CN106226201A - 一种测试变角度条件下渗透破坏规律的装置及试验方法 - Google Patents

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CN106226201A CN201610824338.8A CN201610824338A CN106226201A CN 106226201 A CN106226201 A CN 106226201A CN 201610824338 A CN201610824338 A CN 201610824338A CN 106226201 A CN106226201 A CN 106226201A
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张强
刘楠楠
刘明维
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Abstract

一种测试变角度条件下渗透破坏规律的装置及试验方法。所述装置包括试样装载系统、前支架、后支架、上游水头施加系统、测压系统和固液分离称量系统。通过室内模型试验进行土体渗流试验，根据不同的渗流方向条件下土体的管涌规律与破坏规律，测定在管涌过程中渗流方向对土体相变临界条件、相变速率的影响以及对土体变形规律的影响。

Description

一种测试变角度条件下渗透破坏规律的装置及试验方法
技术领域
本发明涉及土木工程及水利工程中土体管涌过程中相变-本构相互作用规律的测试方法与测试装置，属于土体渗透破坏参数测试领域。
背景技术
管涌是在渗流作用下土体细颗粒沿骨架颗粒形成的孔隙被带出的现象，是渗流破坏的一种主要形式。土体是一种由大小不等的固体颗粒组成的多孔介质，在发生管涌时，土体中的固体颗粒在一定的水力条件下由原来的静止状态转变为运动状态。因此，管涌的发生就是部分土体发生相变的过程。管涌过程中土体的相变规律主要是相变的临界条件与相变速率。管涌的发生发展具有范围小、发展速度快、过程复杂，影响因素较多的特点。土体相变临界条件与相变速率不仅与土体本身、土体所受的应力状态相关，还与渗流方向密切相关。从细砂颗粒的受力上来讲，单个细颗粒所受到的力主要有重力、水流流动对颗粒产生的拖曳力、周围土体对其的支持力以及紊动或绕流时产生的上扬力。在不同的渗流方向下，其所受合力的大小以及方向都不同，对细颗粒的运移起到的作用也大不相同，宏观上即表现为渗流方向影响管涌的发生发展以及临界条件。而工程实际问题中，土体内潜在的渗流通道的大小、走向各不相同，表现出来的管涌规律也大不相同。因此，渗流方向影响管涌发生发展规律的测定是分析管涌发生发展规律，并对管涌进行预测预警以及防治的关键问题。
现有技术方法对管涌过程中土体相变的临界状态、相变速率等与土体和流体的物理性质之间的关系进行了一系列的研究，探索了土体相变规律与土体颗粒级配、密实度，以及渗流速度等之间的关系，但对渗流方向影响管涌发生发展的规律的测定还需更近一步的研究。
发明内容
本发明提出了一种在变角度条件下渗透破坏规律的测定方法和装置。本方法通过室内模型试验进行土体渗流试验，根据不同的渗流方向条件下土体的管涌规律与破坏规律，测定在管涌过程中渗流方向对土体相变临界条件、相变速率的影响以及对土体变形规律的影响。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种测试变角度条件下渗透破坏规律的装置，包括试样装载系统、前支架、后支架、上游水头施加系统、测压系统和固液分离称量系统。
所述试样装载系统包括有机玻璃套筒、顶板、上隔板、下隔板、底板、气缸、下缓冲区B、试样筒和上缓冲区A。
所述试样筒、下缓冲区B、上缓冲区A和气缸位于有机玻璃套筒内部。所述有机玻璃套筒的两端采用顶板和底板封堵。
所述上缓冲区A包括一个空心圆柱II。所述空心圆柱II一端敞口、一端封闭。所述空心圆柱II的封闭端与顶板接触。所述空心圆柱II的敞口端面向试样筒。
所述下缓冲区B包括一个空心圆柱I。所述空心圆柱I一端敞口、另一端为多孔板。所述空心圆柱I的敞口端面向试样筒。
试验时，所述试样筒内部的试样区装入试样。所述空心圆柱I和空心圆柱II内部填充卵砾石。试样的两端均与卵砾石接触。
所述隔板I固定在试样筒和气缸之间。所述气缸的固定端与底板接触。所述气缸的伸缩端连接传动轴。所述传动轴穿过隔板I中央的通孔后，连接铝块。所述铝块与空心圆柱II的多孔板接触。
所述前支架和后支架分别位于试样装载系统的两侧。
所述前支架包括底座I和立柱I。所述立柱I的下端固定在底座I的上表面。所述立柱I上开有滑槽。
所述后支架包括底座II和立柱II。所述立柱II的的下端固定在底座II的上表面。
所述顶板和底板上均具有销孔。通过锁紧销I，将顶板上的销孔和滑槽连接。通过锁紧销II，将底板上的销孔和立柱II上的销孔连接。
所述上游水头施加系统包括水箱和管道I。所述管道I一端连接在水箱的底部、另一端穿入有机玻璃套筒并连接套管I。所述套管I穿过隔板I。
所述测压系统包括若干根测压管。这些测压管的一端均从有机玻璃套筒的外部，穿入到试样区中。
所述固液分离称量系统包括外桶、集砂桶、称量装置I、集水桶和称量装置II。
所述外桶的侧壁开有进水孔和出水孔。所述进水孔位于出水孔的下方。
所述集砂桶悬挂在固体称量装置下方。所述集砂桶位于所述外桶内部。所述集砂桶的侧壁开有进水孔。所述集砂桶上端敞口、下端由滤网封闭。
管道II的一端依次穿过外桶和集砂桶的进水孔、管道II的另一端与套管II连接。所述套管II的一端从有机玻璃套筒的外部穿入到空心圆柱II中。
所述集水桶悬挂在流体称量装置下方。所述集砂桶位于所述外桶外部。所述外桶的出水孔中流出的液体流入集水桶中。
本发明还公开一种采用上述装置的测试变角度条件下渗透破坏规律试验方法，包括以下步骤:
1)根据预设的土体颗粒组成与密实度制样，获得试验试样S。
2)将试样S放入所述的试样区。试样S置于下缓冲区B上，试样S与下缓冲区B之间设置透水隔砂滤网。
3)气缸与轴压控制装置相连。根据渗流方向，调整试样S的倾斜角度。
4)通过上游水头施加系统，向下缓冲区B施加稳定水头
5)操控轴力控制装置，通过传动轴向试样S底部施加恒定轴向压力。
6)保持轴向压力以及渗流方向不变，逐级增加上游水头，直至土体发生管涌破坏。
7)记录试样开始发生管涌时若干测压管的读数，得到土体相变临界水力梯度。
测量通过套管II7)排出的液体和固体质量，得到渗流量涌砂量随土体相变发展的变化规律
8)改变A～C中任意一个试验条件，重复试验：
A)改变试样倾斜角度，测量渗流方向对土体相变规律的影响。
B)改变轴向压力，测量应力状态对土体相变规律的影响。
C)制备不同的颗粒级配、密实度的试样S，测量颗粒级配、密实度对土体相变规律的影响。
进一步，所述空心圆柱I和空心圆柱II的敞口端，均采用透水隔砂网封闭。
进一步，空心圆柱I和空心圆柱II的直径与试样S相等。
进一步，所述空心圆柱II的底部或侧壁具有与套管I对接的通孔。
进一步，空心圆柱I内的卵砾石料击实后，其顶面与试样S底面平齐，击实后刚度远大于试样S刚度，且具有良好的透水性；
进一步，空心圆柱II内的卵砾石料击实后，其底面与试样(S)的顶面平齐，击实后刚度远大于试样S刚度，且具有良好的透水性。
进一步，试样S沿程埋设所述的若干根测压管，测压管外部缠有过水滤砂网。
进一步，步骤4)中，先将空压机调整输出气压，使得传动轴按照预设值给试样S施加轴压。再利用上游水头施加系统为试样S底部施加稳定的上游水头，试样S保持在定水头下排气饱和2小时以上。
进一步，步骤7)中：
土体在管涌过程中，保持轴向压力恒定，记录轴向位移随土体相变的发展。
通过记录的土体发生管涌破坏时的水力梯度值确定相变临界条件。
通过记录管涌破坏后，试样S底面的位移确定试样轴向应变随土体相变的变化规律。
本发明相对现有技术有如下有益效果：
1.实现了不同渗流方向条件下管涌过程中土体相变的临界状态即相变速率测定；
2.将渗流方向、轴压等因素结合在一起，综合研究其对管涌发生发展的影响。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明装置的结构示意图；
图3为本发明试样装载系统的结构示意图；
图4为图2的L部分的局部放大图；
图5为本发明涉及的改变渗流方向装置局部示意图
图6为本发明涉及的轴向压力加载系统示意图；
图7是本发明涉及的改变渗流方向装置示意图；
图8是本发明涉及的砂水分离装置示意图；
图9是本发明运行过程中试样的土体级配曲线图；
图10是本发明运行过程中不同渗流方向下渗流流速与水力梯度之间的关系曲线图；
图11是本发明运行过程中不同渗流方向下涌砂量与管涌时间之间的关系曲线图；
图12是本发明运行过程中不同干密度下渗流流速与水力梯度之间的关系曲线图；
图13是本发明运行过程中不同渗流方向下涌砂量与管涌时间之间的关系曲线图；
图中：有机玻璃套筒101、顶板1011、隔板I1012、隔板II1013、底板1014、气缸102、传动轴1021、位移百分表1022、空心圆柱I103、试样筒104、试样区1041、空心圆柱II105、套管I106、套管II107、前支架2、底座I201、立柱I202、滑槽2021、锁紧销I2031、后支架3、底座II301、立柱II302、锁紧销II2021、上游水头施加系统4、水箱401、管道I402、测压系统5、外桶601、集砂桶602、固体称量装置6021、集水桶603、流体称量装置6031、管道II603。上缓冲区A、下缓冲区B、试样S。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参加图2，本实施例公开一种测试变角度条件下渗透破坏规律的装置，包括试样装载系统、前支架2、后支架3、上游水头施加系统4、测压系统5和固液分离称量系统。
参见图3，所述试样装载系统包括有机玻璃套筒101、顶板1011、上隔板1012、下隔板1013、底板1014、气缸102、下缓冲区B、试样筒104和上缓冲区A。
所述试样筒104、下缓冲区B、上缓冲区A和气缸102位于有机玻璃套筒101内部。所述有机玻璃套筒101的两端采用顶板1011和底板1014封堵。实施例中，采用螺栓连接机玻璃套筒101、顶板1011和底板1014
所述上缓冲区A包括一个空心圆柱II105。所述空心圆柱II105一端敞口、一端封闭。所述空心圆柱II105的封闭端与顶板1011接触。所述空心圆柱II105的敞口端面向试样筒104。
参见图4，所述下缓冲区B包括一个空心圆柱I103。所述空心圆柱I103一端敞口、另一端为多孔板。所述空心圆柱I103的敞口端面向试样筒104。
所述空心圆柱I103和空心圆柱II105的敞口端，均采用透水隔砂网封闭。
试验时，所述试样筒104内部的试样区1041装入试样S。所述空心圆柱I103和空心圆柱II105内部填充卵砾石。空心圆柱I103内的卵砾石料击实后，其顶面与试样S底面平齐，击实后刚度远大于试样S刚度，且具有良好的透水性；
空心圆柱II105内的卵砾石料击实后，其底面与试样S的顶面平齐，击实后刚度远大于试样S刚度，且具有良好的透水性。
参见图4，所述隔板I1012固定在试样筒104和气缸102之间。所述气缸102的固定端与底板1014接触。所述气缸102的伸缩端连接传动轴1021。所述传动轴1021穿过隔板I1012中央的通孔后，连接铝块1022。所述铝块1022与空心圆柱II105的多孔板接触。
参见图2或6，所述前支架2和后支架3分别位于试样装载系统的两侧。
所述前支架2包括底座I201和立柱I202。所述立柱I202的下端固定在底座I201的上表面。所述立柱I202上开有滑槽2021。
所述后支架3包括底座II301和立柱II302。所述立柱II302的的下端固定在底座II301的上表面。
所述顶板1011和底板1014上均具有销孔。通过锁紧销I2031，将顶板1011上的销孔和滑槽2021连接。通过锁紧销II2021，将底板1014上的销孔和立柱II302上的销孔连接。值得说明的是，锁紧销I2031可以锁紧顶板1011与滑槽2021。
松开锁紧销I2031后，锁紧销I2031可以带着顶板1011在滑槽2021内上下滑动。同样，锁紧销II2021可以锁紧底板1014和立柱II302，松开锁紧销II2021后，底板1014可以绕锁紧销II2021转动。参见图6，调整锁紧销I2031的锁紧位置，以及前支架2和后支架3之间的距离，可以实现对试样S倾斜角度的调整。
所述上游水头施加系统4包括水箱401和管道I402。所述管道I402一端连接(接入)在水箱401的底部、另一端穿入有机玻璃套筒101并连接套管I106。所述套管I106穿过隔板I1012。所述空心圆柱II105的底部或侧壁具有与套管I106对接的通孔。。
所述测压系统5包括若干根测压管。这些测压管的一端均从有机玻璃套筒101的外部，穿入到试样区1041中。实施例中，试样沿程埋设所述的若干根测压管，测压管外部缠有过水滤砂网，防止细砂进入到测压管内部。
所述固液分离称量系统包括外桶601、集砂桶602、称量装置I6021、集水桶603和称量装置II6031。
所述外桶601的侧壁开有进水孔和出水孔。所述进水孔位于出水孔的下方。
所述集砂桶602悬挂在固体称量装置6021(拉力传感器)下方。所述集砂桶602位于所述外桶601内部。所述集砂桶602的侧壁开有进水孔。所述集砂桶602上端敞口、下端由滤网封闭。
管道II603的一端依次穿过外桶601和集砂桶602的进水孔、管道II603的另一端与套管II107连接。所述套管II107的一端从有机玻璃套筒101的外部穿入到空心圆柱II105中。
所述集水桶603悬挂在流体称量装置6031(拉力传感器)下方。所述集砂桶602位于所述外桶601外部。所述外桶601的出水孔中流出的液体流入集水桶603中。
实施例2：
本实施例公开一种采用实施例1所述装置的测试变角度条件下渗透破坏规律试验方法，其特征在于，包括以下步骤:
1)根据预设的土体颗粒组成与密实度制样，获得试验试样。
2)将试样放入所述的试样区。试样置于下缓冲区B上，试样与下缓冲区B之间设置透水隔砂滤网。
3)气缸与轴压控制装置(带控制系统的空压机)相连。根据渗流方向，调整试样的倾斜角度。本步骤中，根据预设渗流方向，调节销I(2031)的松紧程度从而上下调节试样(S)的前端高度，同时调节前后支架的距离，进而调整试样(S)的倾斜角度至预设角度；
4)通过上游水头施加系统，向下缓冲区B施加稳定水头；本步骤中，先将空压机调整输出气压，使得传动轴按照预设值给试样施加轴压。再利用上游水头施加系统为试样底部施加稳定的上游水头，试样保持在定水头下排气饱和2小时以上。
5)操控轴力控制装置，通过传动轴向试样底部施加恒定轴向压力。
6)保持轴向压力以及渗流方向不变，逐级增加上游水头，直至土体发生管涌破坏。
7)记录试样发生管涌时若干测压管的读数，得到土体相变临界水力梯度。
测量通过套管II107)排出的液体和固体质量，得到渗流量涌砂量随土体相变发展的变化规律
土体在管涌过程中，保持轴向压力恒定，记录轴向位移随土体相变的发展。
通过记录的土体发生管涌破坏时的水力梯度值确定相变临界条件。
通过记录管涌过程中，试样底面的位移确定试样轴向应变随土体相变的变化规律。
8)改变A～C中任意一个试验条件，重复试验：
A)改变试样倾斜角度，测量渗流方向对土体相变规律的影响。
B)改变轴向压力，测量应力状态对土体相变规律的影响。
C)制备不同的颗粒级配、密实度的试样，测量颗粒级配、密实度对土体相变规律的影响。
对照附图9～12，说明本发明涉及方法的应用实例。
如图9所示，本实施例所采用土体颗粒级配，试验时按照不同颗粒含量组成配制试样。
如表1所示，本实施例所采用的4种不同的干密度，在同一级配、渗流方向、轴压条件下，按照不同干密度配制试样。
表1：试验基本变量表；
试验分组 渗流方向：° 轴向压强：KPa 干密度
A1 0 120 1.92
A2 30 120 1.92
A3 60 120 1.92
A4 90 120 1.92
B1 90 120 1.89
B2 90 120 1.92
B3 90 120 1.94
B4 90 120 1.98
如图10所示，本实施例采用4种不同渗流方向，对土体试样进行测定，得到的土体水力梯度与渗流流速之间的关系。
如图11所示，本实施例采用4种不同渗流方向，对土体试样进行测定，得到的土体涌砂量与管涌发展时间之间的关系。
如图12所示，本实施例采用4种不同干密度，对土体试样进行测定，得到的土体水力梯度与渗流流速之间的关系。
如图13所示，本实施例采用4种不同干密度，对土体试样进行测定，得到的土体涌砂量与管涌发展时间之间的关系。

Claims (9)

1.一种测试变角度条件下渗透破坏规律的装置，其特征在于:包括试样装载系统、前支架(2)、后支架(3)、上游水头施加系统(4)、测压系统(5)和固液分离称量系统。
所述试样装载系统包括所述有机玻璃套筒(101)、顶板(1011)、上隔板(1012)、下隔板(1013)、底板(1014)、气缸(102)、下缓冲区(B)、试样筒(104)和上缓冲区(A)；
所述试样筒(104)、下缓冲区(B)、上缓冲区(A)和气缸(102)位于有机玻璃套筒(101)内部；所述有机玻璃套筒(101)的两端采用顶板(1011)和底板(1014)封堵；
所述上缓冲区(A)包括一个空心圆柱II(105)；所述空心圆柱II(105)一端敞口、一端封闭；所述空心圆柱II(105)的封闭端与顶板(1011)接触；所述空心圆柱II(105)的敞口端面向试样筒(104)；
所述下缓冲区(B)包括一个空心圆柱I(103)；所述空心圆柱I(103)一端敞口、另一端为多孔板；所述空心圆柱I(103)的敞口端面向试样筒(104)；
试验时，所述试样筒(104)内部的试样区(1041)装入试样；所述空心圆柱I(103)和空心圆柱II(105)内部填充卵砾石；试样的两端均与卵砾石接触；
所述隔板I(1012)固定在试样筒(104)和气缸(102)之间；所述气缸(102)的固定端与底板(1014)接触；所述气缸(102)的伸缩端连接传动轴(1021)；所述传动轴(1021)穿过隔板I(1012)中央的通孔后，连接铝块(1022)；所述铝块(1022)与空心圆柱II(105)的多孔板接触；
所述前支架(2)和后支架(3)分别位于试样装载系统的两侧；
所述前支架(2)包括底座I(201)和立柱I(202)；所述立柱I(202)的下端固定在底座I(201)的上表面；所述立柱I(202)上开有滑槽(2021)；
所述后支架(3)包括底座II(301)和立柱II(302)；所述立柱II(302)的的下端固定在底座II(301)的上表面；
所述顶板(1011)和底板(1014)上均具有销孔；通过锁紧销I(2031)，将顶板(1011)上的销孔和滑槽(2021)连接；通过锁紧销II(2021)，将底板(1014)上的销孔和立柱II(302)上的销孔连接；
所述上游水头施加系统(4)包括水箱(401)和管道I(402)；所述管道I(402)一端连接在水箱(401)的底部、另一端穿入有机玻璃套筒(101)并连接套管I(106)；所述套管I(106)穿过隔板I(1012)；
所述测压系统(5)包括若干根测压管；这些测压管的一端均从有机玻璃套筒(101)的外部,且测压管外侧包有一层过水透砂网，穿入到试样区(1041)中；
所述固液分离称量系统包括外桶(601)、集砂桶(602)、称量装置I(6021)、集水桶(603)和称量装置II(6031)；
所述外桶(601)的侧壁开有进水孔和出水孔；所述进水孔位于出水孔的下方；
所述集砂桶(602)悬挂在固体称量装置(6021)下方；所述集砂桶(602)位于所述外桶(601)内部；所述集砂桶(602)的侧壁开有进水孔；所述集砂桶(602)上端敞口、下端由滤网封闭；
管道II(603)的一端依次穿过外桶(601)和集砂桶(602)的进水孔、管道II(603)的另一端与套管II(107)连接；所述套管II(107)的一端从有机玻璃套筒(101)的外部穿入到空心圆柱II(105)中；
所述集水桶(603)悬挂在流体称量装置(6031)下方；所述集砂桶(602)位于所述外桶(601)外部；所述外桶(601)的出水孔中流出的液体流入集水桶(603)中。
2.一种采用权利要求1所述装置的测试变角度条件下渗透破坏规律试验方法，其特征在于，包括以下步骤:
1)根据预设的土体颗粒组成与密实度制样，获得试验试样(S)；
2)将试样(S)放入所述的试样区；试样(S)置于下缓冲区(B)上，试样(S)与下缓冲区(B)之间设置透水隔砂滤网；
3)气缸与轴压控制装置相连；根据预设渗流方向，调整试样(S)的倾斜角度；
4)通过上游水头施加系统，向下缓冲区(B)施加稳定水头
5)操控轴力控制装置，通过传动轴向试样(S)底部施加恒定轴向压力；
6)保持轴向压力以及渗流方向不变，逐级增加上游水头，直至土体发生管涌破坏；
7)记录试样开始发生管涌时若干测压管的读数，得到土体相变临界水力梯度；
测量通过套管II(107)排出的液体和固体质量，得到渗流量涌砂量随土体相变发展的变化规律
8)改变A～C中任意一个试验条件，重复试验：
A)改变渗流方向，测量渗流方向对土体相变规律的影响；
B)改变轴向压力，测量应力状态对土体相变规律的影响；
C)制备不同的颗粒级配、密实度的试样(S)，测量颗粒级配、密实度对土体相变规律的影响。
3.根据权利要求1或2所述的一种测试变角度条件下渗透破坏规律的装置，其特征在于：所述空心圆柱I(103)和空心圆柱II(105)的敞口端，均采用透水隔砂网封闭。
4.根据权利要求1或3所述的一种测试变角度条件下渗透破坏规律的装置，其特征在于：空心圆柱I(103)和空心圆柱II(105)的直径与试样(S)相等。
5.根据权利要求1所述的一种测试变角度条件下渗透破坏规律的装置，其特征在于：所述空心圆柱II(105)的底部或侧壁具有与套管I(106)对接的通孔。
6.根据权利要求1所述的一种测试变角度条件下渗透破坏规律的装置，其特征在于：空心圆柱I(103)内的卵砾石料击实后，其顶面与试样(S)底面平齐，击实后刚度远大于试样(S)刚度，且具有良好的透水性；
空心圆柱II(105)内的卵砾石料击实后，其底面与试样(S)的顶面平齐，击实后刚度远大于试样(S)刚度，且具有良好的透水性。
7.根据权利要求1所述的一种测试变角度条件下渗透破坏规律的装置，其特征在于：试样(S)沿程埋设所述的若干根测压管，测压管外部缠有过水滤砂网。
8.根据权利要求2所述的一种测试变角度条件下渗透破坏规律的试验方法，其特征在于：
步骤4)中，先将空压机调整输出气压，使得传动轴按照预设值给试样(S)施加轴压；再利用上游水头施加系统为试样(S)底部施加稳定的上游水头，试样(S)保持在定水头下排气饱和2小时以上。
9.根据权利要求2所述的一种测试变角度条件下渗透破坏规律的试验方法，其特征在于：步骤7)中：
土体在管涌过程中，保持轴向压力恒定，记录轴向位移随土体相变的发展；
通过记录的土体发生管涌破坏时的水力梯度值确定相变临界条件；
通过记录管涌过程中试样(S)底面的位移确定试样轴向应变随土体相变的变化规律。
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