CN107884326A - 一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置和试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置和试验方法,变水头供水系统通过供水管与透明模型箱底部连接,所述透明模型箱的顶部设置有出水管,在透明模型箱底部铺设多层多孔盖板;多层多孔盖板的上方设置有饱和透明土样,在变水头供水系统内的孔隙流体中加入荧光剂,透明模型箱的外侧安放激光器,透明模型箱的外侧安放CCD相机,透明模型箱内等距布设孔隙压力测量装置。本发明利用土体在渗透流体作用下的有效孔隙分布曲线和土体的有效应力分布来判断土体是否发生管涌破坏,为水利结构和岩土工程的合理设计提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及管涌模型试验装置和使用方法,特别涉及一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置和试验方法,属于岩土工程渗流试验领域。
背景技术
在水利工程和岩土工程中,土层的渗透稳定是影响建筑物安全的关键科学问题。按照渗透流体所引起的局部破坏的特征,渗透变形可分为流土和管涌两种基本形式,而其中管涌是指在渗流作用下土体中的细土颗粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。工程实践表明,在高渗透强度长期作用下,建筑的基础、堤坝的坝身或者其与基础结合部均可能发生管涌,并且我国水利部统计的资料显示,质量问题是造成堤坝失事的主要原因,其占比为42.5%,而在由质量问题所导致的事故案例中,管涌的比例超过六成。管涌的发生、发展显然是颗粒----孔隙尺度的范畴,但已有的关于管涌型土体稳定性的研究大多是基于宏观角度结合土样的颗分曲线进行推测,缺乏细观角度的科学证明,因此深入颗粒---孔隙尺度对渗透作用下粗、细颗粒在应力传递中扮演的角色及其对管涌发生条件的影响进行系统而深入的分析就显得尤为必要了。
在本发明专利前,中国申请发明专利“一种可观测土体内部的渗水力模型试验装置和试验方法”(申请号201310126416.3),公布了一种由透明模型箱、透明土、多孔板、孔隙压力测量装置、排水孔、密封盖板组成的可观测土体内部的渗水力模型的试验装置和试验方法。该技术方案具有应用范围广、设备成本低、试验装置所模拟的力场均匀以及试验材料各部分受力均匀等优点;但是,该试验装置不能真实模拟土体在渗透流体作用下的破坏过程,导致试验结果不够精确。
模型试验方法,原理相对简单,现象也直观,更容易得出具有科学意义的结论,因此是一种有效的研究手段。当前,判断土体在某渗透水头作用下是否会发生管涌的数值仿真技术,一般是无法考虑颗粒流失引起的水土相互作用的,因此无法准确判断管涌发生与否,而现有的判断管涌破坏发生的试验方法,存在着不少的问题:首先,其方法一般基于缩尺模型,辅以相关检测手段,然而获得的往往是模型边界面(表面)或内部少量离散点信息,无法对管涌发生的本质即细颗粒运移及流失规律进行动态、全息地获取。因此,设计出具有透视功能从而实现全息展示细颗粒动态运移的试验装置及试验方法对判断管涌发生与否更有理论和实际意义;其次,力链是指物质颗粒间力的传播路径,决定着颗粒物质宏观及微观的力学性质,通过力链可以揭示了土体在渗透流体作用下有效应力的分布。现有的较多文献资料,仅简单地通过研究土体不同的颗粒级配或者研究土体的有效孔径与粒径的关系进行管涌发生与否的判别,而管涌发生与否在本质上受到土颗粒的有效应力以及孔隙间尺寸的控制。因此,设计出能够依据土体在渗透作用期间的有效孔隙分布曲线和土体的有效应力分布来判别土体是否发生管涌破坏具有非常重要的创新意义。
发明内容
本发明的目的就在于克服已有技术的不足和缺陷,将透明土技术、激光诱发荧光现象技术以及示踪粒子技术与VDIC相结合,提出一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置和试验方法,利用土体在渗透流体作用下的有效孔隙分布曲线和土体的有效应力分布来判断土体是否发生管涌破坏,为水利结构和岩土工程的合理设计提供依据。
为了解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,包括变水头供水系统,变水头供水系统通过供水管与透明模型箱底部连接,所述透明模型箱的顶部设置有出水管,在透明模型箱底部铺设多层多孔盖板用以模拟真实条件下流体对于土体的冲击作用;多层多孔盖板的上方设置有饱和透明土样,所述饱和透明土样为由无定型硅或熔融石英砂混合配置有相同折射率的透明液体形成的透明土、透明液两相混合体,在变水头供水系统内的孔隙流体中加入荧光剂,透明模型箱的外侧安放激光器,透明模型箱的外侧安放CCD相机,透明模型箱内等距布设孔隙压力测量装置。
前述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,所述变水头供水装置中设有供水箱,供水箱内设有与所述透明土样具有相同折射率的孔隙液体,供水箱的顶部设有进水口,在供水箱侧壁的不同高度设置有水位控制阀,供水箱通过供水管与透明模型箱的底部相连,供水管上设有流量计和进水管水阀,流量计与计算机相连,供水箱内设有与所述透明土样具有相同折射率的孔隙液体,并在侧壁的不同高度设有多个水位控制阀。
前述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,透明模型箱15由树脂玻璃制成,形状为长方体,长大于200mm,宽100mm-200mm,高400mm-500mm,壁厚5mm。
前述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,所述的多层多孔盖板具有密集的孔径相同的圆孔,多层多孔盖板的孔径为4mm。
前述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,在出水管上设有出水管水阀。
前述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,所述的变水头供水装置的高度高于透明模型箱的高度。
前述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,所述孔隙压力测量装置为测压管。
一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验方法,其特征在于,当渗透流体透过多层多孔盖板在透明土渗透期间,利用CCD相机对该散斑场进行连续拍摄,后通过VDIC(体积数字相关技术)对获得的散斑场进行分析,获取土体内部颗粒相对位移,依托激光切面获取颗粒轮廓,建立相应PFC模型以分析颗粒间力链发展和演变的过程,揭示土体在渗透流体作用下有效应力的分布,同时结合该试验方法可获取土的有效孔隙分布的特点,从而可以准确判断该土体在变水头作用下是否会发生管涌。
前述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验方法,其特征在于,
1)按照试验的参数要求制备好相应的饱和透明土样,将其置于透明模型箱中;2)在供水箱内注入与透明土样具有相同折射率并添加荧光剂的孔隙流体;
3)打开激光器,待功率稳定后,调整激光切面的角度,使其垂直打入饱和透明土样,形成散斑场;
4)调整CCD相机的可视范围,使其能够包含整个饱和透明土样,并设置其以2幅/秒的频率采集图像并传送至计算机;
5)在变水头供水装置内打开一水位控制阀,使得供水箱内的水位保持设定的高度;
6)打开进水管水阀和出水管水阀,使得变水头供水系统中与透明土样具有相同折射率并添加荧光剂的孔隙流体通过多层多孔盖板进入模型箱,开展渗流试验,并将流量计和测压管所检测到的数据传输至计算机;
7)渗流变形或破坏过程中,透明土混合物由模型箱顶部的出水管排出;
8)试验过程中,通过VDIC对获得的散斑场进行分析,获取土体内部颗粒相对位移,依托激光切面获取颗粒轮廓,建立相应PFC模型以分析颗粒间力链发展和演变的过程,揭示土体在渗透流体作用下有效应力的分布,同时结合该试验装置中透明土材料具有可获取土的有效孔隙分布的特点,从而可以准确判断该土体在变水头作用下是否会发生管涌。
本发明的有益效果是:
1)试验模型简单、操作方便、经济可行性高;
2)本发明创新性地将透明土技术、激光诱发荧光显像技术、VDIC与PFC模型相融合,可以模拟土体在渗流作用下管涌破坏发展过程,以开展管涌试验研究及机理分析,建设管涌渗透可视化模型试验平台。通过对变水头供水系统中水位的高度以及透明土配合比的改变,可以开展多因素下管涌渗透试验,研究应力状态(σ)、渗流水头边界条件(△H/t)、细料含量(Ff)、控制特征粒径比(Dc35/d85)对管涌的影响,揭示管涌发生机理,为后续研究提供试验基础。
3)本发明克服了之前仅简单地通过研究土体不同的颗粒级配或者土体的有效孔径与粒径的关系进行判断管涌发生与否的不足之处,从管涌发生、发展本质角度设计出利用土体在渗透流体作用下的有效孔隙和土体的有效应力分布来判断管涌发生与否的试验装置和使用方法,具有非常重要的创新意义。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述:
图1为本发明的模型试验装置的系统示意图;
图2为本发明多孔盖板示意图;
其中:1为进水口;2为水位控制阀;3为供水箱;4为供水管;5为进水管水阀;6为计算机;7为流量计;8为CCD相机;9为激光器;10为透明土;11为多层多孔盖板;12为孔隙压力测量装置;13为出水管水阀;14为出水管;15为透明模型箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述:
一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,包括变水头供水系统,变水头供水系统通过供水管4与透明模型箱15底部连接,所述透明模型箱15的顶部设置有出水管14,在透明模型箱底部铺设多层多孔盖板11用以模拟真实条件下流体对于土体的冲击作用;多层多孔盖板的上方设置有饱和透明土样,所述饱和透明土样为由无定型硅或熔融石英砂混合配置有相同折射率的透明液体形成的透明土、透明液两相混合体,在变水头供水系统内的孔隙流体中加入荧光剂,透明模型箱13的外侧安放激光器9,透明模型箱的外侧安放CCD相机8,透明模型箱内等距布设孔隙压力测量装置12。
前述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,所述变水头供水装置中设有供水箱,供水箱内设有与所述透明土样具有相同折射率的孔隙液体,供水箱3的顶部设有进水口1,在供水箱3侧壁的不同高度设置有水位控制阀2,供水箱3通过供水管4与透明模型箱15的底部相连,供水管4上设有流量计7和进水管水阀5,流量计7与计算机6相连,供水箱内设有与所述透明土样具有相同折射率的孔隙液体,并在侧壁的不同高度设有多个水位控制阀。
前述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,透明模型箱15由树脂玻璃制成,形状为长方体,长大于200mm,宽100mm-200mm,高400mm-500mm,壁厚5mm。
前述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,所述的多层多孔盖板具有密集的孔径相同的圆孔,多层多孔盖板11的孔径为4mm。
前述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,在出水管14上设有出水管水阀13。
前述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,所述的变水头供水装置的高度高于透明模型箱的高度。
前述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,所述孔隙压力测量装置为测压管。
一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验方法,其特征在于,当渗透流体透过多层多孔盖板在透明土渗透期间,利用CCD相机对该散斑场进行连续拍摄,后通过VDIC(体积数字相关技术)对获得的散斑场进行分析,获取土体内部颗粒相对位移,依托激光切面获取颗粒轮廓,建立相应PFC模型以分析颗粒间力链发展和演变的过程,揭示土体在渗透流体作用下有效应力的分布,同时结合该试验方法可获取土的有效孔隙分布的特点,从而可以准确判断该土体在变水头作用下是否会发生管涌。
前述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验方法,其特征在于,
1)按照试验的参数要求制备好相应的饱和透明土样,将其置于透明模型箱中;
2)在供水箱内注入与透明土样具有相同折射率并添加荧光剂的孔隙流体;
3)打开激光器,待功率稳定后,调整激光切面的角度,使其垂直打入饱和透明土样,形成散斑场;
4)调整CCD相机的可视范围,使其能够包含整个饱和透明土样,并设置其以2幅/秒的频率采集图像并传送至计算机;
5)在变水头供水装置内打开一水位控制阀,使得供水箱内的水位保持设定的高度;
6)打开进水管水阀和出水管水阀,使得变水头供水系统中与透明土样具有相同折射率并添加荧光剂的孔隙流体通过多层多孔盖板进入模型箱,开展渗流试验,并将流量计和测压管所检测到的数据传输至计算机;
7)渗流变形或破坏过程中,透明土混合物由模型箱顶部的出水管排出;
8)试验过程中,通过VDIC对获得的散斑场进行分析,获取土体内部颗粒相对位移,依托激光切面获取颗粒轮廓,建立相应PFC模型以分析颗粒间力链发展和演变的过程,揭示土体在渗透流体作用下有效应力的分布,同时结合该试验装置中透明土材料具有可获取土的有效孔隙分布的特点,从而可以准确判断该土体在变水头作用下是否会发生管涌。
所述荧光剂的作用是为了区分固液交界面,确定固相颗粒形态以及孔隙形态,其中固相颗粒形态是建立PFC模型的依据,而孔隙形态是用来确定土体有效孔隙直径。
所述的VDIC指体积数字相关方法(Volumetric Digital Image Correlation),是一种基于计算机视觉原理、数值运算的一种非接触、非干涉的光测力学方法,该方法中的设备简单且抗干扰能力强,在当前的力学试验领域具有非常广泛的应用。在本发明中该方法的作用是可以测量透明土体在管涌破坏前后的相对位移和应变,为后续颗粒间力链的获取提供支撑。
实施例:
第一步:利用无定型硅或熔融石英砂在常温下混合具有相应折射率的孔隙流体,并进行充分搅拌至土样均匀透明配置成透明土10,在配置透明土10的过程中,保持所处环境温度恒定,并在透明土样中添加荧光剂;
其他任何透明土配置都应属于本发明的范畴;
在平整的场地内,安放透明模型箱15,保持场地内光线均匀,本实例中透明模型箱15由树脂玻璃制成,透明模型箱15的尺寸为300(长)×150(宽)×450(高)(单位:mm),壁厚5mm。
透明模型箱15内等距布设的测压管12可以测得试验试样中不同渗径长度处的水头,进而可以计算出试样不同位置的压力梯度。
透明模型箱15的底部设置多层多孔盖板11,用以模拟真实条件下水流对于土体的冲击作用,多层多孔盖板11的孔径为4mm,透明模型箱15的顶部设置出水管14。
在出水管14上设有出水管水阀13。
将配置好的透明土10分层放入透明模型箱15中。
第二步:一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置和试验方法,包括供水装置(供水箱3),供水箱3的顶部设有进水口1,在供水箱3在侧壁的不同高度设置有水位控制阀2,通过打开不同高度的水位控制阀2,可以调节供水箱3中的水位高度,从而实现调节供水水头的大小。供水箱3通过供水管4与透明模型箱15的底部相连。在供水箱3内注入与透明土10具有相同折射率并添加荧光剂的孔隙流体,供水箱3中的高度高于透明模型箱15的高度。
在供水管4上设有流量计7和进水管水阀5,流量计7与计算机6相连,流量计7可以读取进水管4中的流量。
第三步:在透明模型箱15的正前方安放激光器9,本实例中所采用的激光器9是半导体片光源激光,功率为2V。打开激光器9,调整激光切面的角度使得其垂直并对准透明模型箱15的中心轴打入透明土10,形成散斑场,激光器9与透明模型箱15的外立面垂直相距450mm。
第四步:在透明模型箱15的左侧或者右侧安放CCD相机8,本实例中所采用的CCD相机8是德国Basler产品(scA1600-14fm),调整CCD相机8支架的高度和角度,使得CCD相机8的镜头对准透明模型箱15的外立面,获得较好的可视范围,使其能够包含整个透明土10,CCD相机8与计算机6,并设置其以2幅/秒的频率采集图像并传送至计算机6,CCD相机8与透明模型箱15的外立面垂直相距250mm。
第五步:打开供水箱3的某一水位控制阀2,使得使得供水箱3内的水位保持设定的高度。
第六步:打开进水管水阀5和出水管水阀13,使得供水箱4中与透明土10具有相应折射率并添加荧光剂的孔隙流体依次通过进水管4和多层多孔盖板11进入透明模型箱15,完成管涌破坏的过程。通过透明模型箱15侧壁设置的孔隙压力测量装置12可以实时读取试样不同高程处的空隙压力值。
第七步:透明土10在渗透流体的作用下完成失稳破坏后,所得破坏后的混合物由出水管14排出,完成试验。
第八步;试验过程中,通过VDIC对获得的散斑场进行分析,获取土体内部颗粒相对位移,依托激光切面获取颗粒轮廓,建立相应PFC模型以分析颗粒间力链发展和演变的过程,揭示土体在渗透流体作用下有效应力的分布,同时结合该试验装置中透明土材料具有可获取土的有效孔隙分布的特点,从而可以准确判断该土体在某渗透水头作用下是否会发生管涌。
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,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,包括变水头供水系统,变水头供水系统通过供水管与透明模型箱底部连接,所述透明模型箱的顶部设置有出水管,在透明模型箱底部铺设多层多孔盖板用以模拟真实条件下流体对于土体的冲击作用;多层多孔盖板的上方设置有饱和透明土样,所述饱和透明土样为由无定型硅或熔融石英砂混合配置有相同折射率的透明液体形成的透明土、透明液两相混合体,在变水头供水系统内的孔隙流体中加入荧光剂,透明模型箱的外侧安放激光器,透明模型箱的外侧安放CCD相机,透明模型箱内等距布设孔隙压力测量装置。
2.根据权利要求1所述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,所述变水头供水装置中设有供水箱,供水箱内设有与所述透明土样具有相同折射率的孔隙液体,供水箱的顶部设有进水口,在供水箱侧壁的不同高度设置有水位控制阀,供水箱通过供水管与透明模型箱的底部相连,供水管上设有流量计和进水管水阀,流量计与计算机相连,供水箱内设有与所述透明土样具有相同折射率的孔隙液体,并在侧壁的不同高度设有多个水位控制阀。
3.根据权利要求2所述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,透明模型箱由树脂玻璃制成,形状为长方体,长大于200mm,宽100mm-200mm,高400mm-500mm,壁厚5mm。
4.根据权利要求1所述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,所述的多层多孔盖板具有密集的孔径相同的圆孔,多层多孔盖板的孔径为4mm。
5.根据权利要求1所述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,在出水管上设有出水管水阀。
6.根据权利要求1所述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,所述的变水头供水装置的高度高于透明模型箱的高度。
7.根据权利要求1所述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置,其特征在于,所述孔隙压力测量装置为测压管。
8.一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验方法,其特征在于,当渗透流体透过多层多孔盖板在透明土渗透期间,利用CCD相机对该散斑场进行连续拍摄,后通过VDIC对获得的散斑场进行分析,获取土体内部颗粒相对位移,依托激光切面获取颗粒轮廓,建立相应PFC模型以分析颗粒间力链发展和演变的过程,揭示土体在渗透流体作用下有效应力的分布,同时结合该试验方法可获取土的有效孔隙分布的特点,从而可以准确判断该土体在变水头作用下是否会发生管涌。
9.根据权利要求8所述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一:按照试验的参数要求制备好相应的饱和透明土样,将其置于透明模型箱中;
步骤二:在供水箱内注入与透明土样具有相同折射率并添加荧光剂的孔隙流体;
步骤三:打开激光器,待功率稳定后,调整激光切面的角度,使其垂直打入饱和透明土样,形成散斑场;
步骤四:调整CCD相机的可视范围,使其能够包含整个饱和透明土样,并设置其以2幅/秒的频率采集图像并传送至计算机;
步骤五:在变水头供水装置内打开一水位控制阀,使得供水箱内的水位保持设定的高度;
步骤六:打开进水管水阀和出水管水阀,使得变水头供水系统中与透明土样具有相同折射率并添加荧光剂的孔隙流体通过多层多孔盖板进入模型箱,开展渗流试验,并将流量计和测压管所检测到的数据传输至计算机;
步骤七:渗流变形或破坏过程中,透明土混合物由模型箱顶部的出水管排出;
步骤八:试验过程中,通过VDIC对获得的散斑场进行分析,获取土体内部颗粒相对位移,依托激光切面获取颗粒轮廓,建立相应PFC模型以分析颗粒间力链发展和演变的过程,揭示土体在渗透流体作用下有效应力的分布,同时结合该试验装置中透明土材料具有可获取土的有效孔隙分布的特点,从而可以准确判断该土体在变水头作用下是否会发生管涌。
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