CN109540729B - 评价长期渗流作用下砂土损伤程度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了评价长期渗流作用下砂土损伤程度的装置，它包括三脚架，所述三脚架的顶部固定有圆环，所述圆环上可拆卸的安装有压力室；所述压力室包括圆筒，所述圆筒的顶部固定有顶盖，在圆筒的底部固定有孔板；所述顶盖的中心设置有进水口，所述进水口通过水管与蓄水槽的出水口相连通，所述蓄水槽的顶部空腔与通过调压阀与空压机相连，所述压力室的正下方设置有收集装置。可以解决现有测试和评价土体渗流损伤程度无实验装置的问题，结构简单，使用方便。

Description

评价长期渗流作用下砂土损伤程度的装置和方法

技术领域

本发明涉及岩土实验领域，尤其是一种评价长期渗流作用下砂土损伤程度的装置和方法。

背景技术

我国有各类水库和湖泊近十万个、河流近五万条，湖库水位的变动已造成的地质灾害不计其数，其中渗流造成的土体结构损伤是重要的诱发原因之一。土体渗流损伤的程度主要受内在因素与外在因素的影响，内因主要包括土体的组成成分和级配、初始密实度Dr、渗透系数k等物理力学指标；外因主要为渗透压力和渗流时间等。目前有一些学者尝试着开展了定性的室内渗透实验及现场测试实验，但实验变量难以控制、测量精度难以保证，且多数研究停留在渗透特性的研究上，没有评价渗透损伤对土体结构的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种评价长期渗流作用下砂土损伤程度的装置和方法，可以解决现有测试和评价土体渗流损伤程度无实验装置的问题，结构简单，使用方便。试验时细颗粒收集盒保持充满水的状态，在试验开始前将电子天平数据清零，在渗透结束后，收集盒增加的质量即为流失细颗粒累计质量m_e，结合颗粒分析试验界定的可动细颗粒总量

定义出损伤变量

对比分析渗透水力梯度i、初始不均匀系数Cu_o、初始密实度Dr等因素对土体细颗粒流失规律的影响，建立土体损伤演化方程ω＝f(i,Cu_o,Dr)。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：评价长期渗流作用下砂土损伤程度的装置，它包括三脚架，所述三脚架的顶部固定有圆环，所述圆环上可拆卸的安装有压力室；所述压力室包括圆筒，所述圆筒的顶部固定有顶盖，在圆筒的底部固定有孔板；所述顶盖的中心设置有进水口，所述进水口通过水管与蓄水槽的出水口相连通，所述蓄水槽的顶部空腔与通过调压阀与空压机相连，所述压力室的正下方设置有收集装置。

所述顶盖和孔板通过长螺栓分别固定安装在圆筒的两端，在长螺栓的顶部固定有锁紧螺母。

所述孔板上放置有筛孔铁网。

所述圆筒的内部上方设置有圆形透水石。

所述收集装置包括漏斗，所述漏斗放置安装在圆筒的底部，在漏斗的正下方设置有盒体，所述盒体的内部设置有微孔滤芯，在微孔滤芯的下方设置有小孔径滤芯。

所述漏斗和盒体都采用有机玻璃材料制成，在盒体的顶部边缘加工有用于排水的孔道。

所述收集装置整体放置在天平上，所述天平通过数据线与数据采集模块相连。

所述小孔径滤芯的孔径小于0.1mm，，微孔径滤芯的孔径小于0.01mm。

所述圆筒采用透明有机玻璃制作，上下贯通。

采用任意一项所述的装置评价长期渗流作用下砂土损伤程度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：拧开锁紧螺母，打开顶盖；

步骤2：将调制好的土样分层装入圆筒内，确保没有空洞；

步骤3：根据土样质量、体积、含水率和比重计算确定初始孔隙比、初始密实度指标；

步骤4：把圆形透水石放置于土样上；

步骤5：盖上顶盖，并通过锁紧螺母拧紧长螺栓；

步骤6：将压力室放在收集装置上方，通过三脚架调整两者之间的距离；

步骤7：将有盒体装满水，放置于天平上，并将天平读数清零，启动数据采集模块；

步骤8：接通进水口、水管、蓄水槽、调压阀和空压机；

步骤9：开启空压机，通过调压阀向蓄水槽施加较小的压力，开始向圆筒内注水，逐渐饱和试样；

步骤10：通过调压阀逐级增大压力至设定值，蓄水槽内的水逐渐流向圆筒，渗透试验正式开始，随着水流渗透经过土样，带出可动细小颗粒，水流以及细小颗粒落入收集装置中，细小颗粒被过滤留在机玻璃盒内，天平的读数也随之变化；

步骤11：当蓄水槽内的水被压出待尽时，暂停本步试验，可重新向蓄水槽补水后继续试验，直至天平的读数不再变化，认为该级压力下的渗透损伤试验完成；

步骤12：结合天平的读数随时间的变化，确定细颗粒流失过程曲线；

步骤13：根据水压力和试样高度计算水力梯度i、结合土样颗粒级配和初始密实度Dr，分别改变个影响因素，并建立砂土损伤演化方程ω＝f(i,Cu_o,Dr)；

式中：ω为损伤变量；Cu_o为初始不均匀系数。

本发明有如下有益效果：

1、可分别测定损伤前和损伤后土样的抗剪强度，分析损伤变量与抗剪强度参数的关系，建立渗透损伤对土体抗剪强度的影响规律。

2、可根据实验过程中水槽流量随时间的变化规律，确定渗透系数的变化规律，建立渗透系数随土体结构损伤的演化规律。

3、可结合抗剪强度和渗透系数的变化，开展湖库岸坡的稳定性随渗透损伤的演变过程。

该方法中，试样的初始密实度Dr以及初始不均匀系数Cu_o都可以通过室内试验进行控制和确定，水力梯度i可通过调压阀调整，渗透时间也可以在试验进行时人为进行控制。

可以解决现有测试砂土因渗流造成结构损伤程度无实验装置的问题，该装置可自动采集和存储电子天平读数，收集装置保持充满水的状态，在试验开始前将电子天平数据清零，在渗透结束后，收集装置增大的质量则为流失细颗粒累计质量m_e，结合颗粒分析试验界定的可动细颗粒总量

定义出损伤变量

对比分析渗透水力梯度i、初始不均匀系数Cu_o、初始密实度Dr等因素对土体细颗粒流失规律的影响，建立土体损伤演化方程ω＝f(i,Cu_o,Dr)。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明装置的整体结构示意图。

图2为本发明压力室整体结构图。

图3为本发明收集装置整体结构图。

图4为本发明三脚架及圆环局部图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-4，一种评价长期渗流作用下砂土损伤程度的装置，它包括三脚架1，所述三脚架1的顶部固定有圆环2，所述圆环2上可拆卸的安装有压力室；所述压力室包括圆筒6，所述圆筒6的顶部固定有顶盖3，在圆筒6的底部固定有孔板10；所述顶盖3的中心设置有进水口4，所述进水口4通过水管18与蓄水槽19的出水口相连通，所述蓄水槽19的顶部空腔与通过调压阀20与空压机21相连，所述压力室的正下方设置有收集装置。通过采用上述装置能够用于评价长期渗流作用下砂土损伤程度的实验，可以解决现有测试砂土因渗流造成结构损伤程度无实验装置的问题。

进一步的，所述顶盖3和孔板10通过长螺栓5分别固定安装在圆筒6的两端，在长螺栓5的顶部固定有锁紧螺母7。通过上述结构其组装方便。

进一步的，所述孔板10上放置有筛孔铁网9。通过所述的筛孔铁网9能够保证一定尺寸的细颗粒才可以穿过。

进一步的，所述圆筒6的内部上方设置有圆形透水石8。可确保进水口的水压力均匀作用于试样表面，且大孔径铁板有一定的厚度能承受试样的重量，其放置有设定规格的筛孔铁网，已界定不同尺寸的细颗粒可以穿过。

进一步的，所述收集装置包括漏斗11，所述漏斗11放置安装在圆筒6的底部，在漏斗11的正下方设置有盒体12，所述盒体12的内部设置有微孔滤芯13，在微孔滤芯13的下方设置有小孔径滤芯14。

进一步的，压力室下方为收集装置，收集装置由漏斗和有机玻璃盒组成，漏斗的细管插入有机玻璃盒的底部，有机玻璃盒内设置有0.01mm的微孔径滤芯和0.1mm小孔径滤芯，带有细颗粒的水流流入有机玻璃盒底部后再向周边扩散，细颗粒被滤芯截留，而清水从有机玻璃盒上方的孔道排出，有机玻璃盒内的水量始终保持不变。

进一步的，所述漏斗11和盒体12都采用有机玻璃材料制成，在盒体12的顶部边缘加工有用于排水的孔道。

进一步的，所述收集装置整体放置在天平15上，所述天平15通过数据线16与数据采集模块17相连。通过天平15能够时时的进行读数。

进一步的，所述小孔径滤芯14的孔径小于0.1mm，微孔径滤芯13的孔径小于0.01mm。

进一步的，所述圆筒6采用透明有机玻璃制作，上下贯通。

实施例2：

采用任意一项所述的装置评价长期渗流作用下砂土损伤程度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：拧开锁紧螺母7，打开顶盖3；

步骤2：将调制好的土样分层装入圆筒6内，确保没有空洞；

步骤3：根据土样质量、体积、含水率和比重计算确定初始孔隙比、初始密实度指标；

步骤4：把圆形透水石8放置于土样上；

步骤5：盖上顶盖3，并通过锁紧螺母7拧紧长螺栓5；

步骤6：将压力室放在收集装置上方，通过三脚架1调整两者之间的距离；

步骤7：将有盒体12装满水，放置于天平15上，并将天平读数清零，启动数据采集模块17；

步骤8：接通进水口4、水管18、蓄水槽19、调压阀20和空压机21；

步骤9：开启空压机21，通过调压阀20向蓄水槽19施加较小的压力，开始向圆筒6内注水，逐渐饱和试样；

步骤10：通过调压阀20逐级增大压力至设定值，蓄水槽19内的水逐渐流向圆筒6，渗透试验正式开始，随着水流渗透经过土样，带出可动细小颗粒，水流以及细小颗粒落入收集装置中，细小颗粒被过滤留在机玻璃盒内，天平15的读数也随之变化；

步骤11：当蓄水槽19内的水被压出待尽时，暂停本步试验，可重新向蓄水槽19补水后继续试验，直至天平15的读数不再变化，认为该级压力下的渗透损伤试验完成；

步骤12：结合天平15的读数随时间的变化，确定细颗粒流失过程曲线；

步骤13：根据水压力和试样高度计算水力梯度i、结合土样颗粒级配和初始密实度Dr，分别改变个影响因素，并建立砂土损伤演化方程ω＝f(i,Cu_o,Dr)；

式中：ω为损伤变量；Cu_o为初始不均匀系数。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.评价长期渗流作用下砂土损伤程度的装置，其特征在于：它包括三脚架（1），所述三脚架（1）的顶部固定有圆环（2），所述圆环（2）上可拆卸的安装有压力室；所述压力室包括圆筒（6），所述圆筒（6）的顶部固定有顶盖（3），在圆筒（6）的底部固定有孔板（10）；所述顶盖（3）的中心设置有进水口（4），所述进水口（4）通过水管（18）与蓄水槽（19）的出水口相连通，所述蓄水槽（19）的顶部空腔通过调压阀（20）与空压机（21）相连，所述压力室的正下方设置有收集装置；

所述收集装置包括漏斗（11），所述漏斗（11）放置安装在圆筒（6）的底部，在漏斗（11）的正下方设置有盒体（12），所述盒体（12）的内部设置有微孔滤芯（13），在微孔滤芯（13）的下方设置有小孔径滤芯（14）；

所述漏斗（11）和盒体（12）都采用有机玻璃材料制成，在盒体（12）的顶部边缘加工有用于排水的孔道；

漏斗的细管插入有机玻璃盒的底部，有机玻璃盒内设置有0.01mm的微孔径滤芯和0.1mm小孔径滤芯，带有细颗粒的水流流入有机玻璃盒底部后再向周边扩散，细颗粒被滤芯截留，而清水从有机玻璃盒上方的孔道排出，有机玻璃盒内的水量始终保持不变；

所述顶盖（3）和孔板（10）通过长螺栓（5）分别固定安装在圆筒（6）的两端，在长螺栓（5）的顶部固定有锁紧螺母（7）。

2.根据权利要求1所述的评价长期渗流作用下砂土损伤程度的装置，其特征在于：所述孔板（10）上放置有筛孔铁网（9）。

3.根据权利要求1所述的评价长期渗流作用下砂土损伤程度的装置，其特征在于：所述圆筒（6）的内部上方设置有圆形透水石（8）。

4.根据权利要求1所述的评价长期渗流作用下砂土损伤程度的装置，其特征在于：所述收集装置整体放置在天平（15）上，所述天平（15）通过数据线（16）与数据采集模块（17）相连。

5.根据权利要求1所述的评价长期渗流作用下砂土损伤程度的装置，其特征在于：所述圆筒（6）采用透明有机玻璃制作，上下贯通。

6.采用权利要求1-5任意一项所述的装置评价长期渗流作用下砂土损伤程度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：拧开锁紧螺母（7），打开顶盖（3）；

步骤2：将调制好的土样分层装入圆筒（6）内，确保没有空洞；

步骤3：根据土样质量、体积、含水率和比重计算确定初始孔隙比、初始密实度指标；

步骤4：把圆形透水石（8）放置于土样上；

步骤5：盖上顶盖（3），并通过锁紧螺母（7）拧紧长螺栓（5）；

步骤6：将压力室放在收集装置上方，通过三脚架（1）调整两者之间的距离；

步骤7：将盒体（12）装满水，放置于天平（15）上，并将天平读数清零，启动数据采集模块（17）；

步骤8：接通进水口（4）、水管（18）、蓄水槽（19）、调压阀（20）和空压机（21）；

步骤9：开启空压机（21），通过调压阀（20）向蓄水槽（19）施加较小的压力，开始向圆筒（6）内注水，逐渐饱和试样；

步骤10：通过调压阀（20）逐级增大压力至设定值，蓄水槽（19）内的水逐渐流向圆筒（6），渗透试验正式开始，随着水流渗透经过土样，带出可动细小颗粒，水流以及细小颗粒落入收集装置中，细小颗粒被过滤留在机玻璃盒内，天平（15）的读数也随之变化；

步骤11：当蓄水槽（19）内的水被压出待尽时，暂停本步试验，可重新向蓄水槽（19）补水后继续试验，直至天平（15）的读数不再变化，认为该级压力下的渗透损伤试验完成；

步骤12：结合天平（15）的读数随时间的变化，确定细颗粒流失过程曲线；

步骤13：根据水压力和试样高度计算水力梯度i、结合土样颗粒级配和初始密实度Dr，分别改变各影响因素，并建立砂土损伤演化方程ω=f (i, Cu _o , Dr)；

式中：ω为损伤变量；Cu _o 为初始不均匀系数。

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