(8)等装置；在有机玻璃圆筒(1)的顶部设有水箱(11)、喷头(14)电子流量控制器(13)、增压泵(12)用来模拟降雨过程以及降雨的强度；有机玻璃圆筒(1)底部设有进、泄水口以便于调节所测土体的初始水位。
如图2、3、4有机玻璃圆筒由刚度较高的有机玻璃制成，该圆筒的高度为800mm，内侧直径390mm，外侧直径400mm；将有机玻璃圆筒侧壁任意竖向位置钻8个直径为28mm的圆孔，第一个钻孔的圆心距离有机玻璃圆筒的底部为50mm，以第一个钻孔的圆心为参考点在竖向位置相邻两孔之间距离为80mm；在上述圆孔的对称位置钻8个直径为10mm的圆孔，这些圆孔设置完毕后在此列圆孔的最底部另钻有直径为15mm的圆孔作为进、泄水口。
如图5有机玻璃圆盖直径为410mm，厚度为10mm，在装置模拟降雨后，及时将圆盖设置在有机玻璃圆筒的顶部，防止水分的蒸发。
如图6降雨装置，水箱由厚度为10mm的有机玻璃制成，容量达到12L，增压泵的最大压力6kPa，电子流量控制器控制范围20～200ml/min,精度1ml/min，喷头流量范围20～200ml/min。
本发明提供一种土体渗流过程和变形特征试验装置及试验方法，试验步骤如下：
步骤一、检查试验装置是否完整可用，事先调节好降雨装置确保降雨强度为设计所需要的，并将降雨装置调整到合适的高度，准备试验所需要的土体；
步骤二、在有机玻璃圆筒的底部铺设上厚度为30mm的透水石，再将试验用的土体分层逐步的填入有机玻璃筒中；
步骤三、在填土过程中每当到达直径为28mm的圆孔时安装陶瓷张力计，当到达直径为5mm的圆孔时安装含水率测试仪的测量单元，并且每填筑80mm厚的的土层分别埋设一个土压力盒和孔隙水压计，保证两者之间的水平距离为50mm；
步骤四、将含水率测试仪的读数单元与测量单元相连并调试好装置，并且将土压力盒和孔隙水压计分别与应力应变测试仪相连并调试好装置；
步骤五、将土体填筑完毕后，在土体的表面铺设一层10mm厚的海绵；
步骤六、将降雨装置放置于有机玻璃圆筒的上方，并根据试验前制定的方案对土体进行降雨；
步骤七、根据事先制定的试验方案，在降雨过程中土体渗流状态下，对土压力盒、含水率测试仪、陶瓷张力计、孔隙水压计、刻度尺等装置进行观测并记录数值，也可以通过有机玻璃圆筒观察土体中的浸润线变化状态；
步骤八、将试验完成的土样取出，重新调整土体类型或者颗粒级配组成，重复步骤二到步骤七 。
Claims (7)
1.一种土体渗流过程和变形特征试验装置，其特征在于：该装置主要包括：有机玻璃圆筒(1)、有机玻璃圆盖(2)、海绵(3)、透水石(4)、陶瓷张力计(5)、土压力盒(6)、孔隙水压力计(7)、含水率测试仪(8)、刻度尺(9)、应力应变测试仪(10)、水箱(11)、增压泵(12)、电子流量控制器(13)、喷头(14)；所述在有机玻璃圆筒(1)的筒壁钻有一定数量的圆孔，这些圆孔用来安装陶瓷张力计(5)、含水率测试仪(8)等装置；所述有机玻璃圆筒(1)的顶部设有水箱(11)、喷头(14)电子流量控制器(13)、增压泵(12)用来模拟降雨过程以及降雨的强度；所述有机玻璃圆筒(1)底部设有进、泄水口以便于调节所测土体的初始水位；所述有机玻璃圆筒(1)底部设有透水石防止土颗粒堵塞有机玻璃圆筒的进、泄水口。
2.根据权利要求1所述一种土体渗流过程和变形特征试验装置，其特征在于：有机玻璃圆筒(1)由刚度较高的有机玻璃制成，该圆筒的高度为800mm，内侧直径390mm，外侧直径400mm；将有机玻璃圆筒(1)侧壁任意一个竖直方向上钻8个直径为28mm的圆孔，第一个钻孔的圆心距离有机玻璃圆筒(1)的底部为50mm，以第一个钻孔的圆心为参考点在竖向位置相邻两孔之间距离为80mm；在上述圆孔的对称位置钻8个直径为10mm的圆孔，这些圆孔设置完毕后在此列圆孔的最底部另钻有直径为15mm的圆孔作为进、泄水口。
3.根据权利要求1所述一种土体渗流过程和变形特征试验装置，其特征在于：陶瓷张力计(3)其测量范围为0～100kPa,精度为2kPa，在每个直径为28mm圆孔处埋入陶瓷张力计(3)，该张力计的显示表盘在有机玻璃圆筒的外部并用玻璃胶进行固定，确保陶瓷张力计(3)固定牢固，防止在试验时对土体产生扰动。
4.根据权利要求1所述一种土体渗流过程和变形特征试验装置，其特征在于：孔隙水压力计(7)测量范围0～50kPa，精度0.04kPa,试验时每填土80mm时埋入一个孔隙水压计(5)，该装置的导线紧靠有机玻璃圆筒(1)的侧壁并在该圆筒的顶部统一引出来，导线的另一端连接应力应变测试仪(10)以便读取数据。
5.根据权利要求1所述一种土体渗流过程和变形特征试验装置，其特征在于：土压力盒测量范围0～50kP,精度0.04kPa,试验时每填土80mm时埋入一个土压力盒(5)，该装置的导线紧靠有机玻璃圆筒(1)的侧壁并在该圆筒的顶部统一引出来，导线的另一端连接应力应变测试仪(10)以便读取数据。
6.根据权利要求1所述一种土体渗流过程和变形特征试验装置，其特征在于：含水率测试仪分为读数单元与测量单元，要求测量含水率范围0～100％，精度为0.1％，有机玻璃圆筒(1)的侧壁上每个直径为10mm的圆孔位置埋入该装置的测量单元，连接读数单元与测量单元之间的导线在圆孔处穿出并用玻璃胶将圆孔处密封，其读数单元在有机玻璃圆筒(1)的外部。
7.根据权利要求1所述模拟降雨的装置，包括水箱(11)、电子流量控制器(13)、喷头(14)、增压泵(12)，其特征是：水箱有厚度为10mm的有机玻璃制成，容量达到12L以上，增压泵的最大压力6kPa，电子流量控制器控制范围20～200ml/min,精度1ml/min,利用以上几种装置可以有效地的控制降雨的强度。
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