CN110658043A - 一种制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置及操作方法 - Google Patents

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CN110658043A CN201910980866.6A CN201910980866A CN110658043A CN 110658043 A CN110658043 A CN 110658043A CN 201910980866 A CN201910980866 A CN 201910980866A CN 110658043 A CN110658043 A CN 110658043A
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孙博玉
潘泓
骆冠勇
林捷昂
周红星
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    • G01N15/0826Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change

Abstract

本发明公开了一种制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置及操作方法,所述试验装置包括模型箱、固定框架、连接滚轮、底座、水压力读数板、顶升系统、高度调节机构、多个调节螺栓、多块压板和多个测压管;模型箱外部设有固定框架内,模型箱位于底座上方,模型箱包括上游水箱、下游水箱、填砂箱和封板,填砂箱内填充砂土体,上游水箱和下游水箱分别连接于填砂箱的两侧,下游水箱的底面与底座通过连接滚轮铰接,顶升系统安装于底座,顶升系统用以抬升模型箱;填砂箱的侧面设有多个测压孔,多个测压管插入多个测压孔,多个测压管的一端位于砂土层内,另一端通过软管与水压力读数板连接,测压管为中空设置,测压管位于砂土层内的一端设有纱网。

Description

一种制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置及操作方法
技术领域
本发明涉岩土工程及土工试验技术领域,特别涉及一种制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置及操作方法。
背景技术
沿江沿河的堤防工程、富水地区的基坑工程所在的区域及周边环境中常常存在丰富的地下水,工程所处的地下土层常呈现强透水层、弱透水层互层分布的特点。在含有承压水的地层区域,承压水主要在强透水层中流通传输,主要概化特征表现为强透水层进行水平向流动运动、弱透水层表现为垂向越流补给运动。堤防工程中管涌、流土险情,基坑工程中的突涌破坏、抗浮失效、沉降变形等工程问题常与地层中强透水层承压渗流有关,也与水平向承压渗流密切相关。因此,开展堤防工程、基坑工程因承压渗流引起的地下水灾害问题的发展机理研究,针对强透水层的承压渗流特性开展针对性的实验研究具有重要意义,有助于水平向渗流发展机理认识、渗流致灾风险识别及地下水灾害治理。
试样制备是土工试验科学领域中最为基础且非常重要的一个研究环节,以往涉及渗流的土工试样的制备较为关注制备岩土体的物理、力学的特性,对试样的渗流特性及制备过程中保持研究对象的物理、力学特性的一致性关注较少。针对典型渗流特性问题的试验研究时,如管涌上溯及发展、流土启动与产生、突涌的产生与预警、透水结构物的淤堵、板间缝的自愈、抽排水导致的地层沉降等研究,对制备模型的渗流特性及物理、力学的稳定性要求较为严格。
强透水层内具有多种典型的渗流特性,如内部孔隙承压饱和、渗透介质压缩变形稳定、边壁约束程度较强、渗流传导流通均匀、渗透介质压力水头边界一致等。在砂土体中进行水平向渗流试验时,经常出现因侧壁约束的不平衡导致侧壁出现砂土体与约束材料的脱空、鼓胀问题。砂土体制备完成后通水加压后砂土体极易出现整体沉陷、内部储藏有空隙气泡、土样短时间内难以真空饱和。在试验过程中,砂土体侧壁的脱空及侧壁约束材料的不协调变形导致承压水极易从侧壁空隙流出,造成砂土体内部实际渗流流通率非常小,通过砂土体的有压渗流损失严重,试验所得的渗流状态与实际砂土体差异较大,渗流特性出现失真。针对相关渗流问题国内外已有相关的的模型试验装置,一些专利对渗流问题进行了有侧重的研究。经过对现有技术文献检索,检索到了一些与渗流问题相关的模型试验装置,选取其中两个与本专利研究领域及关注点最为相近的两个专利叙述如下:
中国专利201810809369.5公开了一种开展不同密实度下土体内管涌评估试验装置和试验方法,该专利利用了透明土技术、激光诱发荧光技术以及PFC技术相结合对人造透明仿土体材料可以进行不同密实度状态下内管涌的观测、研究,可方便清晰的观测记录内管涌的发展状态、变化过程。但也存在以下不足:(1)利用折射率相近的仿土体透明材料毕竟不同于真实工程中土体,在物理、力学特性存在一定程度的失真,用仿土体的透明材料研究内管涌的特征特性、发展机理适用,但用于真实的工程土体研究存在一定程度的失真;(2)该专利研究内管涌主要以竖向发展为主,未能涉及水平向发展的内管涌类型,实际工程中内管涌发展具有多倾向、多方向发展的特点。
中国专利201710373669.9公开了一种用于承压水渗流模型的水循环砂槽试验装置,该专利的技术方案是利用砂槽装置模拟出承压水的渗流特征状态,为开展研究对象的渗流特性研究提供了一种可利用的实验装置。其砂槽中的实验用水可以循环流动、循环使用,节水性较好。砂槽上盖板、下隔板可以拆卸更换、重复利用,盖板上渗出孔径可变动,使砂槽应用范围有效扩大。但其也有三点显著不足之处:(1)砂槽填料过程中可以使用与实际砂样相同的材料,但在填料过程中保持砂样的物理、力学特性一致性较为困难,填料后的砂土体渗流特性变动较大;(2)在开展承压渗流试验时,砂槽上下游水头的稳定性较差。在开展承压渗流的动态发展研究时,保持给定水头的恒定性存在一定困难。(3)该专利涉及的实验装置侧重关注承压水的渗流特征、渗流稳定性分析,对承压渗流状态下砂土体本身的发展变化关注较少。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,针对水平向渗流实验研究的特殊性,提供一种制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置,解决了以往渗流实验研究中存在的如下突出问题:水平向渗流实验研究的模型装置较少,渗流研究对象单一;在饱和承压状态下制备试样较为困难,制成后的砂土体的物理、力学特性较原状土差异较大;砂土层交界面接触易悬浮脱空,易产生渗流边壁效应;给定的渗流边界条件,即研究对象体的上下游水头不易保持稳定。
本发明的另一目的在于,还提供了另一技术方案:一种上述制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置的操作方法。
本发明的技术方案为:一种制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置,包括模型箱、固定框架、连接滚轮、底座、水压力读数板、顶升系统、压力水箱、多个供水箱、出水箱、高度调节机构、多个调节螺栓、多块压板和多个测压管;所述模型箱外部设有固定框架内,模型箱位于底座上方,模型箱包括上游水箱、下游水箱、填砂箱和封板,填砂箱内填充砂土体,上游水箱和下游水箱分别连接于填砂箱的两侧,填砂箱与下游水箱连接的一侧设有多个通孔,通孔上覆盖纱网,上游水箱设有填砂孔,填砂箱通过填砂孔与外界连通,封板用以封堵填砂孔,填砂箱与下游水箱连接处的封板设有多个通孔,通孔上覆盖纱网;下游水箱的底面与底座通过连接滚轮铰接,顶升系统安装于底座,顶升系统用以抬升模型箱;压力水箱设于砂土层的顶部,压力水箱包括顶板、底板和弹性水袋,底板和顶板分别安装于模型箱的顶部,底板与砂土层接触,弹性水袋位于底板和顶板之间,多个调节螺栓与固定框架连接,顶板上具有多块压板,调节螺栓的一端抵接压板;供水箱和出水箱分别通过高度调节机构调节水平高度,填砂箱、上游水箱和弹性水袋分别通过水管与多个供水箱连接,下游水箱通过水管与出水箱连接,下游水箱设有排水孔,排水孔与阀门连接;填砂箱的侧面设有多个测压孔,多个测压管插入多个测压孔,多个测压管的一端位于砂土层内,另一端通过软管与水压力读数板连接,测压管为中空设置,测压管位于砂土层内的一端设有纱网。压力水箱的各阶段作用:填砂时,平衡覆盖层的水土压力,能够保证覆盖层不发生大变形,同时保证填砂效果;试验时,对覆盖层产生均布压重平衡扬压力,而使其不产生隆起,保证覆盖层与砂土层能够紧密贴合;压力水箱与供水箱连接,可使制样过程中的试样在模型箱内外保持相同的围压,避免层间土及覆盖层与砂土层之间出现悬浮脱空等现象;为模型试验提供研究所需的上下游边界水头,模拟不同承压状态下的渗流状态。通过设置连接滚轮,提供顶升系统顶升模型箱时的转动自由度与侧向移动约束。
进一步,所述顶升系统包括固定座、千斤顶、千斤顶限位板、转动半圆球、半圆球限位板、三角支架和支架转轮,固定座通过螺栓固定于底座上,转动半圆球连接于千斤顶的底面,转动半圆球的球面与固定座抵接,半圆球限位板固定于固定座上且位于转动半圆球的外侧,千斤顶限位板固定于固定座且位于千斤顶的两侧,支架转轮分别设于三角支架的三个角上,其中一个支架转轮与千斤顶的推杆连接,另外两个支架转轮固定于模型箱底面。通过设置三角支架和支架转轮,增大千斤顶与模型箱的接触面积,防止千斤顶顶升模型箱时损坏模型箱。
进一步,所述模型箱底部的支架转轮与连接滚轮之间的距离至少为模型箱底面长度的2/3。
进一步,所述模型箱的顶升角度为装填砂土体的内摩擦角±5°范围内。
进一步,所述模型箱底部与底座顶面之间设有多个橡胶垫支托,防止模型箱底面受力及底面变形不均匀,与底座接触造成损坏。
进一步,所述高度调节机构包括绕线轮、滑轮和绳索,绳索的一端连接供水箱或出水箱,另一端通过滑轮与绕线轮连接。通过高度调节机构来调节供水箱和出水箱的高度,结构简单,操作方便。
进一步,多个供水箱分别设有进水口,多个供水箱和出水箱分别设有与外界连通的稳压口,多个供水箱包括第一供水箱、第二供水箱和第三供水箱,第一供水箱通过水管与上游水箱连接,第二供水箱通过水管与弹性水袋连接,第三供水箱通过水管与填砂箱连接。
进一步,所述相邻两个测压孔之间的距离为4-5cm。
进一步,所述模型箱、顶板和封板采用9-10mm厚的有机玻璃制成,底板采用3-4mm厚的有机玻璃制成,封板与上游水箱之间通过玻璃胶粘接密封,且用螺钉进行加固。模型箱采用有机玻璃制成,便于观察模型箱内砂土体物理形态发生的变化、渗流特征现象的启动与发展;砂土体顶面覆盖的有机玻璃板较薄,具有较好的变形适应能力,当受到砂土体挤压或脱空时,底板产生形变并对弹性水袋施加作用力,弹性水袋对底板产生一个弹性力,保证压力水箱的压力略大于覆盖层所受到的水土压力,确保覆盖层不会发生隆起。
本发明还提供了另一技术方案,一种上述的制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置的操作方法,包括以下步骤:
步骤S1:启动顶升系统将模型箱顶升,模型箱的顶升角度为装填砂土体的内摩擦角±5°范围内;
步骤S2:将研究对象的砂土体进行装填,装填过程中通过供水箱往填砂箱内注水,通过填砂孔按照从下往上的顺序往填砂箱中均匀铲入湿润砂土体,使每层砂土层厚度为5~10cm,采用长螺钢筋杆进行振捣,排出砂土层内的空气,直至砂土层充分密实,如此反复逐层填充砂土层,直至达到预定高度,砂土层应超填至少5cm;填砂过程中保证填砂箱内的水至少浸过砂土体装填高度5cm,保证填砂过程中砂土体处于饱和状态;
步骤S3:打开下游水箱的阀门进行排水,同时供水箱对填砂箱进行不间断输水,应保证输水量应大于下游水箱出水量,使砂土层中残留的空气排出,并使砂土层在渗流及自重压力下进一步自适应性压实;
步骤S4:自适应变形输水排水过程完毕后,关闭下游水箱阀门,供水箱停止供水,刮去超填部分的砂土体,再将封板与上游水箱之间通过玻璃胶粘接密封,且用螺钉进行加固,保持水箱饱和状态下,将模型箱从顶升高度缓慢下降至水平状态;
步骤S5:模型箱放置水平后,使下游水箱的水头高度至少高于填砂箱顶面10cm,上游水箱的水头高度至少高于下游水箱的水头高度10cm,待各测压管读数稳定时,进行第一次读数,读取水压力读数板上的数值,作为模型箱试验校验的初始值;
步骤S6:通过调节供水箱和出水箱的高度来调节上游水箱和下游水箱的水头位置及高度,上游水箱和下游水箱的水头调节的速度应≤1cm/min,读取并记录水压力读数板上的数值,可模拟和观测不同渗流条件下的承压渗流特征状态砂土体水平向渗流特性;通过顶升模型箱进行砂土体各个倾斜角度的对比性试验,观测不同承压渗流土层倾斜角度下的砂土体渗流特性变化。模型箱倾斜角度调整的速率应≤1°/min,以保证砂土体不受上下游水头差及倾斜角度剧烈变动产生内部渗流驱动的影响。
本发明相对于现有技术,具有以下有益效果:
本发明的制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置,着重解决了砂土体在水平向渗流实验研究中,砂土层与侧壁约束材料的脱空、鼓胀问题,使得砂土层中的有压渗流不产生边壁效应,砂土样在饱和承压状态下制备,与约束材料变形协调一致,使砂土样的内部渗流状态与天然实际砂土层的渗流状态一致,保证了制备砂土体更符合真实渗流特性;能够开展砂土层的上下游多水头边界的承压渗流试验,模拟出各种上下游水头组合工况及极端承压渗流状态下的渗流试验;能够开展砂土体不同倾斜角度的渗流试验,模拟天然地层的多种多样的产状分布特征及渗流层的渗流角度的差异分布。
附图说明
图1为本发明的制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置的结构示意图。
图2为本发明的制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置填砂土体过程的结构示意图。
图3为本发明的顶升系统的结构示意图。
图4为本发明的供水箱的结构示意图。
图5为本发明的出水箱的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例,对本发明作进一步的详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1和图2所示,本实施例提供了一种制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置,包括模型箱、固定框架1、连接滚轮2、底座3、水压力读数板4、顶升系统、压力水箱5、多个供水箱6、出水箱7、高度调节机构、多个调节螺栓8、多块压板9和多个测压管10;
如图1和图2所示,模型箱包括上游水箱11、下游水箱12、填砂箱13和封板14,填砂箱内填充砂土体,上游水箱和下游水箱分别连接于填砂箱的两侧,填砂箱与下游水箱连接的一侧设有多个通孔15,通孔上覆盖纱网,上游水箱设有填砂孔17,填砂箱通过填砂孔与外界连通,封板用以封堵填砂孔,填砂箱与下游水箱连接处的封板设有多个通孔,通孔上覆盖纱网;模型箱和封板采用10mm厚的有机玻璃制成,封板与上游水箱之间通过玻璃胶粘接密封,且用螺钉进行加固;下游水箱的底面与底座通过连接滚轮铰接,连接滚轮提供模型箱顶升时的转动自由度与侧向移动约束。
如图1和图2所示,模型箱通过玻璃胶与固定框架粘接,有机玻璃板构成的模型箱整体为长方体构造,固定框架采用角钢焊接而成,固定框架提供有机玻璃模型箱的支撑力与约束力;压力水箱设于砂土层的顶部,压力水箱包括顶板18、底板19和弹性水袋20,底板和顶板分别安装于填砂箱的顶部,底板与砂土层接触,弹性水袋位于底板和顶板之间,多个调节螺栓与固定框架连接,顶板上具有多块压板,调节螺栓的一端抵接压板,压板为透明有机玻璃板,调节螺栓至合适位置,使调节螺栓、压板和顶板紧密接触;顶板采用10mm厚的有机玻璃制成,底板采用4mm厚的有机玻璃制成,顶板和封板分别通过玻璃胶粘接于填砂箱的顶部。填砂箱的侧面设有多个测压孔,相邻两个测压孔之间的距离为5cm,多个测压管插入多个测压孔,多个测压管的一端位于砂土层内,另一端通过软管与水压力读数板连接,测压管为中空设置,测压管位于砂土层内的一端设有纱网,纱网用以防止砂土体流失。
如图2和图3所示,顶升系统包括固定座22、千斤顶23、千斤顶限位板24、转动半圆球25、半圆球限位板26、三角支架27和支架转轮28,固定座通过螺栓固定于底座上,转动半圆球连接于千斤顶的底面,转动半圆球的球面与固定座抵接,半圆球限位板固定于固定座上且位于转动半圆球的外侧,千斤顶限位板固定于固定座且位于千斤顶的两侧,支架转轮分别设于三角支架的三个角上,其中一个支架转轮与千斤顶的推杆连接,另外两个支架转轮固定于模型箱底面,模型箱底部的支架转轮与连接滚轮之间的距离为模型箱底面长度的2/3,模型箱的顶升角度为装填砂土体的内摩擦角±5°范围内。模型箱底部与底座顶面之间设有多个橡胶垫支托29,防止模型箱底面受力及底面变形不均匀,与底座接触造成损坏。
如图1、图4和图5所示,供水箱和出水箱分别通过高度调节机构调节水平高度,高度调节机构包括绕线轮、滑轮和绳索,绳索的一端连接供水箱或出水箱,另一端通过滑轮与绕线轮连接;多个供水箱分别设有进水口30,多个供水箱和出水箱分别设有与外界连通的稳压口31,稳压口控制液面高度,排除多余的水,使供水和出水稳定;多个供水箱包括第一供水箱、第二供水箱和第三供水箱,第一供水箱通过水管与上游水箱连接,第二供水箱通过水管与弹性水袋连接,第三供水箱通过水管与填砂箱连接,下游水箱通过水管与出水箱连接,下游水箱设有排水孔,排水孔与阀门32连接。供水箱可为模型箱提供试验所需的水流量和水流速,同时可提高所需的稳定水位高程,提供稳压作用;出水箱的作用为稳定下游的水头波动,调控下游水位高程。通过转动绕线轮调节供水箱出水的高程位置,进而实现精确调节模型箱上下水头高程及渗流的边界条件。
上述制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置的操作方法,操作前先将模型箱水平放置,封闭填砂孔,模型箱水平放置,进行无填土试样状态下的试验,检测各个系统工作可靠性及模型箱的密封性能,该状态下进行30分钟的保水试验;再将模型箱通过顶升系统顶升至倾斜60°,进行装填试验极限状态下的保水试验,同样该状态下也保持30分钟,查看模型箱及各系统是否漏水泄压,检验其可靠性,确保各系统工作正常及模型箱未漏水之后,开始进行以下步骤:
步骤S1:启动顶升系统将模型箱顶升,模型箱的顶升角度为装填砂土体的内摩擦角±5°,在本实施例中,砂土体采用中砂,其密度为2.05g/cm3,天然含水量为15%-18%,其内摩擦角为40°,顶升系统将模型箱顶升至与水平面之间的夹角为45°,实际操作中可根据砂土体的性质和种类来计算砂土体的内摩擦角,再根据砂土体的内摩擦角来决定顶升角度;
步骤S2:将研究对象的砂土体进行装填,装填过程中通过供水箱往填砂箱内注水,通过填砂孔按照从下往上的顺序往填砂箱中均匀铲入湿润砂土体,使每层砂土层厚度为5cm,采用直径1cm的长螺钢筋杆进行振捣,排出砂土层内的空气,直至砂土层充分密实,如此反复逐层填充砂土层,直至达到预定高度,砂土层应超填5cm;填砂过程中保证填砂箱内的水浸过砂土体装填高度5cm,保证填砂过程中砂土体处于饱和状态;
步骤S3:打开下游水箱的阀门按照1/4的出水量进行排水,同时供水箱对填砂箱进行不间断输水,应保证输水量应大于下游水箱出水量,使砂土层中残留的空气排出,并使砂土层在渗流及自重压力下进一步自适应性压实,该过程维持30分钟;
步骤S4:自适应变形输水排水过程完毕后,关闭下游水箱阀门,供水箱停止供水,刮去超填部分的砂土体,再将封板与上游水箱之间通过玻璃胶粘接密封,且用螺钉进行加固,保持水箱饱和状态下,将模型箱从顶升高度缓慢下降至水平状态;
步骤S5:模型箱放置水平后,使下游水箱的水头高度高于填砂箱顶面10cm,上游水箱的水头高度高于下游水箱的水头高度10cm,待各测压管读数稳定时,进行第一次读数,读取水压力读数板上的数值,作为模型箱试验校验的初始值;
步骤S6:通过调节供水箱和出水箱的高度来调节上游水箱和下游水箱的水头位置及高度,上游水箱和下游水箱的水头调节的速度应≤1cm/min,读取并记录水压力读数板上的数值,可模拟和观测不同渗流条件下的承压渗流特征状态砂土体水平向渗流特性;通过顶升模型箱进行砂土体各个倾斜角度的对比性试验,观测不同承压渗流土层倾斜角度下的砂土体渗流特性变化,模型箱倾斜角度调整的速率应≤1°/min,以保证砂土体不受上下游水头差及倾斜角度剧烈变动产生内部渗流驱动的影响。
如上所述,便可较好地实现本发明,上述实施例仅为本发明的较佳实施例,并非用来限定本发明的实施范围;即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰,都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置,其特征在于,包括模型箱、固定框架、连接滚轮、底座、水压力读数板、顶升系统、压力水箱、多个供水箱、出水箱、高度调节机构、多个调节螺栓、多块压板和多个测压管;
所述模型箱外部设有固定框架内,模型箱位于底座上方,模型箱包括上游水箱、下游水箱、填砂箱和封板,填砂箱内填充砂土体,上游水箱和下游水箱分别连接于填砂箱的两侧,填砂箱与下游水箱连接的一侧设有多个通孔,通孔上覆盖纱网,上游水箱设有填砂孔,填砂箱通过填砂孔与外界连通,封板用以封堵填砂孔,填砂箱与下游水箱连接处的封板设有多个通孔,通孔上覆盖纱网;下游水箱的底面与底座通过连接滚轮铰接,顶升系统安装于底座,顶升系统用以抬升模型箱;
压力水箱设于砂土层的顶部,压力水箱包括顶板、底板和弹性水袋,底板和顶板分别安装于模型箱的顶部,底板与砂土层接触,弹性水袋位于底板和顶板之间,多个调节螺栓与固定框架连接,顶板上具有多块压板,调节螺栓的一端抵接压板;
供水箱和出水箱分别通过高度调节机构调节水平高度,填砂箱、上游水箱和弹性水袋分别通过水管与多个供水箱连接,下游水箱通过水管与出水箱连接,下游水箱设有排水孔,排水孔与阀门连接;
填砂箱的侧面设有多个测压孔,多个测压管插入多个测压孔,多个测压管的一端位于砂土层内,另一端通过软管与水压力读数板连接,测压管为中空设置,测压管位于砂土层内的一端设有纱网。
2.根据权利要求1所述的制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置,其特征在于,所述顶升系统包括固定座、千斤顶、千斤顶限位板、转动半圆球、半圆球限位板、三角支架和支架转轮,固定座通过螺栓固定于底座上,转动半圆球连接于千斤顶的底面,转动半圆球的球面与固定座抵接,半圆球限位板固定于固定座上且位于转动半圆球的外侧,千斤顶限位板固定于固定座且位于千斤顶的两侧,支架转轮分别设于三角支架的三个角上,其中一个支架转轮与千斤顶的推杆连接,另外两个支架转轮固定于模型箱底面。
3.根据权利要求2所述的制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置,其特征在于,所述模型箱底部的支架转轮与连接滚轮之间的距离至少为模型箱底面长度的2/3。
4.根据权利要求1所述的制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置,其特征在于,所述模型箱的顶升角度为装填砂土体的内摩擦角±5°范围内。
5.根据权利要求1所述的制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置,其特征在于,所述模型箱底部与底座顶面之间设有多个橡胶垫支托。
6.根据权利要求1所述的制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置,其特征在于,所述高度调节机构包括绕线轮、滑轮和绳索,绳索的一端连接供水箱或出水箱,另一端通过滑轮与绕线轮连接。
7.根据权利要求1所述的制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置,其特征在于,多个供水箱分别设有进水口,多个供水箱和出水箱分别设有与外界连通的稳压口,多个供水箱包括第一供水箱、第二供水箱和第三供水箱,第一供水箱通过水管与上游水箱连接,第二供水箱通过水管与弹性水袋连接,第三供水箱通过水管与填砂箱连接。
8.根据权利要求1所述的制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置,其特征在于,所述相邻两个测压孔之间的距离为4-5cm。
9.根据权利要求1所述的制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置,其特征在于,所述模型箱、顶板和封板采用9-10mm厚的有机玻璃制成,底板采用3-4mm厚的有机玻璃制成,封板与上游水箱之间通过玻璃胶粘接密封,且用螺钉进行加固。
10.一种权利要求1-9任一所述的制备承压渗流特征状态砂土体的试验装置的操作方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1:启动顶升系统将模型箱顶升,模型箱的顶升角度为装填砂土体的内摩擦角±5°;
步骤S2:将研究对象的砂土体进行装填,装填过程中通过供水箱往填砂箱内注水,通过填砂孔按照从下往上的顺序往填砂箱中均匀铲入湿润砂土体,使每层砂土层厚度为5~10cm,采用长螺钢筋杆进行振捣,排出砂土层内的空气,直至砂土层充分密实,如此反复逐层填充砂土层,直至达到预定高度,砂土层应超填至少5cm;填砂过程中保证填砂箱内的水至少浸过砂土体装填高度5cm,保证填砂过程中砂土体处于饱和状态;
步骤S3:打开下游水箱的阀门进行排水,同时供水箱对填砂箱进行不间断输水,应保证输水量应大于下游水箱出水量,使砂土层中残留的空气排出,并使砂土层在渗流及自重压力下进一步自适应性压实;
步骤S4:自适应变形输水排水过程完毕后,关闭下游水箱阀门,供水箱停止供水,刮去超填部分的砂土体,再将封板与上游水箱之间通过玻璃胶粘接密封,且用螺钉进行加固,保持水箱饱和状态下,将模型箱从顶升高度缓慢下降至水平状态;
步骤S5:模型箱放置水平后,使下游水箱的水头高度至少高于填砂箱顶面10cm,上游水箱的水头高度至少高于下游水箱的水头高度10cm,待各测压管读数稳定时,进行第一次读数,读取水压力读数板上的数值,作为模型箱试验校验的初始值;
步骤S6:通过调节供水箱和出水箱的高度来调节上游水箱和下游水箱的水头位置及高度,上游水箱和下游水箱的水头调节的速度应≤1cm/min,读取并记录水压力读数板上的数值,可模拟和观测不同渗流条件下的承压渗流特征状态砂土体水平向渗流特性;通过顶升模型箱进行砂土体各个倾斜角度的对比性试验,观测不同承压渗流土层倾斜角度下的砂土体渗流特性变化,模型箱倾斜角度调整的速率应≤1°/min,以保证砂土体不受上下游水头差及倾斜角度剧烈变动产生内部渗流驱动的影响。
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