CN110687033A - 一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置，包括渗流系统、压力供水系统、轴向压力施加系统、出流收集系统和数据采集系统，所述渗流系统包括支座、渗透仪、收集漏斗和孔压传感器，所述渗透仪设置于支座上，所述收集漏斗设置于渗透仪下端并与渗透仪相贯通，孔压传感器设置于渗透仪上，所述的渗透仪包括渗透腔体和顶盖，所述渗透腔体为上下端开口结构，收集漏斗设置于渗透腔体下端并与渗透腔体相贯通，渗透腔体侧壁上开设有孔压传感器布设孔、排气孔和进水口，进水口包括水平渗流进水口和竖向渗流进水口。可通过简易操作实现在同一装置内对侧限条件下垂直应力可控的土体水平向和垂直向渗流模式的切换。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，涉及渗流模型试验装置，尤其涉及一种能够用于开展应力作用下土体渗流侵蚀各向异性研究的渗透试验装置。
背景技术
据调查统计显示，内部侵蚀是大坝和堤岸渗透变形或破坏的主要诱因，在全球范围内，约50%的大坝和堤岸破坏是由内部侵蚀导致的。土体内部侵蚀(internal erosion)是指其内部细颗粒在水的渗流力作用下克服粒间摩擦力或黏结力而逐步分散脱离，且在土体孔隙通道或粗颗粒间隙中发生运移的侵蚀过程。由于土体的散粒体结构特性决定了土体各向异性的产生，尤其是在分层压实土体中体现的更为显著。此外，在实际工程中进行分层压实的土体，一方面其细观结构为层状，由此会导致土体在水力特性上表现出明显的各向异性，尤其是土体在平行于压实层面方向(水平向)和垂直于压实层面方向(垂直向)上所表现的渗透特性不尽相同；另一方面，土体一般承受应力作用，且研究表明应力作用的存在会直接影响土体的骨架结构、孔隙分布和渗透系数，从而导致土体内部侵蚀特性发生明显变化。大量模型试验及工程实践表明，水平渗流更接近土石坝坝体和坝基的渗透水流特点，更能真实反映土体发生内部侵蚀时所表现出的渗透特性，且研究表明土体在水平向和垂直向渗流情况下的渗透特性存在着显著的各向异性，具体表现为土体在水平向上的渗透系数与相同条件下垂直于压实层面的渗透系数的比值为1~100，即前后两者相差1~2个数量级。因此，考虑渗流-应力耦合作用的可以开展土体内部侵蚀各向异性研究的渗透装置成为岩土工程和水利水电工程领域亟待解决的重要研究课题，对保障坝体沿岸居民的生命财产安全具有十分重要的意义。
为了解决上述研究课题，本领域的科技人员进行了广泛的探索，以期获得土体内部侵蚀各向异性的规律。《大坝观测与土工测试》报道了一种测定土体双向渗透系数的仪器装置(冯郭名, 付琼华. 测定土的双向渗透系数的仪器装置和方法[J]. 大坝观测与土工测试, 1997, 21(3): 32-34.)，该渗透装置是基于三轴仪进行改装完成的，土样尺寸为正方形，渗流方向为垂直方向。使用该渗透装置实现双向渗透系数测定的方法是测量完一个方向的渗透系数后通过将土样调转方向再对另一个方向的渗透系数进行测量。这种方法虽能实现对同一土样的水平渗透系数和竖向渗透系数进行测量，但该装置及试验方法存在着较大的局限性，主要体现在：①土样调转方向需要对土样先去除橡皮膜再调转90°，最后再重新装套橡皮膜，其整个过程较为复杂且对土样扰动较大，且对某些脱离承膜筒或橡皮模就无法成型的试样(如无黏性土)，其双向渗透性的测定是很困难的；②根据内部侵蚀的定义，土体发生内部侵蚀现象时其内部细颗粒会存在迁移及流失的演变过程并进一步改变土体内部粗细颗粒的空间分布，由此利用该装置测量土体的双向渗透性，无论是先测定哪一方向上的渗透性都势必会影响接下来另一方向上的渗透性；③该装置在渗透试验过程中没有对土体的局部孔压进行监测，且采用孔压管进行测定，其测量精度难以保证且较为繁琐；④该装置可容纳的试样尺寸仅为50mm*50mm*50mm，很大程度上限制了测试土样的颗粒粒径。对各种岩土都适用的水平渗透试验装置的水流方向应该是水平的，这样才能和土体的压实层面方向一致，才能测得土体水平方向的真正渗透系数。因此该装置不能测得真实状态下的土体水平方向的渗透系数。
中国专利申请201010523941.5提出了一种测量土体水平向渗透系数的测量仪，但该测量仪仅能获得土体水平方向上的渗透性不能实现对土体内部侵蚀各向异性的量测，也没有考虑土体所受到的应力作用，同时也没有在渗流过程中对土体进行局部孔压的实时监测。中国专利申请201710317454.5提出了一种大变形全密闭的水平潜蚀可视化测量装置，虽能获取侧限垂直应力作用下土体的水平渗透性，其相较于中国专利申请201010523941.5在测量手段上有了很大的改进，但该装置仍不能进行垂直应力作用下土体内部侵蚀各项异性的研究。中国专利申请201210530675.8提出了一种层状粗粒土体各向异性渗透系数测试系统及测试方法，但该测试系统结构一定程度上会限制测试土体的颗粒粒径，此外，该测试系统的水头加压操作过于复杂，系统也没有考虑土体所受到的应力作用，且垂直向渗流情况的压实过程与工程中实际的压实工艺不相符合。中国专利申请201320833798.9提出了一种各向异性土体双向渗透系数的室内常水头测试装置，但该装置仅能对进行常水头条件下土体渗透性的测试，也没有考虑土体所受到的应力作用，换言之，这种装置并不适用于研究深层土体的潜蚀破坏特性，同时在渗流过程中没有对土体的局部孔压进行实时监测。
目前现有渗透试验装置对土体的渗透性大都仅能进行单一方向上的测试无法在同一仪器中实现既能进行水平向渗透试验又能进行垂直向渗透试验；即使试验装置能够测试土体各向异性渗透系数，但其普遍存在操作复杂、测试精度不高、测试土体颗粒粒径受限、提供的渗透压力小、未考虑土体受到的应力作用、测试过程未实时监测土体局部孔压的变化等缺陷。因此亟须研制一种适用于开展应力作用下土体渗流侵蚀各向异性研究的一体式大型渗透试验装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置，可在同一装置内实现对侧限条件下垂直应力可控的土体水平向和垂直向渗流模式的简易切换，以适用测试各种土料的内部侵蚀各向异性，并适应目前高土石坝高水头的工程设计要求，且实现对土体内部侵蚀各向异性研究的切实需求。
解决上述技术问题的技术方案是：一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置，包括渗流系统、压力供水系统、轴向压力施加系统、出流收集系统和数据采集系统，所述渗流系统包括渗透仪和高精度的孔压传感器组成，是完成土样渗流侵蚀和水力数据测量的重要系统。所述压力供水系统包括供水液压缸、油缸、伺服油泵和控制台，可调节输出水压为土样渗透提供不同水头。所述轴向压力施加系统由压力控制器、位于顶盖与待测土体之间的水囊和待测土体顶部铺设的粗砂层组成，所述压力控制器将液体从顶盖水囊进水口中注入水囊内部以施加轴向应力。所述出流收集系统由出流物收集容器、密滤网和流量传感器组成。所述数据采集系统由PC电脑终端和数据采集分析软件组成。
所述渗流系统包括支座、渗透仪、收集漏斗和孔压传感器，所述渗透仪设置于支座上，所述收集漏斗设置于渗透仪下端并与渗透仪相贯通，孔压传感器设置于渗透仪上，所述的渗透仪包括渗透腔体和顶盖，所述渗透腔体为上下端开口结构，收集漏斗设置于渗透腔体下端并与渗透腔体相贯通，渗透腔体侧壁上开设有孔压传感器布设孔、排气孔和进水口，进水口包括水平渗流进水口和竖向渗流进水口，水平渗流进水口位于渗透腔体侧壁的中部，竖向渗流进水口位于渗透腔体侧壁上端，孔压传感器分别分布于孔压传感器布设孔中，顶盖盖于渗透腔体上端，收集漏斗下端设有渗流出水口。
所述渗流系统为水平向渗流系统或者垂直向渗流系统。
渗流系统为水平向渗流系统时，渗透腔体内设有多孔透水板和不透水板，所述不透水板位于渗透腔体下端，多孔透水板数量为2块，该2块多孔透水板相对设置于渗透腔体内的侧壁上，其中一块位于渗透腔体开设有水平渗流进水口的侧壁上，不透水板一端开始有出口，该不透水板的出口位于远离渗透腔体水平渗流进水口一侧，压力供水系统的供水液压缸出水口与渗透腔体的水平渗流进水口连接。
渗流系统为垂直向渗流系统时，渗透腔体内设有多孔透水板，多孔透水板位于渗透腔体下端，压力供水系统的供水液压缸出水口与渗透腔体的竖向渗流进水口连接。
本发明的进一步技术方案是：所述渗透腔体的侧壁上设有透明观测窗。所述渗透仪采用刚性材料制成，渗流仪包括渗透腔体、顶盖、大型收集漏斗和多孔透水板，所述渗透腔体位于渗透仪的中部，可容纳尺寸为540mm*500mm*470mm的水平渗流侵蚀试验土样，或者可容纳尺寸为540mm*540mm*440mm的竖向渗流侵蚀试验土样。多孔透水板安装在土样两侧或土样底部，板上均匀分布有透水孔。土样的压实、饱和、固结以及渗流侵蚀全过程均在该腔体内进行。所述多孔透水板和渗透仪侧壁之间形成集水腔，出流物可沿集水腔中最终汇集到大型收集漏斗内。
压力供水系统包括底座、供水液压缸、油缸，位移传感器，控制台和伺服油泵，供水液压缸、油缸，位移传感器，控制台和伺服油泵分别设置于底座上，伺服油泵与控制台连接，油缸与伺服油泵连接，油缸的活塞杆与供水液压缸连接，供水液压缸上的供水液压缸出水口与渗透腔体的进水口连接。
轴向压力施加系统包括液压表、活塞压力缸、压力传感器、调压阀、空气压缩机和柔性材质的水囊，水囊设置于渗透腔体内上端，所述空气压缩机通过调压阀与活塞压力缸连接，所述活塞压力缸通过液压表与顶盖的水囊进水口连接，压力传感器设置于活塞压力缸上。
所述顶盖位于渗透仪的上部，顶盖和待测土体之间设有由柔性材料制成的水囊共同保证渗透腔体的密闭性，所述水囊用于装置的密封和垂直应力的施加，所述囊内平板位于柔性材料的内部。所述柔性材料可紧贴渗透腔体内壁及待测土体的上表面，即使在土样发生大变形条件下，腔体仍可保证完全密封并将竖向应力均匀施加在待测土体上，还可通过水囊内水量变化获取待测土体内部侵蚀过程中的体积变化。所述柔性材质水囊采用液体硅胶制作。
出流收集系统包括出流物收集器和流量传感器，出流物收集器入口处设有密滤网，流量传感器设置于出流物收集器下方。
所述顶盖上设有装卸吊环。
所述多孔透水板与待测土样接触的一侧设有疏滤网。优选滤网孔径为1.5mm。
由于采用上述技术方案，本发明之一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置，具有以下有益效果：
1.采用本发明提出的一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置，结构简单，操作方便，渗流系统为水平向渗流系统或者垂直向渗流系统，可通过简易操作实现在同一装置内对侧限条件下垂直应力可控的土体水平向和垂直向渗流模式的切换，且试验过程不会对土样产生扰动，能真实地反映出土体内部侵蚀各向异性的渗透特性。
2.采用本发明提出的一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性渗透试验装置，创新性的将渗透腔体、多孔透水板和大型收集漏斗融合在一起，用于收集并排出土体在内部侵蚀试验过程中的出流物，进而实现水平向渗流出水口和垂直向渗流出水口的统一。
3.采用大型压力供水系统，通过控制台调节液压伺服体系将液压输出为高/低水压为土样渗透提供不同水头，以满足目前高土石坝高水头的工程设计要求。
4.采用本发明提出的一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性渗透试验装置，可适用实际工程中的砾石土等粒径较大的宽级配土，避免了常规渗透仪的缩尺问题，使试验条件及试验土样与实际工程更为接近。试验过程中可实时监测并获取土样的细颗粒侵蚀量、水力梯度特征值、总体水力梯度及总体渗透性、局部水力梯度及局部渗透性等水力特性的数据信息，为更高精度和效率的深入认识土体内部侵蚀各向异性的渗透特性演变过程提供了新角度。
下面，结合说明书附图和具体实施例对本发明之一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1：本发明渗透试验装置的结构示意图。
图2：水平向渗流系统的结构示意图。
图3：垂直向渗流系统的结构示意图。
图4：水平向渗流系统的结构示意图。
图5：图4中43的放大图。
图中箭头方向为水流方向。
在上述附图中，各标号说明如下：
I-渗流系统，II-压力供水系统，III-轴向压力施加系统，IV-出流物收集系统，V-数据采集系统，1-渗透仪，2-顶盖，3-柔性材质水囊，4-大型收集漏斗，5-水囊进水口，6-排气孔，7-装卸吊环，8-渗流出水口，9-支座，10-水平渗流进水口，11-竖向渗流进水口，12-孔压传感器，13-透明观测窗，14-密滤网，15-出流物收集器，16-流量传感器，17-供水液压缸进水口，18-供水液压缸出水口，19-供水液压缸，20-活塞杆，21-油缸，22-位移传感器，23-大型压力供水系统底座，24-控制台，25-伺服油泵，26-液压表，27-活塞压力缸，28-压力传感器，29-调压阀，30-空气压缩机，31-数据采集PC终端，32-多孔透水板，33-密封胶，34-集水腔，35-不透水板，36-粗砂层，37-渗透腔体，38-孔压传感器布设孔，39-待测土样，40-疏滤网，41-多孔透水板孔径，42-斜槽，43-导水槽结构，44-万向轮。
具体实施方式
一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置，包括渗流系统、压力供水系统、轴向压力施加系统、出流收集系统和数据采集系统，
可分别实现土样渗流侵蚀、高水头提供、固结压力施加、出流物收集和数据信息实时采集的功能。通过渗流系统对土样渗流侵蚀，压力供水系统给土样提供渗流液，轴向压力施加系统对土样施加压力，出流收集系统收集经过土样渗透后流出的出流物，数据采集系统对数据信息实时采集。
所述渗流系统包括支座、渗透仪、收集漏斗和孔压传感器，所述渗透仪设置于支座上，所述收集漏斗设置于渗透仪下端并与渗透仪相贯通，孔压传感器设置于渗透仪上，所述的渗透仪包括渗透腔体和顶盖，所述渗透腔体为上下端开口结构，收集漏斗设置于渗透腔体下端并与渗透腔体相贯通，渗透腔体侧壁上开设有孔压传感器布设孔、排气孔和进水口，进水口包括水平渗流进水口和竖向渗流进水口，水平渗流进水口位于渗透腔体侧壁的中部，竖向渗流进水口位于渗透腔体侧壁上端，孔压传感器分别分布于孔压传感器布设孔中，顶盖盖于渗透腔体上端，收集漏斗下端设有渗流出水口。所述渗透腔体的侧壁上设有透明观测窗。孔压传感器分别设置于渗透腔体的侧壁和底部上，渗透腔体后侧壁（与开始有透明观测窗相对的侧壁）上以矩阵的方式分布有孔压传感器。所述顶盖上设有装卸吊环。所述渗流系统为水平向渗流系统或者垂直向渗流系统。所述收集漏斗位于渗透仪的下部，用多孔透水板或不透水板与土样隔开，出流液和流失细颗粒均汇集于此并从其底部的渗流出水口排出，进入出流收集系统。所述渗流系统放置在可移动的重型万向轮上。
渗流系统为水平向渗流系统时，渗透腔体内设有多孔透水板和不透水板，多孔透水板上均匀分布有多孔透水板透水孔。所述不透水板位于渗透腔体下端，渗透腔体下端设有用于支撑板块的凸块，不透水板放置于该凸块上，多孔透水板数量为2块，该2块多孔透水板相对设置于渗透腔体内的侧壁上，其中一块位于渗透腔体开设有水平渗流进水口的侧壁上，不透水板一端开始有出口，该不透水板的出口位于远离渗透腔体水平渗流进水口一侧，压力供水系统的供水液压缸出水口与渗透腔体的水平渗流进水口连接；多孔透水板和不透水板可直接放置于渗透腔体即可，在放土样前先把多孔透水板和不透水板放置好，然后填充土壤。水平向渗流系统中的多孔透水板两端分别通过密封胶（密封玻璃胶）与渗透腔体侧壁贴合，多孔透水板与渗透腔体侧壁之间的空隙构成集水腔，水流经过进水口进入到集水腔，然后再流经多孔透水板进入到渗透腔体中，并流经渗透腔体中的待测土样，经过土样的渗透，水流到与进水口相对的多孔透水板，在经过多孔透水板和不透水板的出口流到收集漏斗中。
渗流系统为垂直向渗流系统时，渗透腔体内设有多孔透水板，多孔透水板上均匀分布有多孔透水板透水孔。多孔透水板位于渗透腔体下端，渗透腔体下端设有用于支撑板块的凸块，多孔透水板放置于该凸块上，压力供水系统的供水液压缸出水口与渗透腔体的竖向渗流进水口连接，渗透腔体的上端还设有粗砂层，粗砂层位于土样上方并位于水囊下方，该粗砂层中设有分水管，分水管的入口分别与竖向渗流进水口连接，分水管的出口位于不同的位置，该粗砂层和分水管方便水流可以全面均匀的从上至下流到渗透腔体中的待测土样。所述多孔透水板与待测土样接触的一侧设有疏滤网。
所述渗流系统为大型水平向渗流系统或者大型垂直向渗流系统，压力供水系统可为大型压力供水系统；大型水平向渗流系统的渗透腔体可容纳尺寸为540mm*500mm*470mm的水平渗流侵蚀试验土样，大型垂直向渗流系统的渗透腔体可容纳尺寸为540mm*540mm*440mm的竖向渗流侵蚀试验土样。所述多孔透水板上的钻孔与水平方向成40度倾斜向下，该钻孔为出水孔，且多孔透水板和不透水板均在一侧有相互匹配的斜槽，该斜槽上设有水流出口。所述多孔透水板与待测土样接触的一侧设有孔径为1.5mm的疏滤网；所述多孔透水板出水孔孔径为5~15mm，孔距为10~20mm，进一步优选的所述多孔透水板的孔径为10mm，孔距为20mm。渗流系统采用密封玻璃胶及密封件进行密封。所述多孔透水板与待测土样接触的一侧设有疏滤网，进一步优选滤网孔径为1.5mm。
所述渗透腔体左、右侧面壁上、顶盖及底部上设有排气孔和孔压传感器，所述渗透仪左侧壁上设有水平向渗流进水口和垂直向渗流进水口，进水口与大型压力供水系统连接。所述渗透腔体的后侧面壁上沿水平向和垂直向分别布设有多个孔压传感器，孔压传感器数量不少于13个。所述渗透腔体左、右侧壁上的孔压传感器用于测量水平向内部侵蚀试验过程中土样的总体水力梯度，沿水平向按一定间距布设的多个孔压传感器用于测量水平向内部侵蚀试验过程中土样各部位的局部水力梯度；所述渗透腔体顶盖、底部壁上的孔压传感器用于测量垂直向内部侵蚀试验过程中土样的总体水力梯度，沿垂直向按一定间距布设的多个孔压传感器用于测量垂直向内部侵蚀试验过程中土样各部位的局部水力梯度。
所述渗透仪的前侧面包括透明有机玻璃板和不锈钢外框，所述有机玻璃板设在不锈钢外框内侧，该有机玻璃板为透明观测窗，透过所述有机玻璃板，可对土样变形和土样细颗粒的迁移进行监测处理。可利用粒子图像测速技术和染色识别技术对土体变形和土颗粒迁移情况进行监测。
压力供水系统包括底座、供水液压缸、油缸，位移传感器，控制台和伺服油泵，供水液压缸、油缸，位移传感器，控制台和伺服油泵分别设置于底座上，伺服油泵与控制台连接，油缸与伺服油泵连接，油缸的活塞杆与供水液压缸连接，供水液压缸上设有供水液压缸进水口、供水液压缸出水口和排气孔，供水液压缸上的供水液压缸出水口与渗透腔体的进水口连接。
轴向压力施加系统包括液压表、活塞压力缸、压力传感器、调压阀、空气压缩机和柔性材质的水囊，水囊设置于渗透仪上，水囊设置于渗透腔体内上端，所述空气压缩机通过调压阀与活塞压力缸连接，所述活塞压力缸通过液压表与顶盖的水囊进水口连接，压力传感器设置于活塞压力缸上，水源通过活塞压力缸与水囊进水口连接，使用时，向水囊灌水，进而对土样施加纵向（轴向）压力。水囊是柔性材质的水囊，水囊分别与渗透腔体的四周内侧壁、与顶盖为密封贴合连接。
出流收集系统包括出流物收集器和流量传感器，出流物收集器入口处设有密滤网，流量传感器设置于出流物收集器下方。
数据采集系统为数据采集PC终端，数据采集PC终端分别与流量传感器、压力传感器、孔压传感器和液压表等连接，方便收集数据。数控的控制方法可为常规的控制方法。
具体实施例：一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置，所述渗流侵蚀各向异性渗透装置主要由大型水平向/垂直向渗流系统、大型压力供水系统、轴向压力施加系统、出流收集系统和数据采集系统组成，可分别实现土样渗流侵蚀、高水头提供、固结压力施加、出流物收集和数据信息实时采集等功能。所述大型水平向/垂直向渗流系统可通过多孔透水板、不透水板、砂层、底部大型收集漏斗的布设来实现水平和竖向渗流出水口的统一，进而实现水平向/垂直向渗流模式的简易切换。所述渗透腔体的前侧面设有透明板，待测土体放置于所述渗透腔体内，所述顶盖与待测土体间有用于密封和应力施加的柔性材料；所述待测土体承受的应力作用由轴向压力施加系统施加，方向垂直向下。所述大型水平向/垂直向渗流系统中沿渗透仪后侧面壁上布设多个高精度孔压传感器可获取土体内部局部孔压的实时信息。所述应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置可适用于砾石土等粒径较大的宽级配土，有效避免了常规渗透仪的缩尺问题，所述的大型压力供水系统可输出高/低水头，以满足目前高土石高水头的工程设计要求，使试验条件及土样更接近于实际工程。本发明操作程序简明、水平向/垂直向的渗流模式切换简易、可直接深入观察、经济可操作性强、数据信息监测全面，从而为深入认识应力作用下土体内部侵蚀各向异性的渗透特性的演变规律提供了新角度，为后续研究提供试验基础。
如图1~图3所示，一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置，包括大型水平向/（或）垂直向渗流系统（通过改变进水位置，再通过多孔透水板和不透水板改变渗透腔体中水流经过土样的方向来实现，方便实验）、大型压力供水系统、轴向压力施加系统、出流物收集系统和数据采集系统。
如图1所示，大型的水平向/垂直向渗流系统包括渗透仪1和高精度的孔压传感器12，是完成土样渗流侵蚀和水力数据测量的重要系统。所述渗透仪1是大型水平向/垂直向渗流系统的核心，待测土样39的压实、饱和、固结以及渗流侵蚀的全过程均在该渗透仪1内进行完成；所述渗透仪1包括渗透腔体37、顶盖2、大型的收集漏斗4、多孔透水板32和导水槽结构43。所述渗透腔体36位于渗透仪1的中部，渗透腔体36为可容纳尺寸为540mm*500mm*470mm的水平渗流侵蚀试验土样或者可容纳540mm*540mm*440mm的竖向渗流侵蚀试验土样。根据实验需要的水流方向可将多孔透水板32安装在待测土样39两侧或待测土样39底部，多孔透水板上均匀分布有多孔透水板透水孔41。所述顶盖设有装卸吊环，所述装卸吊环可与大型起吊装置相连，便于搬运；所述大型水平向/垂直向渗流系统放置在重型万向轮上，便于移动试验装置。
如图1所示，大型的压力供水系统的目的是给待测土样提供渗透试验测试过程中的渗透水，且可提供高水头。所述大型的压力供水系统主要由供水液压缸19、油缸21、控制台24和伺服油泵25等组成；大型压力供水系统通过所述供水液压缸出水口18与所述水平渗流进水口10或竖向渗流进水口11相连为待测土样提供所需的不同水头的渗透水；所述控制台24调控输出水压，该控制台可为常规的PLC控制系统，启动伺服油泵25推动活塞杆20，将所述供水液压缸19中的试验用水注入到渗透仪1中予以施加。所述大型的压力供水系统通过调控伺服液压系统可进行水力梯度的稳定加载，最大注水压力为5MPa。
如图1所示，轴向压力施加系统的目的是给待测土样提供渗透试验测试过程中所需的侧限固结应力。所述轴向压力施加系统由液压表26、活塞压力罐27、调压阀29、空气压缩机30、压力传感器28、位于所述顶盖2与待测土体之间的水囊3和待测土样39顶部铺设的粗砂层36组成。所述轴向压力施加系统将液体从顶盖2的水囊进水口5中注入水囊3内部，通过调节调压阀29以施加稳定的轴向应力。所述顶盖设有水囊进水口，所述空气压缩机通过减压阀与活塞压力罐连接，所述活塞压力罐通过液压表与顶盖的水囊进水口连接。
如图1所示，出流物收集系统的目的是测量通过待测土样39的渗透水量、经历的时间、细颗粒的侵蚀量，出流物收集系统与所述渗流出水口8相连。出流收集系统由出流物收集容器15、密滤网14、流量传感器16组成；所述出流收集容器15与所述渗透仪1底部的大型收集漏斗4相连；所述出流收集容器15用于收集通过待测土样39的渗透水，为了防止液面蒸发损失水量带来误差影响，所述出流收集容器15为半密封结构；所述出流收集容器15与密滤网14相连，用于获取待测土样39发生内部侵蚀时细颗粒的侵蚀量；所述流量传感器16包括压力传感器和计时传感器，用于监测进入出流收集容器内水的质量和记录出流收集容器内水量变化的历程。
如图1所示，数据采集系统的目的是可实时记录和处理土体在整个内部侵蚀过程中所监测到的水力数据信息，高度精确和效率的获取土体的渗透特性，包括细颗粒侵蚀量、水力梯度特征值、总体水力梯度及总体渗透性、局部水力梯度及局部渗透性等信息。数据采集系统用于自动采集、存储和分析试验数据信息，与渗透仪1侧壁上布设的各高精度的孔压传感器相连，由数据采集PC终端和数据采集分析软件组成。
如图2-图3所示，水平向/垂直向渗流系统采用装卸多孔透水板32、不透水板35和粗砂层36的方式实现水平向/垂直向渗流模式的简易切换。进行土体水平向内部侵蚀试验时，在待测土样39的左、右两侧的渗透腔体37的内测版上分别安装一块多孔透水板32，所述待测土样39底部安装不透水板35，待测土样39上表面直接与柔性材质水囊3底部接触。渗透压力水自大型的压力供水系统注向渗透仪1左水平渗流进水口10进入集水腔34，经多孔透水板32均匀进入渗透到待测土样39内部，沿水平方向流经待测土样39后自另一侧的多孔透水板32流出，完成土体的水平向内部侵蚀试验。进行垂直向渗流侵蚀试验时，卸去渗透腔体37两侧多孔透水板32，将待测土样39底部的不透水板35更换为多孔透水板32，同时在待测土样39和柔性材质水囊3间增设一层粗砂层36和分流管，渗透压力水自大型压力供水系统注向渗透仪1左侧壁的竖向渗流进水口11进入粗砂层36，经所述粗砂层36和分流管均匀进入待测土样39，沿竖直方向流经待测土样39后自底部的多孔透水板32流出。所述多孔透水板32与待测土样39接触的一侧可设有疏滤网40，避免多孔透水板32对试验过程中细颗粒的迁移与侵蚀流失过程产生影响。
如图4所示，所述多孔透水板32和渗透仪1侧壁之间形成集水腔34，土样出水侧的多孔透水板和底部的不透水板构成导水槽结构43，出流物可沿导水槽结构43最终汇集到大型收集漏斗4内，进而实现将水平向渗流侵蚀试验的出流物导入位于所述渗透仪1底部的大型收集漏斗4并排出，实现所述水平渗流出水口10和所述竖向渗流出水口11统一。
如图2-图4所示，所述孔压传感器12布设在所述渗透仪1的左侧面壁、右侧面壁、后侧面壁上及底部壁上，安装在左侧面壁上位于水平向渗流进水口10位置处的孔压传感器12和右侧面位于集水腔34对应位置处的孔压传感器12，用来测量待测土样39进出水侧边界处的渗透压力，进而得到待测土样39水平向内部侵蚀过程中的总体水力梯度；安装在右侧面壁上与左侧面壁上的垂直向进水口11对应位置处的孔压传感器12，与安装在底部壁上的孔压传感器12，用于测量待测土样39进出水侧边界处的渗透压力，进而得到待测土样39垂直向内部侵蚀过程中的总体水力梯度；所述孔压传感器12按照一定间距布设在渗透仪1的后侧面壁上，用来测量试验过程中待测土样39各处的渗透压力，进而得到土样各部位的局部水力梯度。所述孔压传感器12安装在渗透仪1的顶盖2上，用来测量柔性材质水囊3内的液压值。
Claims (7)
1.一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置，包括渗流系统、压力供水系统、轴向压力施加系统、出流收集系统和数据采集系统，其特征在于：
所述渗流系统包括支座、渗透仪、收集漏斗和孔压传感器，所述渗透仪设置于支座上，所述收集漏斗设置于渗透仪下端并与渗透仪相贯通，孔压传感器设置于渗透仪上，所述的渗透仪包括渗透腔体和顶盖，所述渗透腔体为上下端开口结构，收集漏斗设置于渗透腔体下端并与渗透腔体相贯通，渗透腔体侧壁上开设有孔压传感器布设孔、排气孔和进水口，进水口包括水平渗流进水口和竖向渗流进水口，水平渗流进水口位于渗透腔体侧壁的中部，竖向渗流进水口位于渗透腔体侧壁上端，孔压传感器分别分布于孔压传感器布设孔中，顶盖盖于渗透腔体上端，收集漏斗下端设有渗流出水口；
所述渗流系统为水平向渗流系统或者垂直向渗流系统；
渗流系统为水平向渗流系统时，渗透腔体内设有多孔透水板和不透水板，所述不透水板位于渗透腔体下端，多孔透水板数量为2块，该2块多孔透水板相对设置于渗透腔体内的侧壁上，其中一块位于渗透腔体开设有水平渗流进水口的侧壁上，不透水板一端开始有出口，该不透水板的出口位于远离渗透腔体水平渗流进水口一侧，压力供水系统的供水液压缸出水口与渗透腔体的水平渗流进水口连接；
渗流系统为垂直向渗流系统时，渗透腔体内设有多孔透水板，多孔透水板位于渗透腔体下端，压力供水系统的供水液压缸出水口与渗透腔体的竖向渗流进水口连接。
2.根据权利要求1所述的一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置，其特征在于：所述渗透腔体的侧壁上设有透明观测窗。
3.根据权利要求1所述的一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置，其特征在于：压力供水系统包括底座、供水液压缸、油缸，位移传感器，控制台和伺服油泵，供水液压缸、油缸，位移传感器，控制台和伺服油泵分别设置于底座上，伺服油泵与控制台连接，油缸与伺服油泵连接，油缸的活塞杆与供水液压缸连接，供水液压缸上的供水液压缸出水口与渗透腔体的进水口连接。
4.根据权利要求1所述的一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置，其特征在于：轴向压力施加系统包括液压表、活塞压力缸、压力传感器、调压阀、空气压缩机和柔性材质的水囊，水囊设置于渗透腔体内上端，所述空气压缩机通过调压阀与活塞压力缸连接，所述活塞压力缸通过液压表与顶盖的水囊进水口连接，压力传感器设置于活塞压力缸上。
5.根据权利要求1所述的一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置，其特征在于：出流收集系统包括出流物收集器和流量传感器，出流物收集器入口处设有密滤网，流量传感器设置于出流物收集器下方。
6.根据权利要求1所述的一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置，其特征在于：所述顶盖上设有装卸吊环。
7.根据权利要求1所述的一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置，其特征在于：所述多孔透水板与待测土样接触的一侧设有疏滤网。
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