CN110044795B - 分层土层渗流特性的精细化试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分层土层渗流特性的精细化试验装置及试验方法，包括模拟分层土层的分层土体模型、盛放分层土体模型的模型箱、向分层土体模型提供渗流水的渗流控制系统、实时监测分层土体模型渗流动态的动态数据采集系统；模型箱为透明箱体，箱体下端设置有若干进水口，模型箱底部设有水流缓冲区，分层土体模型铺设在水流缓冲区上，模型箱侧壁连通有排水管。本发明能够精细化、可视化地获取分层土体渗流过程，并通过分析可以得到土颗粒运动过程、渗漏通道形成过程、土体位移场、渗流场及土体破坏形态等，便于深入探索复杂的土体渗透破坏机理，从而利于从本质揭示土体渗透破坏现象，为有效防治工程措施的提出提供技术支撑及理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程实验技术领域，尤其涉及一种分层土层渗流特性的精细化试验装置及试验方法。
背景技术
管涌、流土、接触冲刷等为常见的渗透破坏现象，其主要是由于土体在渗透动水压力的持续作用下发生颗粒移动，形成渗漏通道，最后大量水土混合物在渗流逸出处冲破上覆土层而发生破坏的现象。它主要发生在无粘性土或分散性土层中。如基坑坑底常见隆起、流土等渗透破坏现象。此外，渗流过程中，由于土颗粒产生移动流失，土体被掏空，导致结构物基础发生不均匀沉降，最后引起结构物整体失稳。在路基工程及各种工程结构物的基础工程中，这种地质破坏现象是极为常见的。我国堤岸线长，水情复杂，长江干堤渗透破坏现象频发，也给我国人民的生产财产安全造成严重威胁。
由于渗透破坏是一种渐进式的侵蚀破坏，具有潜伏性、随机性及不可预见性，且渗透破坏过程中涉及颗粒运动、土体大变形及流固耦合作用，其破坏机理复杂。目前，在土体渗流特性方面开展的更多是常规试验，主要获取土体渗透系数，并进行流网绘制。有的通过大型流槽开展土体渗流试验，但工作量巨大，重复性差，难以精细化获取渗流过程中水土变化特征，便难以弄清其破坏机理。特别是针对分层土层的渗流特性，目前试验方法更少。
发明内容
本发明的目的是提供一种分层土层渗流特性的精细化试验装置及试验方法，能够精细化、可视化地获取分层土体渗流过程，并通过分析可以得到土颗粒运动过程、渗漏通道形成过程、土体位移场、渗流场及土体破坏形态等，便于深入探索复杂的土体渗透破坏机理，为有效防治工程措施的提出提供技术支撑及理论依据。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种分层土层渗流特性的精细化试验装置，包括模拟分层土层的分层土体模型、盛放分层土体模型的模型箱、向分层土体模型提供渗流水的渗流控制系统、实时监测分层土体模型渗流动态的动态数据采集系统；
所述分层土体模型为各层土体颜色不同、特性不同的分层土体结构；
所述模型箱为长方体状透明箱体，箱体上端开口，下端设置有若干进水口，模型箱底部设有大颗粒砂性土构成的水流缓冲区，所述分层土体模型铺设在水流缓冲区上，对应分层土体模型的模型箱侧壁连通有排水管，供渗流水及土颗粒排出；
所述渗流控制系统包括储水箱，储水箱上设有出水口，出水口与所述进水口间通过导水管连通，对所述分层土体模型施加渗流压力；
所述动态数据采集系统包括采集分层土体模型整体图像的高清数码摄像仪，采集分层土体模型局部图像的高倍数体视显微设备，采集试验过程中分层土体模型内部孔隙水压力、土压力的动态应变数据采集设备，以及用于数据采集、记录和分析的电脑设备，电脑设备分别与高清数码摄像仪、高倍数体视显微设备、动态应变数据采集设备通信连接，对各仪器设备采集到数据进行整合分析与处理，得出渗流模拟试验过程中土体内的渗流场、应力场、位移场及土颗粒运动变化规律。
进一步的，所述模型箱底部及侧壁均为透明的钢化玻璃，侧壁钢化玻璃表面绘制有方格。
进一步的，所述导水管包括主水管，主水管一端与所述出水口连通，另一端设有若干与所述进水口连通的支水管，主水管沿其水流方向上依次设有调压阀、流量计、压力表，支水管上均设有开关阀。
进一步的，所述排水管末端设有收集箱，用于收集试验中产生的尾水和土颗粒，以计算渗流量及土颗粒流失量。
进一步的，所述动态应变数据采集设备包括动态应变数据采集仪以及与其输入端连接的若干传感器，传感器分别设置在所述分层土体模型的各层土体内。
一种分层土层渗流特性的精细化试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1）根据待测分层土层的土体级配制备不同级配状态的分散性土体备用；
2）在模型箱内铺设水流缓冲区，根据待测分层土层的密度和厚度将不同级配装填的土体分层铺设于水流缓冲区上，分层碾压至密实状态并静置数小时，形成分层土体模型；
3）利用渗流控制系统对步骤2）中所述的分层土体模型进行低水头渗流，使分层土体模型湿润；
4）开启动态数据采集系统，实时监测分层土体模型渗流动态；
5）调节渗流控制系统，增大渗透压力至试验要求，进行土体渗流模拟试验；
6）试验数据分析，电脑设备接收高清数码摄像仪获取的渗流过程中土体的整体图像、高倍数体视显微设备获取的渗流过程中土体的局部图像信息以及动态应变数据采集设备获取的渗流过程中土体内的孔隙水压力、土压力，通过分析土体内的渗流场、应力场、位移场及土颗粒运动变化规律，从而能够精细化地获取分层土层渗透破坏的发展过程。
本发明的有益效果是：本发明能够精细化、可视化地获取分层土体渗流过程，并通过分析可以得到土颗粒运动过程、渗漏通道形成过程、土体位移场、渗流场及土体破坏形态等，便于深入探索复杂的土体渗透破坏机理，从而利于从本质揭示土体渗透破坏现象，为有效防治工程措施的提出提供技术支撑及理论依据。本发明方法操作性强，重复性好，适用性强。
附图说明
图1为本发明分层土层渗流特性的精细化试验装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种分层土层渗流特性的精细化试验装置，包括模拟分层土层的分层土体模型1、盛放分层土体模型的模型箱2、向分层土体模型提供渗流水的渗流控制系统3、实时监测分层土体模型1渗流动态的动态数据采集系统4；
所述分层土体模型1为各层土体颜色不同、特性不同的分层土体结构；
所述模型箱2为长方体状透明箱体，箱体上端开口，下端设置有若干进水口21，模型箱2底部设有大颗粒砂性土构成的水流缓冲区22，所述分层土体模型1铺设在水流缓冲区22上，对应分层土体模型1的模型箱2侧壁连通有排水管23，供渗流水及土颗粒排出；排水管23末端设有收集箱24，用于收集试验中产生的尾水和土颗粒，以计算渗流量及土颗粒流失量；所述模型箱2底部及侧壁均为透明的钢化玻璃，侧壁钢化玻璃表面绘制有方格25，配合土体颜色，可以直观地观察土颗粒的运动特征及相对位移情况；
所述渗流控制系统3包括储水箱31，储水箱31上设有出水口32，出水口32与所述进水口21间通过导水管连通，对所述分层土体模型1施加渗流压力；所述导水管包括主水管33，主水管33一端与所述出水口32连通，另一端设有若干与所述进水口21连通的支水管34，主水管33沿其水流方向上依次设有调压阀35、流量计36、压力表37，支水管34上均设有开关阀38；实验过程中，可以通过开关阀38控制渗流水的流量，还可以通过调压阀35调节渗流水的压力，流量计36、压力表37分别对导水管内水的流量和压力进行监测；
所述动态数据采集系统4包括采集分层土体模型1整体图像的高清数码摄像仪41，采集分层土体模型1局部图像的高倍数体视显微设备42，采集试验过程中分层土体模型1内部孔隙水压力、土压力的动态应变数据采集设备43，以及用于数据采集、记录和分析的电脑设备44，动态应变数据采集设备43包括动态应变数据采集仪431以及与其输入端连接的若干传感器432（图中未画出），传感器432分别设置在所述分层土体模型1的各层土体内；电脑设备44分别与高清数码摄像仪41、高倍数体视显微设备42、动态应变数据采集设备43通信连接，对各仪器设备采集到数据进行整合分析与处理，得出渗流模拟试验过程中土体内的渗流场、应力场、位移场及土颗粒运动变化规律。
利用上述试验装置可以对分层土层渗流特性进行精细化试验，具体为：一种分层土层渗流特性的精细化试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1）根据待测分层土层的土体级配制备不同级配状态的分散性土体备用；
2）在模型箱2内铺设水流缓冲区22，根据待测分层土层的密度和厚度将不同级配装填的土体分层铺设于水流缓冲区22上，分层碾压至密实状态并静置数小时，形成分层土体模型1；
3）利用渗流控制系统3对步骤2）中所述的分层土体模型1进行低水头渗流，使分层土体模型1湿润；
4）开启动态数据采集系统4，实时监测分层土体模型1渗流动态；
5）调节渗流控制系统3，增大渗透压力至试验要求，进行土体渗流模拟试验；
6）试验数据分析，电脑设备44接收高清数码摄像仪41获取的渗流过程中土体的整体图像、高倍数体视显微设备42获取的渗流过程中土体的局部图像信息以及动态应变数据采集设备43获取的渗流过程中土体内的孔隙水压力、土压力，通过分析土体内的渗流场、应力场、位移场及土颗粒运动变化规律，从而能够精细化地获取分层土层渗透破坏的发展过程。
本发明能够精细化、可视化地获取分层土体渗流过程，并通过分析可以得到土颗粒运动过程、渗漏通道形成过程、土体位移场、渗流场及土体破坏形态等，便于深入探索复杂的土体渗透破坏机理，从而利于从本质揭示土体渗透破坏现象，为有效防治工程措施的提出提供技术支撑及理论依据。
所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
Claims (5)
1.一种分层土层渗流特性的精细化试验装置，其特征在于，包括模拟分层土层的分层土体模型、盛放分层土体模型的模型箱、向分层土体模型提供渗流水的渗流控制系统、实时监测分层土体模型渗流动态的动态数据采集系统；
所述分层土体模型为各层土体颜色不同、特性不同的分层土体结构；
所述模型箱为长方体状透明箱体，箱体上端开口，下端设置有若干进水口，模型箱底部设有大颗粒砂性土构成的水流缓冲区，所述分层土体模型铺设在水流缓冲区上，对应分层土体模型的模型箱侧壁连通有排水管，供渗流水及土颗粒排出；所述排水管末端设有收集箱，用于收集试验中产生的尾水和土颗粒，以计算渗流量及土颗粒流失量；
所述渗流控制系统包括储水箱，储水箱上设有出水口，出水口与所述进水口间通过导水管连通，对所述分层土体模型施加渗流压力；
所述动态数据采集系统包括采集分层土体模型整体图像的高清数码摄像仪，采集分层土体模型局部图像的高倍数体视显微设备，采集试验过程中分层土体模型内部孔隙水压力、土压力的动态应变数据采集设备，以及用于数据采集、记录和分析的电脑设备，电脑设备分别与高清数码摄像仪、高倍数体视显微设备、动态应变数据采集设备通信连接，对各仪器设备采集到数据进行整合分析与处理，得出渗流模拟试验过程中土体内的渗流场、应力场、位移场及土颗粒运动变化规律。
2.如权利要求1所述的一种分层土层渗流特性的精细化试验装置，其特征在于，所述模型箱底部及侧壁均为透明的钢化玻璃，侧壁钢化玻璃表面绘制有方格。
3.如权利要求1所述的一种分层土层渗流特性的精细化试验装置，其特征在于，所述导水管包括主水管，主水管一端与所述出水口连通，另一端设有若干与所述进水口连通的支水管，主水管沿其水流方向上依次设有调压阀、流量计、压力表，支水管上均设有开关阀。
4.如权利要求1所述的一种分层土层渗流特性的精细化试验装置，其特征在于，所述动态应变数据采集设备包括动态应变数据采集仪以及与其输入端连接的若干传感器，传感器分别设置在所述分层土体模型的各层土体内。
5.一种分层土层渗流特性的精细化试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据待测分层土层的土体级配制备不同级配状态的分散性土体备用；
2)在模型箱内铺设水流缓冲区，根据待测分层土层的密度和厚度将不同级配装填的土体分层铺设于水流缓冲区上，分层碾压至密实状态并静置数小时，形成分层土体模型；
3)利用渗流控制系统对步骤2)中所述的分层土体模型进行低水头渗流，使分层土体模型湿润；
4)开启动态数据采集系统，实时监测分层土体模型渗流动态；
5)调节渗流控制系统，增大渗透压力至试验要求，进行土体渗流模拟试验；
6)试验数据分析，电脑设备接收高清数码摄像仪获取的渗流过程中土体的整体图像、高倍数体视显微设备获取的渗流过程中土体的局部图像信息以及动态应变数据采集设备获取的渗流过程中土体内的孔隙水压力、土压力，通过分析土体内的渗流场、应力场、位移场及土颗粒运动变化规律，从而能够精细化地获取分层土层渗透破坏的发展过程。
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