CN106546506A - 一种法向应力条件下土体接触冲刷的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种法向应力条件下土体接触冲刷的实验装置及方法，包括冲刷发生系统、围压提供系统、渗流驱动系统和数据采集系统，该发明基本工作原理为：围压提供系统向冲刷发生系统中的实验填料提供内围压，使实验填料与渗桶所的接触面上产生明确的法向压应力，同时控制渗流驱动系统向填料区提供具有稳定压力的渗流，不断提高渗流压力，直至实验填料在渗流的作用下发生接触冲刷破坏；变更内围压值重复实验过程，利用数据处理单元从记录在接触面处的接触冲刷临界水力坡降和其所对应的应力值；通过本装置及方法能够得出实验填料在确定的级配下接触冲刷破坏的临界比降与接触面上应力状态的关系。

Description

一种法向应力条件下土体接触冲刷的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种法向应力条件下土体接触冲刷的实验装置及方法，属于技术领域。

背景技术

接触冲刷现象是一种常见的渗透变形现象，它的产生与发展通常会给建筑物结构带来严重的安全隐患，其发生的机理一般认为是在两种渗透性质差异较大的材料接触面之间，如离散体材料与连续体材料之间存在集中的渗流缝隙，其中离散体材料颗粒由小到大在渗流的驱动作用下通过两者间的缝隙被逐渐带走的过程。

接触冲刷现象的形成本质从细观力学角度考虑应为土体颗粒在复合作用力影响下难以维系平衡所致，其主要驱动力成因比较明确，为由土体中渗流产生的渗透压力；其抗力为颗粒间的接触力或颗粒与连续材料间的接触力构成，抗力的成因比较复杂，与颗粒的几何条件，粒径、级配、力学状态、粘聚力、内摩擦角以及连续体材料的摩擦性质等均有密切关系。

目前对于接触冲刷的研究主要考虑渗透力与颗粒几何条件的关联性，即考虑渗透坡降与粒散体颗粒粒径的间接关系来判断接触冲刷的产生条件，对于颗粒间的力学状态考虑不多，不能全面反映其产生机制，近些年的研究表明颗粒间的接触力对接触冲刷现象的发生具有较大影响，本发明装置的目的旨在研究在确定作用力的影响下粒散体材料与连续体材料之间接触面区域发生接触冲刷现象的机制，并展示典型粒散体材料如土、砂等材料本身在破坏临界状态时其法向及切向应力状态与水力学条件之间的关系。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种法向应力条件下土体接触冲刷的实验装置及方法。

为达到上述目的，本发明提供一种法向应力条件下的土体接触冲刷的实验装置，包括冲刷发生装置、围压提供装置、渗流驱动装置和数据采集装置、工作平台；

所述冲刷发生装置包括顶盖、渗桶和底盖；所述顶盖密封连接所述渗桶的上端，所述渗桶的下端密封连接所述底盖，所述渗桶上开设有若干个均匀分布的传感器预留孔；

所述顶盖内设置有出水滤砂装置，所述顶盖上开设有渗水出水管预留孔和内围压排气管预留孔，所述渗水出水管预留孔和所述内围压排气管预留孔均位于所述出水滤砂装置的上方；

所述底盖内设置有进水滤砂装置，所述底盖上开设有渗水进水管预留孔和内围压进水管预留孔，所述渗水进水管预留孔和所述内围压进水管预留孔均位于所述进水滤砂装置的下方，所述底盖固定在所述工作平台上；

所述围压提供装置包括内围压充水加压稳压设备、筒状支撑骨架和密封乳胶膜，所述密封乳胶膜的外形为全封闭圆柱体，所述筒状支撑骨架套设在所述密封乳胶膜上，所述密封乳胶膜固定设置在所述渗桶内，所述围压提供装置与所述渗桶的轴线重合，所述内围压充水加压稳压设备通过所述内围压进水管预留孔连通所述密封乳胶膜的底部，所述内围压排气管预留孔连通所述密封乳胶膜的顶部；

所述渗流驱动装置包括进水装置和出水装置，所述进水装置包括进水管道、充水加压稳压设备，所述出水装置包括出水管道、稳压设备，所述充水加压稳压设备通过所述进水管道连通所述渗水进水管预留孔，所述稳压设备通过所述出水管道连通所述渗水出水管预留孔；

所述数据采集装置包括若干个孔隙水压力传感器和数据处理单元，所述传感器预留孔内均设置有至少一个所述孔隙水压力传感器，若干个所述孔隙水压力传感器均电连接所述数据处理单元。

优先地，所述顶盖、所述渗桶和所述底盖的外形均为圆柱体；所述内围压充水加压稳压设备包括内围压稳压水泵，所述稳压设备包括出水流速表和限压阀，所述充水加压稳压设备包括进水稳压水泵和进水流速表，所述进水稳压水泵、所述内围压稳压水泵的一端均连接水体，所述内围压稳压水泵的另一端依次通过所述内围压进水管预留孔连通所述密封乳胶膜，所述出水流速表依次连通所述限压阀、所述出水管道，所述进水稳压水泵的另一端依次连通所述进水流速表、所述进水管道；

所述顶盖包括若干个顶盖密封板紧固螺栓、若干个顶盖紧固螺栓、顶盖密封板和顶盖桶身，所述顶盖桶身为圆柱体，所述渗水出水管预留孔和所述内围压排气管预留孔位于所述顶盖密封板上，所述内围压排气管预留孔上设置有排气阀，所述顶盖桶身的顶部、所述顶盖桶身的底部和所述渗桶的顶部均分别固定设置有一法兰盘；所述顶盖密封板通过若干个所述顶盖密封板紧固螺栓固定连接所述顶盖桶身顶部的法兰盘，所述顶盖桶身底部的法兰盘通过若干个所述顶盖紧固螺栓密封固定连接所述渗桶顶部的法兰盘。

优先地，还包括实验填料，所述实验填料为粘土或沙，所述粘土或沙的粒径范围属于[0,2]毫米；所述底盖包括若干个底座紧固螺栓、若干个底盖紧固螺栓和底盖桶身，所述底盖桶身外形为圆柱体，所述渗水进水管预留孔和所述内围压进水管预留孔位于所述底盖桶身上，所述底盖桶身的顶部、所述底盖桶身的底部和所述渗桶的底部均分别固定设置有一法兰盘，所述底盖桶身顶部的法兰盘与所述渗桶底部的法兰盘通过若干个所述底盖紧固螺栓固定连接，所述底盖桶身底部的法兰盘通过若干个所述底盖紧固螺栓固定设置在所述工作平台上，所述实验填料设置在所述密封乳胶膜和所述渗桶之间。

优先地，所述进水滤砂装置包括进水花筒、进水反滤料和进水环形透水石，所述进水花筒为圆柱体，所述进水花筒的高度等于所述底盖桶身的高度，所述进水花筒同轴设置在所述底盖桶身中，所述进水花筒的顶部密封固定连接所述密封乳胶膜的底部；所述进水反滤料和所述进水环形透水石依次从下到上套设在所述进水花筒上，所述进水反滤料和所述进水环形透水石的内直径均等于所述进水花筒的外直径，所述进水反滤料和所述进水环形透水石的外直径均等于所述底盖桶身的内直径。

优先地，所述出水滤砂装置包括出水花筒、出水反滤料和出水环形透水石，所述出水花筒为圆柱体，所述出水花筒的顶部侧壁上开设有若干个等间距分布的小孔，所述出水花筒的高度等于所述顶盖桶身的高度，所述出水花筒同轴设置在所述顶盖桶身中，所述出水花筒的底部密封固定连接所述密封乳胶膜的顶部；所述出水反滤料和所述出水环形透水石依次从上到下套设在所述出水花筒上，所述出水反滤料和所述出水环形透水石的内直径均等于所述出水花筒的外直径，所述出水反滤料和所述出水环形透水石的外直径均等于所述顶盖桶身的内直径。

优先地，所述进水反滤料采用粒径大于3cm的碎石堆砌而成，所述进水反滤料的高度为10cm。

优先地，所述出水反滤料采用粒径大于3cm的碎石堆砌而成，所述出水反滤料的高度为5cm。

优先地，所述顶盖桶身、所述渗桶和所述底盖桶身材质均为亚克力的透明有机玻璃。

一种采用法向应力条件下土体接触冲刷的实验装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤一： 将底盖桶身用底座紧固螺栓固定在工作平台上；将进水花筒放入底盖桶身中，将密封乳胶膜的底部与进水花筒的顶部密封固定连接；在进水花筒与底盖桶身之间放入进水反滤料，然后在进水反滤料上压入进水环形透水石；

步骤二：将渗桶套在密封乳胶膜外侧，渗桶通过底盖紧固螺栓与底盖桶身固定连接，在每个传感器预留孔内安装孔隙水压力传感器，并将每个孔隙水压力传感器电连接数据处理单元；

步骤三：在渗桶与密封乳胶膜之间填入实验填料；

步骤四：将出水花筒的底部与密封乳胶膜的顶部密封固定连接后，将出水环形透水石压入出水花筒的外围，将顶盖桶身的底部通过顶盖紧固螺栓固定连接渗桶的顶部，将内围压充水加压稳压设备连通密封乳胶膜；在出水花筒外围放入出水反滤料，然后将顶盖密封板通过顶盖密封板紧固螺栓固定连接顶盖桶身顶部；

步骤五：用内围压稳压水泵通过进水管道向密封乳胶膜内注水直至密封乳胶膜内的空气从内围压排气管预留孔完全排除，然后关闭排气阀；通过内围压稳压水泵调节密封乳胶膜的内围压值为q_a并保持恒定；

步骤六：将稳压设备连通渗水出水管预留孔，将充水加压稳压设备连通渗水进水管预留孔；进水稳压水泵通过渗水进水管预留孔向密封乳胶膜与渗桶之间注水，直至完全淹没实验填料和渗桶；

步骤七：通过进水稳压水泵调节渗水进水管预留孔的水压为h1，通过限压阀调节渗水出水管预留孔的水压为h2，获得渗水进水管预留孔与渗水出水管预留孔的水压差h1-h2h1＞h2；

步骤八：调节渗水出水管预留孔的水压h2为定值，h2的范围为0.03Mpa-0.07Mpa；调节渗水进水管预留孔处的压力h1，水压h1从0Mpa起调，持续增大h1，递增值范围为0.001-0.005Mpa/min，直到通过出水流速表监测到渗水出水管预留孔的流量突然增大，同时可以透过渗桶观察到实验填料在渗桶内壁上出现分层脱离的现象，此时可以确定接触冲刷现象已经发生；

步骤九：全程通过数据处理单元记录孔隙水压力传感器的值，并记录进水稳压水泵的水压值、流量和流速值，记录出水稳压水泵的水压值、流量和流速值；

步骤十：根据渗水进水管预留孔的水压值、渗水出水管预留孔的水压值、均布的孔隙水压力传感器的孔压值并利用公式J=ΔH/L来推算接触面上均布的坡降值；

J—接触面上的水力坡降；

ΔH—孔隙水压力传感器任意两点间的孔压差；

L—ΔH计算时孔隙水压力传感器任意两点间的距离；

步骤十一：当实验填料为沙时，渗桶、密封乳胶膜的截面形状为轴对称结构的弹性体应力通解为：

设ϭ_r为渗桶与实验填料外围接触面上的径向应力，ϭ_θ为渗桶外直径上与实验填料接触面上的法向应力，τ_rθ、τ_θr分别为为实验填料内的径向剪切力和切向剪应力，a为密封乳胶膜与渗桶的横向环形截面的内直径，b为密封乳胶膜与渗桶的横向界面形成的圆环的外直径，q_a为密封乳胶膜的内围压值，q_b为渗桶外直径上与实验填料的外围压值，A、B、C为任意常数，r包含于[a,b]；

公式（01）

渗桶和密封乳胶膜的横向环形截面受压结构边界条件为：

公式（02）

带入公式（01），另根据位移单位条件B=0求得：

公式（03）

公式（04）

将（04）带入（01）可得：

公式（05）

在接触面处r=b则由公式（05）可得出渗桶和密封乳胶膜的横向环形截面外围的法向应力和切向应力分别为：

公式（06）

实验填料为细沙，渗桶和密封乳胶膜的横向环形截面力学平衡条件为：

公式（07）

将（07）带入（06）整理可得渗桶和密封乳胶膜的横向环形截面外围接触面处的径向应力和法向应力分别为：

公式（08）

当实验填料为粘土时，利用有限元法求解环状截面的力学状态。

步骤十二：增加密封乳胶膜的内围压值为q_a+q1，重复步骤一至步骤十一；

步骤十三：更换实验填料（210）的土体，重复步骤一至步骤十二。

优先地， qa=0.1Mpa，q1=0.1Mpa。

本发明所达到的有益效果：

通过本发明装置及方法能够获得在不同土体在确定的级配下，其破坏接触面的坡降值与渗桶外围接触面上土体法向应力及切向应力的关系，验证得出除了水利条件以及土体自身物理特性之外，接触面上的应力条件也是决定接触面上渗透破坏产生与否的重要条件之一，并根据实验结论建立土体接触冲刷启动条件的数学模型，用数值方法对现象做出合理解释，为接触冲刷机理的进一步研究奠定基础。

附图说明

图1是本发明装置的立体图。

图2是本发明装置的爆炸图。

图3是本发明装置中填料在内围压作用下的轴截面受力简图。

图4是典型弹塑性土体在内围压作用下轴截面的法向应力σ_r分布图。

图5是典型弹塑性土体在内围压作用下轴截面的切向应力σ_θ分布图。

附图中标记含义，101-顶盖；102-渗桶；103-底盖；201-渗水出水管预留孔；202-内围压排气管预留孔；203-顶盖密封板紧固螺栓；204-顶盖密封板；205-顶盖桶身；206-出水反滤料；207-出水环形透水石；208-出水花筒；209-顶盖紧固螺栓；210-实验填料；211-筒状支撑骨架；212-密封乳胶膜；213-传感器预留孔；215-进水环形透水石；216-进水反滤料；217-底盖紧固螺栓；218-进水花筒；219-底盖桶身；220-底座紧固螺栓；221-渗水进水管预留孔；222-内围压进水管预留孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种法向应力条件下的土体接触冲刷的实验装置，包括冲刷发生装置、围压提供装置、渗流驱动装置和数据采集装置、工作平台；

所述冲刷发生装置包括顶盖101、渗桶102和底盖103；所述顶盖101密封连接所述渗桶102的上端，所述渗桶102的下端密封连接所述底盖103，所述渗桶102上开设有若干个均匀分布的传感器预留孔213；

所述顶盖101内设置有出水滤砂装置，所述顶盖101上开设有渗水出水管预留孔201和内围压排气管预留孔202，所述渗水出水管预留孔201和所述内围压排气管预留孔202均位于所述出水滤砂装置的上方；

所述底盖103内设置有进水滤砂装置，所述底盖103上开设有渗水进水管预留孔221和内围压进水管预留孔222，所述渗水进水管预留孔221和所述内围压进水管预留孔222均位于所述进水滤砂装置的下方，所述底盖103固定在所述工作平台上；

所述围压提供装置包括内围压充水加压稳压设备、筒状支撑骨架211和密封乳胶膜212，所述密封乳胶膜212的外形为全封闭圆柱体，所述筒状支撑骨架211套设在所述密封乳胶膜212上，所述密封乳胶膜212固定设置在所述渗桶102内，所述围压提供装置与所述渗桶102的轴线重合，所述内围压充水加压稳压设备通过所述内围压进水管预留孔222密封连通所述密封乳胶膜212的底部，所述内围压排气管预留孔202连通所述密封乳胶膜212的顶部；

所述渗流驱动装置包括进水装置和出水装置，所述进水装置包括进水管道、充水加压稳压设备，所述出水装置包括出水管道、稳压设备，所述充水加压稳压设备通过所述进水管道连通所述渗水进水管预留孔221，所述稳压设备通过所述出水管道连通所述渗水出水管预留孔201；

所述数据采集装置包括若干个孔隙水压力传感器和数据处理单元，所述传感器预留孔213内均设置有至少一个所述孔隙水压力传感器，若干个所述孔隙水压力传感器均电连接所述数据处理单元。

进一步地，所述顶盖101、所述渗桶102和所述底盖103的外形均为圆柱体；所述内围压充水加压稳压设备包括内围压稳压水泵，所述稳压设备包括出水流速表和限压阀，所述充水加压稳压设备包括进水稳压水泵和进水流速表，所述进水稳压水泵、所述内围压稳压水泵的一端均连接水体，所述内围压稳压水泵的另一端依次通过所述内围压进水管预留孔222连通所述密封乳胶膜212，所述出水流速表依次连通所述限压阀、所述出水管道，所述进水稳压水泵的另一端依次连通所述进水流速表、所述进水管道；

所述顶盖101包括若干个顶盖密封板紧固螺栓203、若干个顶盖紧固螺栓209、顶盖密封板204和顶盖桶身205，所述顶盖桶身205为圆柱体，所述渗水出水管预留孔201和所述内围压排气管预留孔202位于所述顶盖密封板204上，所述内围压排气管预留孔202上设置有排气阀，所述顶盖桶身205的顶部、所述顶盖桶身205的底部和所述渗桶102的顶部均分别固定设置有一法兰盘；所述顶盖密封板204通过若干个所述顶盖密封板紧固螺栓203固定连接所述顶盖桶身205顶部的法兰盘，所述顶盖桶身205底部的法兰盘通过若干个所述顶盖紧固螺栓209密封固定连接所述渗桶102顶部的法兰盘。

进一步地，还包括实验填料210，所述实验填料210为粘土或沙，所述粘土或沙的粒径范围属于[0,2]毫米；所述底盖103包括若干个底座紧固螺栓220、若干个底盖紧固螺栓217和底盖桶身219，所述底盖桶身219外形为圆柱体，所述渗水进水管预留孔221和所述内围压进水管预留孔222位于所述底盖桶身219上，所述底盖桶身219的顶部、所述底盖桶身219的底部和所述渗桶102的底部均分别固定设置有一法兰盘，所述底盖桶身219顶部的法兰盘与所述渗桶102底部的法兰盘通过若干个所述底盖紧固螺栓217固定连接，所述底盖桶身219底部的法兰盘通过若干个所述底盖紧固螺栓220固定设置在所述工作平台上，所述实验填料210设置在所述密封乳胶膜212和所述渗桶102之间。

进一步地，所述进水滤砂装置包括进水花筒218、进水反滤料216和进水环形透水石215，所述进水花筒218为圆柱体，所述进水花筒218的高度等于所述底盖桶身219的高度，所述进水花筒218同轴设置在所述底盖桶身219中，所述进水花筒218的顶部密封固定连接所述密封乳胶膜212的底部；所述进水反滤料216和所述进水环形透水石215依次从下到上套设在所述进水花筒218上，所述进水反滤料216和所述进水环形透水石215的内直径均等于所述进水花筒218的外直径，所述进水反滤料216和所述进水环形透水石215的外直径均等于所述底盖桶身219的内直径。

进一步地，所述出水滤砂装置包括出水花筒208、出水反滤料206和出水环形透水石207，所述出水花筒208为圆柱体，所述出水花筒208的顶部侧壁上开设有若干个等间距分布的小孔，所述出水花筒208的高度等于所述顶盖桶身205的高度，所述出水花筒208同轴设置在所述顶盖桶身205中，所述出水花筒208的底部密封固定连接所述密封乳胶膜212的顶部；所述出水反滤料206和所述出水环形透水石207依次从上到下套设在所述出水花筒208上，所述出水反滤料206和所述出水环形透水石207的内直径均等于所述出水花筒208的外直径，所述出水反滤料206和所述出水环形透水石207的外直径均等于所述顶盖桶身205的内直径。

进一步地，所述进水反滤料216采用粒径大于3cm的碎石堆砌而成，所述进水反滤料216高度为10cm。

进一步地，所述出水反滤料206采用粒径大于3cm的碎石堆砌而成，所述出水反滤料206高度为5cm。

进一步地，所述顶盖桶身205、所述渗桶102和所述底盖桶身219材质均为亚克力的透明有机玻璃。

一种采用法向应力条件下土体接触冲刷的实验装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤一： 将底盖桶身219用底座紧固螺栓220固定在工作平台上；将进水花筒218放入底盖桶身219中，将密封乳胶膜212的底部与进水花筒218的顶部密封固定连接；在进水花筒218与底盖桶身219之间放入进水反滤料216，然后在进水反滤料上压入进水环形透水石215；

步骤二：将渗桶102套在密封乳胶膜212外侧，渗桶102通过底盖紧固螺栓217与底盖桶身219固定连接，在每个传感器预留孔213内安装孔隙水压力传感器，并将每个孔隙水压力传感器电连接数据处理单元；

步骤三：在渗桶102与密封乳胶膜212之间填入实验填料210；

步骤四：将出水花筒208的底部与密封乳胶膜212的顶部密封固定连接后，将出水环形透水石207压入出水花筒208的外围，将顶盖桶身205的底部通过顶盖紧固螺栓209固定连接渗桶102的顶部，将内围压充水加压稳压设备连通密封乳胶膜212；在出水花筒208外围放入出水反滤料206，然后将顶盖密封板204通过顶盖密封板紧固螺栓203固定连接顶盖桶身205顶部；

步骤五：用内围压稳压水泵通过进水管道222向密封乳胶膜212内注水直至密封乳胶膜212内的空气从内围压排气管预留孔（202）完全排除，然后关闭排气阀，使密封乳胶膜212形成封闭系统；通过进水管道222利用稳压水泵调节密封乳胶膜212的内围压值至q_a并保持恒定；

步骤六：将稳压设备连通渗水出水管预留孔201，将充水加压稳压设备连通渗水进水管预留孔；进水稳压水泵通过渗水进水管预留孔向密封乳胶膜212与渗桶102之间注水，直至完全淹没实验填料210和渗桶102；

步骤七：通过进水稳压水泵调节渗水进水管预留孔221的水压为h1，通过限压阀调节渗水出水管预留孔201的水压为h2，初始时渗水进水管预留孔221与渗水出水管预留孔201的水压差h1-h2；

步骤八：调节渗水出水管预留孔201的水压h2为定值，h2的范围为0.03Mpa-0.07Mpa；调节渗水进水管预留孔221处的压力h1，水压h1从0Mpa起调，持续增大h1，递增值范围为0.001-0.005Mpa/min，直到通过出水流速表监测到渗水出水管预留孔221的流量突然增大，同时可以透过渗桶102观察到实验填料210在渗桶102内壁上出现分层脱离的现象，此时可以确定接触冲刷现象已经发生；

步骤九：全程通过数据处理单元记录孔隙水压力传感器的值，并记录进水稳压水泵的水压值、流量和流速值，记录出水稳压水泵的水压值、流量和流速值；

步骤十：根据渗水进水管预留孔的水压值、渗水出水管预留孔的水压值、均布的孔隙水压力传感器213的孔压值并利用公式J=ΔH/L来推算接触面上均布的坡降值；

J—接触面上的水力坡降；

ΔH—孔隙水压力传感器213任意两点间的孔压差；

L—ΔH计算时孔隙水压力传感器213任意两点间的距离；

监测同一土体在确定的围压条件、不同的水力条件下的破坏情况，计算接触冲刷临界水力坡降值；

步骤十一：当实验填料210为沙时，渗桶102、密封乳胶膜212的截面形状为轴对称结构的弹性体应力通解为：

设ϭ_r为渗桶102与实验填料210外围接触面上的径向应力，ϭ_θ为渗桶102外直径上与实验填料210接触面上的法向应力，τ_rθ、τ_θr分别为为实验填料210内的径向剪切力和切向剪应力，a为密封乳胶膜213与渗桶102的横向环形截面的内直径，b为密封乳胶膜213与渗桶102的横向界面形成的圆环的外直径，q_a为密封乳胶膜212的内围压值，q_b为渗桶102外直径上与实验填料210的外围压值，A、B、C为任意常数，r包含于[a,b]；

公式（01）

渗桶（102）和密封乳胶膜（212）的横向环形截面受压结构边界条件为：

公式（02）

带入公式（01），另根据位移单位条件B=0求得：

公式（03）

公式（04）

将（04）带入（01）可得：

公式（05）

在接触面处r=b则由公式（05）可得出渗桶102和密封乳胶膜212的横向环形截面外围的法向应力和切向应力分别为：

公式（06）

实验填料210为细沙，渗桶102和密封乳胶膜212的横向环形截面力学平衡条件为：

公式（07）

将（07）带入（06）整理可得渗桶102和密封乳胶膜212的横向环形截面外围接触面处的径向应力和法向应力分别为：

公式（08）

实验填料210为粘土时，如图4和图5所示，利用有限元法求解环状截面的力学状态。

步骤十二：增加密封乳胶膜212的内围压值为q_a+q1，重复步骤一至步骤十一；

步骤十三：更换实验填料210的土体，重复步骤一至步骤十二，获得同一土体在接触面处接触冲刷破坏比降与应力状态之间的关系，获得不同性质土体接触冲刷破坏比降与应力状态之间的关系。

进一步地， qa=0.1Mpa，q1=0.1Mpa。

所述筒状支撑骨架211材质为金属。

典型弹塑性土体在内围压作用下的轴截面受力有限元计算，图4为法向应力ϭ_r分布图，图5为切向应力ϭ_θ分布图。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种法向应力条件下的土体接触冲刷的实验装置，其特征在于，包括冲刷发生装置、围压提供装置、渗流驱动装置和数据采集装置、工作平台；

所述冲刷发生装置包括顶盖（101）、渗桶（102）和底盖（103）；所述顶盖（101）密封连接所述渗桶（102）的上端，所述渗桶（102）的下端密封连接所述底盖（103），所述渗桶（102）上开设有若干个均匀分布的传感器预留孔（213）；

所述顶盖（101）内设置有出水滤砂装置，所述顶盖（101）上开设有渗水出水管预留孔（201）和内围压排气管预留孔（202），所述渗水出水管预留孔（201）和所述内围压排气管预留孔（202）均位于所述出水滤砂装置的上方；

所述底盖（103）内设置有进水滤砂装置，所述底盖（103）上开设有渗水进水管预留孔（221）和内围压进水管预留孔（222），所述渗水进水管预留孔（221）和所述内围压进水管预留孔（222）均位于所述进水滤砂装置的下方，所述底盖（103）固定在所述工作平台上；

所述围压提供装置包括内围压充水加压稳压设备、筒状支撑骨架（211）和密封乳胶膜（212），所述密封乳胶膜（212）的外形为全封闭圆柱体，所述筒状支撑骨架（211）套设在所述密封乳胶膜（212）上，所述密封乳胶膜（212）固定设置在所述渗桶（102）内，所述围压提供装置与所述渗桶（102）的轴线重合，所述内围压充水加压稳压设备通过所述内围压进水管预留孔（222）连通所述密封乳胶膜（212）的底部，所述内围压排气管预留孔（202）连通所述密封乳胶膜（212）的顶部；

所述渗流驱动装置包括进水装置和出水装置，所述进水装置包括进水管道、充水加压稳压设备，所述出水装置包括出水管道、稳压设备，所述充水加压稳压设备通过所述进水管道连通所述渗水进水管预留孔（221），所述稳压设备通过所述出水管道连通所述渗水出水管预留孔（201）；

所述数据采集装置包括若干个孔隙水压力传感器和数据处理单元，所述传感器预留孔（213）内均设置有至少一个所述孔隙水压力传感器，若干个所述孔隙水压力传感器均电连接所述数据处理单元。

2.根据权利要求1所述的一种法向应力条件下的土体接触冲刷的实验装置，其特征在于，所述顶盖（101）、所述渗桶（102）和所述底盖（103）的外形均为圆柱体；所述内围压充水加压稳压设备包括内围压稳压水泵，所述稳压设备包括出水流速表和限压阀，所述充水加压稳压设备包括进水稳压水泵和进水流速表，所述进水稳压水泵、所述内围压稳压水泵的一端均连接水体，所述内围压稳压水泵的另一端依次通过所述内围压进水管预留孔（222）连通所述密封乳胶膜（212），所述出水流速表依次连通所述限压阀、所述出水管道，所述进水稳压水泵的另一端依次连通所述进水流速表、所述进水管道；

所述顶盖（101）包括若干个顶盖密封板紧固螺栓（203）、若干个顶盖紧固螺栓（209）、顶盖密封板（204）和顶盖桶身（205），所述顶盖桶身（205）为圆柱体，所述渗水出水管预留孔（201）和所述内围压排气管预留孔（202）位于所述顶盖密封板（204）上，所述内围压排气管预留孔（202）上设置有排气阀，所述顶盖桶身（205）的顶部、所述顶盖桶身（205）的底部和所述渗桶（102）的顶部均分别固定设置有一法兰盘；所述顶盖密封板（204）通过若干个所述顶盖密封板紧固螺栓（203）固定连接所述顶盖桶身（205）顶部的法兰盘，所述顶盖桶身（205）底部的法兰盘通过若干个所述顶盖紧固螺栓（209）固定连接所述渗桶（102）顶部的法兰盘。

3.根据权利要求1所述的一种法向应力条件下的土体接触冲刷的实验装置，其特征在于， 还包括实验填料（210），所述实验填料（210）为粘土或沙，所述粘土或沙的粒径范围属于[0,2]毫米；所述底盖（103）包括若干个底座紧固螺栓（220）、若干个底盖紧固螺栓（217）和底盖桶身（219），所述底盖桶身（219）外形为圆柱体，所述渗水进水管预留孔（221）和所述内围压进水管预留孔（222）位于所述底盖桶身（219）上，所述底盖桶身（219）的顶部、所述底盖桶身（219）的底部和所述渗桶（102）的底部均分别固定设置有一法兰盘，所述底盖桶身（219）顶部的法兰盘与所述渗桶（102）底部的法兰盘通过若干个所述底盖紧固螺栓（217）固定连接，所述底盖桶身（219）底部的法兰盘通过若干个所述底盖紧固螺栓（220）固定设置在所述工作平台上，所述实验填料（210）设置在所述密封乳胶膜（212）和所述渗桶（102）之间。

4.根据权利要求1所述的一种法向应力条件下的土体接触冲刷的实验装置，其特征在于，所述进水滤砂装置包括进水花筒（218）、进水反滤料（216）和进水环形透水石（215），所述进水花筒（218）为圆柱体，所述进水花筒（218）的高度等于所述底盖桶身（219）的高度，所述进水花筒（218）同轴设置在所述底盖桶身（219）中，所述进水花筒（218）的顶部密封固定连接所述密封乳胶膜（212）的底部；所述进水反滤料（216）和所述进水环形透水石（215）依次从下到上套设在所述进水花筒（218）上，所述进水反滤料（216）和所述进水环形透水石（215）的内直径均等于所述进水花筒（218）的外直径，所述进水反滤料（216）和所述进水环形透水石（215）的外直径均等于所述底盖桶身（219）的内直径。

5.根据权利要求1所述的一种法向应力条件下的土体接触冲刷的实验装置，其特征在于，所述出水滤砂装置包括出水花筒（208）、出水反滤料（206）和出水环形透水石（207），所述出水花筒（208）为圆柱体，所述出水花筒（208）的顶部侧壁上开设有若干个等间距分布的小孔，所述出水花筒（208）的高度等于所述顶盖桶身（205）的高度，所述出水花筒（208）同轴设置在所述顶盖桶身（205）中，所述出水花筒（208）的底部密封固定连接所述密封乳胶膜（212）的顶部；所述出水反滤料（206）和所述出水环形透水石（207）依次从上到下套设在所述出水花筒（208）上，所述出水反滤料（206）和所述出水环形透水石（207）的内直径均等于所述出水花筒（208）的外直径，所述出水反滤料（206）和所述出水环形透水石（207）的外直径均等于所述顶盖桶身（205）的内直径。

6.根据权利要求4所述的一种法向应力条件下的土体接触冲刷的实验装置，其特征在于，所述进水反滤料（216）采用粒径大于3cm的碎石堆砌而成，所述进水反滤料（216）高度为10cm。

7.根据权利要求5所述的一种法向应力条件下的土体接触冲刷的实验装置，其特征在于，所述出水反滤料（206）采用粒径大于3cm的碎石堆砌而成，所述出水反滤料（206）高度为5cm。

8.根据权利要求1所述的一种法向应力条件下的土体接触冲刷的实验装置，其特征在于，所述顶盖桶身（205）、所述渗桶（102）和所述底盖桶身（219）材质均为亚克力的透明有机玻璃。

9.一种采用权利要求1所述的法向应力条件下土体接触冲刷的实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一： 将底盖桶身（219）用底座紧固螺栓（220）固定在工作平台上；将进水花筒（218）放入底盖桶身（219）中，将密封乳胶膜（212）的底部与进水花筒（218）的顶部密封固定连接；在进水花筒（218）与底盖桶身（219）之间放入进水反滤料（216），然后在进水反滤料上压入进水环形透水石（215）；

步骤二：将渗桶（102）套在密封乳胶膜（212）外侧，渗桶（102）通过底盖紧固螺栓（217）与底盖桶身（219）固定连接，在每个传感器预留孔（213）内安装孔隙水压力传感器，并将每个孔隙水压力传感器电连接数据处理单元；

步骤三：在渗桶（102）与密封乳胶膜（212）之间填入实验填料（210）；

步骤四：将出水花筒（208）的底部与密封乳胶膜（212）的顶部密封固定连接后，将出水环形透水石（207）压入出水花筒（208）的外围，将顶盖桶身（205）的底部通过顶盖紧固螺栓（209）固定连接渗桶（102）的顶部，将内围压充水加压稳压设备连通密封乳胶膜（212）；在出水花筒（208）外围放入出水反滤料（206），然后将顶盖密封板（204）通过顶盖密封板紧固螺栓（203）固定连接顶盖桶身（205）顶部；

步骤五：用内围压稳压水泵通过管道向密封乳胶膜（212）内注水直至密封乳胶膜（212）内的空气从内围压排气管预留孔（202）完全排除，然后关闭排气阀；通过内围压稳压水泵调节密封乳胶膜（212）的内围压值为q_a并保持恒定；

步骤六：将稳压设备连通渗水出水管预留孔（201），将充水加压稳压设备连通渗水进水管预留孔（221）；进水稳压水泵通过渗水进水管预留孔（221）向密封乳胶膜（212）与渗桶（102）之间注水，直至完全淹没实验填料（210）和渗桶（102）；

步骤七：通过进水稳压水泵调节渗水进水管预留孔（221）的水压为h1，通过限压阀调节渗水出水管预留孔（201）的水压为h2，初始时渗水进水管预留孔（221）与渗水出水管预留孔（201）的水压差h1=h2=0；

步骤八：调节渗水出水管预留孔（201）的水压h2为定值，h2的范围为0.03Mpa-0.07Mpa；调节渗水进水管预留孔处的压力h1，水压h1从0Mpa起调，持续增大h1，递增值范围为0.001-0.005Mpa/min，直到通过出水流速表监测到渗水出水管预留孔（221）的流量突然增大，同时可以透过渗桶（102）观察到实验填料（210）在渗桶（102）内壁上出现分层脱离的现象，此时接触冲刷现象发生；

步骤九：全程通过数据处理单元记录孔隙水压力传感器的值，并记录进水稳压水泵的水压值、流量和流速值，记录出水稳压水泵的水压值、流量和流速值；

步骤十：根据渗水进水管预留孔的水压值、渗水出水管预留孔的水压值、孔隙水压力传感器（213）的孔压值并利用公式J=ΔH/L来推算接触面上均布的坡降值；

J—接触面上的水力坡降；

ΔH—孔隙水压力传感器（213）任意两点间的孔压差；

L—ΔH计算时孔隙水压力传感器（213）任意两点间的距离；

步骤十一：当实验填料（210）为沙时，渗桶（102）、密封乳胶膜（212）的截面形状为轴对称结构的弹性体应力通解为：

设ϭ_r为渗桶（102）与实验填料（210）外围接触面上的径向应力，ϭ_θ为渗桶（102）外直径上与实验填料（210）接触面上的法向应力，τ_rθ、τ_θr分别为为实验填料（210）内的径向剪切力和切向剪应力，a为密封乳胶膜（213）与渗桶（102）的横向环形截面的内直径，b为密封乳胶膜（213）与渗桶（102）的横向界面形成的圆环的外直径，q_a为密封乳胶膜（212）的内围压值，q_b为渗桶（102）外直径上与实验填料（210）的外围压值，A、B、C为任意常数，r包含于[a,b]；

公式（01）

渗桶（102）和密封乳胶膜（212）的横向环形截面受压结构边界条件为：

公式（02）

带入公式（01），另根据位移单位条件B=0求得：

公式（03）

公式（04）

将（04）带入（01）可得：

公式（05）

在接触面处r=b则由公式（05）可得出渗桶（102）和密封乳胶膜（212）的横向环形截面外围的法向应力和切向应力分别为：

公式（06）

实验填料（210）为细沙，渗桶（102）和密封乳胶膜（212）的横向环形截面力学平衡条件为：

公式（07）

将（07）带入（06）整理可得渗桶（102）和密封乳胶膜（212）的横向环形截面外围接触面处的径向应力和法向应力分别为：

公式（08）

当实验填料（210）为粘土时，利用有限元法求解环状截面的力学状态；

步骤十二：密封乳胶膜（212）的内围压值增加q1，重复步骤一至步骤十一；

步骤十三：更换实验填料（210）的土体，重复步骤一至步骤十二。

10.根据权利要求9所述的一种法向应力条件下土体接触冲刷的实验方法，其特征在于，qa=0.1Mpa，q1=0.1Mpa。