CN108982321A - 一种利用可溶性晶体材料模拟土体渗蚀过程的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种利用可溶性晶体材料模拟土体渗蚀过程的试验装置，涉及对土体渗蚀过程的实验装置，该装置对可溶性晶体制成的试验材料进行模拟土体渗蚀试验。通过选择不同粒径的可溶性晶体材料，通过在密闭的空间注入水实现控制围压，利用水流渗透控制器向试验材料中注水，通过控制渗流速度的快慢，从而模拟出不同渗流程度对土体强度的影响。最后还可以测试土体的剪切强度，从而模拟渗蚀作用对土体强度的影响。与现有技术相比，本发明容易实现复杂级配条件的渗流模拟，便于测定相关参数，从而可以进一步研究土样在渗蚀作用下的力学性能与变形特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟复杂土体渗蚀过程的试验装置。
背景技术
在我国很多地区，由于地层普遍是砂土，因此土质疏松，抗渗蚀力强，在雨滴击溅和流水侵蚀的作用下，大量的泥沙被冲到了河里，最终形成淤泥，导致河流排水不畅，降低了河道泄洪排涝的能力，由于疏通河道产生了很大的人力和物力消耗。而且砂土被冲走之后，农田的耕作层变浅，土壤的肥力下降，影响农作物的收成。同样的，因为砂土发生的渗蚀破坏，对堤坝的安全也会产生严重的影响，在已发生渗透破坏的堤坝中，因无粘性土渗透变形而导致的事故占很大的比例。
目前对于渗蚀机理的研究大都采用有限元数值模拟，但是数值模拟不能很好的考虑水土的相互作用，因此无法全面解释渗流的发生机理，现场试验也由于工作量大，工作条件复杂而导致结果可靠性较差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供了一种利用可溶性晶体材料模拟复杂土体渗蚀过程的试验装置。
通过可溶性颗粒和砂土混合配置，利用可溶性颗粒的溶解特性，制备出可以模拟渗蚀的试验试样。通过搭载密闭的试验环境，利用在密闭空间中打水模拟渗蚀的过程，同时可以利用密闭空间内的不同水量模拟出土体的围压，通过控制水流的速度达到模拟不同强度的渗流对土体的影响。
具体的技术方案来为：
一种利用可溶性晶体材料模拟土体渗蚀过程的试验装置，该装置包括试验试样(5)，所述试验试样(5)内有可溶性晶体；
还包括轴压加载系统、围压加载系统、渗蚀模拟系统和控制系统；
所述轴压加载系统包括加载承托(4)、仪器底座(9)、仪器顶帽(10)、加载杆(3)、竖向加载设备(1)和加载支架(8)，其中，
所述加载承托(4)、仪器底座(9)、试验试样(5)、仪器顶帽(10)、加载杆(3)和竖向加载设备(1)竖向同轴布置；
所述的加载承托(4)为可控制的升降台；
所述仪器底座(9)设置在加载承托(4)上，仪器顶帽(10)设在仪器底座(9)上方，所述的试验试样(5)放在仪器底座(9)和仪器顶帽(10)之间；仪器顶帽(10)的上侧设有凹槽(16)；
所述的加载杆(3)下端能够与仪器顶帽(10)上的凹槽(16)对接；
所述竖向加载设备(1)安装在加载支架(8)上，该设备的伸出端竖直向下且与加载杆(3)的上端相对；
通过加载承托(4)的升降控制加载杆(3)与竖向加载设备(1)之间压力，从而得到对试样不同的轴压；
所述围压加载系统包括刚性侧壁(2)、加载承托(4)和泵送系统；
所述刚性侧壁(2)为底部开口的筒体，刚性侧壁(2)通过可拆卸的方式安装在加载承托(4)上用于围成一个密闭的试验空间；
所述的仪器底座(9)、试验试样(5)和仪器顶帽(10)均置于试验空间内；
所述刚性侧壁(2)的顶部开有加载孔，所述加载杆(3)以摩擦联接的方式设置在加载孔内，加载杆(3)能够在外力的作用下在加载孔内上下移动；
所述的泵送系统由泵通过管路连通至试验空间内，用于向试验空间内注水；通过在试验空间内注入不同水量以得到不同的围压；
渗蚀模拟系统包括水头渗透控制设备、仪器底座(9)和水头输入输出通道(15)；其中，所述水头输入输出通道(15)设在仪器底座(9)内，该水头输入输出通道(15)的一个端口与外界的水头渗透控制设备连接，另一个端口在仪器底座(9)的顶部，并与试验试样(5)的底部相对，通过向试验试样(5)的底部注水以模拟渗蚀的过程；
所述的控制系统包括轴压传感器(7)、轴压控制盒(18)、围压控制盒(17)、注水压力控制盒(19)；
所述轴压控制盒(18)的输入与轴力传感器(7)连接，轴力传感器(7)布置在竖向加载设备(1)的伸出端上用于检测竖向压力并提供给轴压控制盒(18)；所述轴压控制盒(18)输出与加载承托(4)连接用于控制加载承托(4)的升降以输出不同的轴压；
所述围压控制盒(17)内置有压力传感器，围压控制盒(17)布置在泵的管路上，其通过内置的压力传感器置于带有压力水管路内用以等效检测刚性侧壁(2)的围压，围压控制盒(17)与泵连接用于控制刚性侧壁(2)内的注水量以输出不同的围压；
所述注水压力控制盒(19)内置有压力传感器，注水压力控制盒(19)安装在水头渗透控制设备上，用于控制水头渗透控制设备的注水速度以输出不同的注水压力。
进一步改进，所述的刚性侧壁(2)顶部设有通水阀门(6)，用于在仪器底座(9)注水时排出刚性侧壁(2)内的空气。
进一步改进，所述的可溶性晶体材料(13)可以选择不同粒径的材料，通过注水压力控制盒(19)控制渗流速度的快慢，从而达到模拟不同渗流程度对土体强度的影响。
进一步改进，试验试样(5)的侧壁由乳胶膜包裹用于加固试验试样(5)。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
试验试样采用砂土与可溶性颗粒混合制成，置于水中能够模拟出砂土渗透的过程。
通过本装置，可以在室内模拟出砂土渗蚀的过程，从而便于发现砂土渗透的内在决定因素。
本装置可以通过控制加载承台的升降实现控制轴力，通过控制进水量实现控制围压，通过控制进水速度实现控制渗透的流速，即本装置能够模拟出不同条件下的渗流。
本可以在实验室定性模拟不同粒径的材料和不同渗蚀强度对砂土强度的影响。
附图说明
图1为实施例1中该装置的正视图；
图2为实施例1中该装置的俯视图；
图3为实施例1中该装置的左视图；
图4为实施例1中该装置的细部图；
图5为实施例1中的控制系统示意图。
附图标记：竖向加载设备1、刚性侧壁2、加载杆3、加载承托4、试验试样5、通水阀门6、轴力传感器7、加载支架8、仪器底座9、仪器顶帽10、刚性侧壁固定螺丝11、砂粒12、可溶性晶体材料13、透水石14、水头输入输出通道15、接口16、围压控制盒17、轴压控制盒18、注水压力控制盒19。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1至图3所示，一种利用可溶性晶体材料模拟渗蚀过程的试验装置，该装置所使用的试验试样5由砂样和可溶性晶体按一定配比混合制成，用乳胶膜将其侧壁包裹。该装置包括竖向加载设备1、刚性侧壁2、加载杆3、加载承托4、通水阀门6、轴力传感器7、加载支架8、仪器底座9、仪器顶帽10、刚性侧壁固定螺丝11、砂粒12、可溶性晶体材料13、透水石14、水头输入输出通道15、凹槽16、水泵和3个压力控制盒。
加载支架高300mm，宽为60mm，采用不锈钢制成。竖向加载设备1由加载支架8支撑，其伸出端向下竖向穿过加载支架，所述轴力传感器7安装在竖向加载设备1的伸出端上。
所述的加载承托4为可控制的升降台，其设置在竖向加载设备的下方。所述的刚性侧壁2为底部开口的筒状，高为130mm，厚为3mm，由有机玻璃制成，里面适用于高度为80mm，直径39.1mm的圆柱体土样；刚性侧壁2套设在加载承托4上，通过固定螺丝11和加载承托4密封相连。刚性侧壁2的侧壁有注水孔，通过相关管路与外界的泵入系统连接，用于向刚性侧壁2内注水。
所述加载杆3长度为55mm，穿设在刚性侧壁2顶部，并能够在刚性侧壁2的顶部上下移动，加载杆3和刚性侧壁2之间利用密封橡胶圈接触，防止漏水。加载杆3的顶部可以随加载承托4上升而与竖向加载设备1对接。所述的通水阀门6设在刚性侧壁2顶部。
所述的仪器底座9和仪器顶帽10呈上下布置。仪器底座9设置在加载承托4上侧，其内部设有水头输入输出通道15。水头输入输出通道15在仪器底座9的顶部有四个端口，在仪器底座9的侧壁也设有端口用于连接外界的水流渗透控制设备。
仪器顶帽10的顶部有能够与加载杆3底部相接的凹槽16。所述试验试样5装载在仪器底座9和仪器顶帽10之间，且试验试样5和仪器底座9之间、试验试样5和仪器顶帽10之间垫有透水石14。
三个压力控制盒分别为轴压控制盒18、围压控制盒17和注水压力控制盒19。
如图5所示，所述轴压传感器7与轴压控制盒18的输入端连接，轴力传感器7布置在竖向加载设备1的伸出端上用于检测竖向压力并提供给轴压控制盒18；所述轴压控制盒18输出端与加载承托4连接用于输出不同的轴压。
围压控制盒17和注水压力控制盒19内置有压力传感器。
围压控制盒17布置在泵入系统的管路上，通过压力传感器检测管路内的水压，由于管路是连通到刚性侧壁2内的，用于控制注水量从而实现输出不同的围压；
注水压力控制盒19安装在水流渗透控制设备上用于于控制注水压力。
模拟渗蚀作用的试验过程为：
可以利用围压控制盒17通过砂样和刚性侧壁之间的注水孔往刚性侧壁2里注水，当水满的时候，拧紧通水阀门，此时再通过围压控制盒17往刚性侧壁里面注水，就可以起到控制围压的作用。刚性侧壁2和加载杆3通过密封橡胶圈相连，加载杆3可以在刚性侧壁2里面上下移动，但是不会漏水。加载承托4将土样升高，使之接触到加载杆3，然后加载杆3和竖向加载设备1接触，竖向加载设备1上面有轴力传感器7，可以测轴向应力的大小，利用轴压控制盒18抬高加载承托4从而实现控制轴压的目的。
如图2～4所示，其中图2为俯视图、图3为侧视图、图4为细部图。
将砂样和一定配比的可溶性晶体(如盐或者葡萄糖)混合均匀，制作成试验试样5，装在加载承托4上的底座9上，将注水压力控制盒19与水头输入输出通道接好。
然后将底部开口的刚性侧壁2套在加载承托4上使试验试样5在刚性侧壁2内，安装的时候注意不要把试样5碰歪。调整加载杆3，使加载杆3和仪器顶帽10的凹槽16对接，稳定试样5在水平方向的位置。然后拧紧刚性侧壁2固定螺丝11，保证刚性侧壁2底部与加载承托4之间密封。保持通水阀门6为打开状态。
往刚性侧壁2里面注水，直到水从通水阀门6流出，停止注水，关闭通水阀门6。利用控制盒控制加载承托4上升，利用加载承托4将刚性侧壁2和试样5一起抬高，直到加载杆3和竖向加载设备1接触对接，当轴力传感器7显示轴力在0.05kN时，停止升高加载承托。利用围压控制盒17和轴压控制盒18控制围压和轴力的大小，设定轴力和围压分别为15kPa和10kPa，稳定试样。
然后通过注水压力控制盒19控制水流渗透控制设备向底座9的四个孔往试样里面打水，打水压力稳定在5kPa左右，直到可溶性晶体材料完全溶于水，然后再进行后续的饱和，固结和剪切试验。
通过控制可溶性晶体材料和砂的配比，可以实现渗蚀强度大小控制，通过选择不同的可溶性晶体材料，也可以实现模拟可溶性晶体大小对土体强度的影响。通过控制渗蚀时水压的大小，则可以研究渗蚀快慢对于土体强度的影响。
Claims (4)
1.一种利用可溶性晶体材料模拟土体渗蚀过程的试验装置，其特征在于，该装置包括试验试样(5)，所述试验试样(5)内有可溶性晶体；
还包括轴压加载系统、围压加载系统、渗蚀模拟系统和控制系统；
所述轴压加载系统包括加载承托(4)、仪器底座(9)、仪器顶帽(10)、加载杆(3)、竖向加载设备(1)和加载支架(8)，其中，
所述加载承托(4)、仪器底座(9)、试验试样(5)、仪器顶帽(10)、加载杆(3)和竖向加载设备(1)竖向同轴布置；
所述的加载承托(4)为可控制的升降台；
所述仪器底座(9)设置在加载承托(4)上，仪器顶帽(10)设在仪器底座(9)上方，所述的试验试样(5)放在仪器底座(9)和仪器顶帽(10)之间；仪器顶帽(10)的上侧设有凹槽(16)；
所述的加载杆(3)下端能够与仪器顶帽(10)上的凹槽(16)对接；
所述竖向加载设备(1)安装在加载支架(8)上，该设备的伸出端竖直向下且与加载杆(3)的上端相对；
通过加载承托(4)的升降控制加载杆(3)与竖向加载设备(1)之间压力，从而得到对试样不同的轴压；
所述围压加载系统包括刚性侧壁(2)、加载承托(4)和泵送系统；
所述刚性侧壁(2)为底部开口的筒体，刚性侧壁(2)通过可拆卸的方式安装在加载承托(4)上用于围成一个密闭的试验空间；
所述的仪器底座(9)、试验试样(5)和仪器顶帽(10)均置于试验空间内；
所述刚性侧壁(2)的顶部开有加载孔，所述加载杆(3)以摩擦联接的方式设置在加载孔内，加载杆(3)能够在外力的作用下在加载孔内上下移动；
所述的泵送系统由泵通过管路连通至试验空间内，用于向试验空间内注水；通过在试验空间内注入不同水量以得到不同的围压；
渗蚀模拟系统包括水头渗透控制设备、仪器底座(9)和水头输入输出通道(15)；其中，所述水头输入输出通道(15)设在仪器底座(9)内，该水头输入输出通道(15)的一个端口与外界的水头渗透控制设备连接，另一个端口在仪器底座(9) 的顶部，并与试验试样(5)的底部相对，通过向试验试样(5)的底部注水以模拟渗蚀的过程；
所述的控制系统包括轴压传感器(7)、轴压控制盒(18)、围压控制盒(17)、注水压力控制盒(19)；
所述轴压控制盒(18)的输入与轴力传感器(7)连接，轴力传感器(7)布置在竖向加载设备(1)的伸出端上用于检测竖向压力并提供给轴压控制盒(18)；所述轴压控制盒(18)输出与加载承托(4)连接用于控制加载承托(4)的升降以输出不同的轴压；
所述围压控制盒(17)内置有压力传感器，围压控制盒(17)布置在泵的管路上，其通过内置的压力传感器置于带有压力水管路内用以等效检测刚性侧壁(2)的围压，围压控制盒(17)与泵连接用于控制刚性侧壁(2)内的注水量以输出不同的围压；
所述注水压力控制盒(19)内置有压力传感器，注水压力控制盒(19)安装在水头渗透控制设备上，用于控制水头渗透控制设备的注水速度以输出不同的注水压力。
2.根据权利要求1所述的利用可溶性晶体材料模拟土体渗蚀过程的试验装置，其特征在于，所述的刚性侧壁(2)顶部设有通水阀门(6)，用于在仪器底座(9)注水时排出刚性侧壁(2)内的空气。
3.根据权利要求1所述的利用可溶性晶体材料模拟土体渗蚀过程的试验装置，其特征在于，所述的可溶性晶体材料(13)可以选择不同粒径的材料，通过注水压力控制盒(19)控制渗流速度的快慢，从而达到模拟不同渗流程度对土体强度的影响。
4.根据权利要求1所述的利用可溶性晶体材料模拟土体渗蚀过程的试验装置，其特征在于，试验试样(5)的侧壁由乳胶膜包裹用于加固试验试样(5)。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181211 |
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