CN111044704A - 一种基于土体内部侵蚀的管道溶解试验设备及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种基于土体内部侵蚀的管道溶解试验设备及试验方法，包括供水装置、集水装置、侵蚀发生装置、收集装置、测量装置及拍摄装置，所述集水装置、侵蚀发生装置和收集装置均呈中空顶部开口的方形结构且自上而下依次堆放搭接；所述侵蚀发生装置的内腔中部设有竖直放置的葡萄糖管道，所述葡萄糖管道的边缘设有若干含水率传感器、孔隙水压力传感器及位移传感器。本发明为建立适当的模型以预测侵蚀后的土体沉降及扰动影响奠定了坚实的基础，对岩土工程中涉及有关水土流失的研究、工程建设中预防土体内部侵蚀造成的危害，减少工程和非工程事故的产生等方面均有着积极的指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种基于土体内部侵蚀的管道溶解试验设备及试验方法。
背景技术
近年来，随着城市建设的飞速发展，与地面塌陷和管道相关的土壤侵蚀灾害显著增加，城市路面塌陷事故剧增，给城市建设带来了较大的安全隐患。对此，有关学者也相应开展了大量工作，研究发现，由于在地下水渗流的作用下，部分地下矿物溶解，降解或内部侵蚀导致的土壤颗粒流失，在路面以下的地层中产生了大量隐伏空洞和管道，使土壤微观结构产生变化，从而影响土壤的强度和刚度，是造成路面沉降和地面塌陷等一系列问题的主要原因。
国内对路面沉降和地面塌陷的研究还处于起步阶段，多以工程案例分析或空洞探测的手段来进行研究，缺乏对土体内部侵蚀及空洞形成机理的系统性实验室试验研究。目前，关于土壤内部侵蚀的实验室试验研究可分为两类，一类是通过混合水溶性材料如盐或糖，通过颗粒溶解引发试样内部的侵蚀，但难以建立不同地下水条件、不同渗水位置以及不同级配砂土条件下的内部侵蚀模型；另一类是从改进的三轴试验仪中冲洗一定尺寸的颗粒，例如，通过将三轴试验仪中的传统基座替换为分布有小孔的基座，试验时可以在水中过滤掉细小的颗粒，但此试验方法研究的是土体内部侵蚀过程中的强度刚度变化情况，缺乏土体内部侵蚀及空洞形成中各项参数指标在侵蚀过程中变化机理的数据研究，难以分析其变化原因。上述试验研究中，重复指出了土壤的弱化力学行为，并将此归因于孔隙率的增加和颗粒接触的减少。至今，关于在侵蚀后状态下非均匀土壤性质的研究工作很少，关于局部集中颗粒如何去除影响土壤力学行为的问题依然没有得到有效解决，大多数学者仍然停留在研究地下管道产生裂缝后对管道周边土体的侵蚀影响，或者模拟地下空洞的形成等，关于侵蚀溶解管道的试验其技术方案仍显单一，缺乏系统性、综合性。
本发明正是基于上述考虑，与现有的土体内部侵蚀机理室内试验不同，设计了全新的一种基于土体内部侵蚀的管道溶解试验设备，通过预先在土体中埋设可以溶解的不同直径的管道，在管道溶解过程中监测记录管道周边土体扰动以及土体沉降变形情况，来开展模拟在不同地下水以及不同砂土的条件下的土体内部侵蚀模型试验，监测土体内部侵蚀溶解试验的含水率、孔隙水压力以及沉降变形的情况，进而深入探究各参数在侵蚀过程中的变化机理及变化原因，提出相应预防内部侵蚀的措施，为城市建设预防土壤侵蚀灾害提供试验依据。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于土体内部侵蚀的管道溶解试验设备及试验方法，能够便捷地控制水位高度及水流速度，通过溶解葡萄糖等可溶性物质构造的不同直径的管道有效地模拟了土体内部侵蚀的过程，试验中管道开始溶解后，可以观察管道周边土体的扰动以及周边土体沉降变形的情况，并有利于记录试验过程中的含水率、位移和孔隙水压力等参数的变化，从而能够根据所得参数来分析试验现象的产生原因以及与各个参数之间的关联关系，从而为建立适当的模型以预测侵蚀后的土体沉降及扰动影响奠定了坚实的基础，对岩土工程中涉及有关水土流失的研究、工程建设中预防土体内部侵蚀造成的危害，减少工程和非工程事故的产生等方面均有着积极的指导意义。
为了实现本发明的目的,本发明采用的技术方案为：
本发明公开了一种基于土体内部侵蚀的管道溶解试验设备，包括供水装置、集水装置、侵蚀发生装置、收集装置、测量装置及拍摄装置，所述供水装置包括水源、进水电磁阀以及管道，所述水源通过管道与设置于集水装置内壁上方的水龙头相连；所述集水装置、侵蚀发生装置和收集装置均呈中空顶部开口的方形结构且自上而下依次堆放搭接，所述集水装置和侵蚀发生装置的底部均匀设有若干通孔，且其外壁下方设有用于控制所述通孔开启或闭合的集水装置控制阀门和侵蚀发生装置控制阀门，所述侵蚀发生装置的侧壁上方设有传感器布置孔；所述侵蚀发生装置的内腔中部设有竖直放置的葡萄糖管道，所述葡萄糖管道的边缘设有若干含水率传感器、孔隙水压力传感器及位移传感器；所述测量装置为设置于所述集水装置和侵蚀发生装置外壁上的标尺；所述拍摄装置包括能够调节位置的支架及工业相机，所述支架的一端与所述收集装置的外壁相连，另一端用于夹持工业相机。
所述管道内设有浮子流量计。
所述集水装置的底部设有滤纸，所述侵蚀发生装置的底部设有滤网。
所述集水装置、侵蚀发生装置和收集装置由有机玻璃板制成。
本发明公开了一种基于土体内部侵蚀的管道溶解试验设备的试验方法，包括如下步骤：
S1，根据试验方案配置好初始含水率砂土以及可溶性葡萄糖粉末；
S2，通过侵蚀发生装置控制阀门关闭侵蚀发生装置底部通孔，在侵蚀发生装置中分层装填初始含水率砂土，并锤密实，装填好每一层砂土后撒上一层红纱，在中心位置处埋设葡萄糖管道，直至初始含水率砂土分层将侵蚀发生装置填装满，在葡萄糖管道中倒入可溶性葡萄糖粉末，压密实后抽出葡萄糖管道，同时，分层分批次埋设含水率传感器、孔隙水压力传感器及位移传感器；
S3，依次将侵蚀发生装置搭在收集装置上，将集水装置搭在侵蚀发生装置上，关闭集水装置控制阀门从而关闭集水装置底部的通孔；
S4，在进行试验前，打开水龙头，使水位达到选定好试验所需水位高度，接着打开集水装置控制阀门，使水从集水装置底部通孔中通过滤纸均匀渗流入侵蚀发生装置内的砂土中，调整进水电磁阀与水龙头，使水位高度维持恒定
S5，试验开始，打开侵蚀发生装置控制阀门来打开侵蚀发生装置底部的通孔，通过含水率传感器、孔隙水压力传感器及位移传感器在电脑中记录相关各层土体中测试参数的变化情况，侵蚀发生装置底部有水土颗粒流出时关闭集水装置控制阀门以及水龙头，静置一段时间后，通过收集装置收集试验后流失的水土颗粒流失量；
S6，将工业相机放于能够调节位置的支架上，不断拍取各个所需部位的大小合适且最为清楚的试验照片。
本发明的有益效果在于：
1. 本发明能够便捷地控制水位高度及水流速度，通过溶解葡萄糖等可溶性物质构造的不同直径的管道有效地模拟了土体内部侵蚀的过程，试验中管道开始溶解后，可以观察管道周边土体的扰动以及周边土体沉降变形的情况，并有利于记录试验过程中的含水率、位移和孔隙水压力等参数的变化，从而能够根据所得参数来分析试验现象的产生原因以及与各个参数之间的关联关系，从而为建立适当的模型以预测侵蚀后的土体沉降及扰动影响奠定了坚实的基础，对岩土工程中涉及有关水土流失的研究、工程建设中预防土体内部侵蚀造成的危害，减少工程和非工程事故的产生等方面均有着积极的指导意义；
2. 本发明通过浮子流量计控制水流速度，可以在室内模拟不同流速的侵蚀实验；
3. 本发明通过在侵蚀发生装置内设置孔隙水压力传感器、含水率传感器和位移传感器，可实时监测侵蚀试验时管道溶解过程中不同土层的孔隙水压力力的变化、含水率的变化和位移的变化；
4. 本发明通过将工业相机放于可以调节位置的支架上，能够拍取各个所需部位的大小合适且最为清楚的试验照片；
5.本发明通过集水装置、侵蚀发生装置和收集装置由有机玻璃板制成，可以承受较大的力而不失去稳定性，且在所述试验装置的集水装置及侵蚀发生装置外表面沿竖向设有标尺，有利于观测集水装置中水位的高度及侵蚀发生装置中土体的高度及沉降变化情况；
6. 本发明结构简单，易于制作，操作方便。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中，1.水源；2.管道；3.进水电磁阀；4.浮子流量计；5.水龙头；6.测量装置；7.集水装置；8.集水装置控制阀门；9.传感器布置孔；10.侵蚀发生装置；11.侵蚀发生装置控制阀门；12.收集装置；13.支架；14.工业相机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
参见图1。
本发明公开了一种基于土体内部侵蚀的管道溶解试验设备，包括供水装置、集水装置7、侵蚀发生装置10、收集装置12、测量装置6及拍摄装置，所述供水装置包括水源1、进水电磁阀3以及管道2，所述水源1通过管道2与设置于集水装置7内壁上方的水龙头5相连；所述集水装置7、侵蚀发生装置10和收集装置12均呈中空顶部开口的方形结构且自上而下依次堆放搭接，所述集水装置7和侵蚀发生装置10的底部均匀设有若干通孔，且其外壁下方设有用于控制所述通孔开启或闭合的集水装置控制阀门8和侵蚀发生装置控制阀门11，本案中通过集水装置控制阀门8和侵蚀发生装置控制阀门11控制通孔的开启或闭合为现有技术，其技术方案不再赘述；所述侵蚀发生装置的侧壁上方设有传感器布置孔9，便于含水率传感器、孔隙水压力传感器及位移传感器的布置；所述侵蚀发生装置10的内腔中部设有竖直放置的葡萄糖管道，通过可溶性葡萄糖等可溶性物质构造的不同直径的葡萄糖管道有效地模拟了土体内部侵蚀的过程；所述葡萄糖管道的边缘设有若干含水率传感器、孔隙水压力传感器及位移传感器，可实时监测侵蚀试验时管道溶解过程中不同土层的孔隙水压力力的变化、含水率的变化和位移的变化；试验中管道开始溶解后，可以观察管道周边土体的扰动以及周边土体沉降变形的情况，并有利于记录试验过程中的含水率、位移和孔隙水压力等参数的变化，从而能够根据所得参数来分析试验现象的产生原因以及与各个参数之间的关联关系，从而为建立适当的模型以预测侵蚀后的土体沉降及扰动影响奠定了坚实的基础，对岩土工程中涉及有关水土流失的研究、工程建设中预防土体内部侵蚀造成的危害，减少工程和非工程事故的产生等方面均有着积极的指导意义；
所述测量装置6为设置于所述集水装置7和侵蚀发生装置10外壁上的标尺，有利于观测集水装置7中水位的高度及侵蚀发生装置10中土体的高度及沉降变化情况；
所述拍摄装置包括能够调节位置的支架及工业相机，所述支架的一端与所述收集装置的外壁相连，另一端用于夹持工业相机，能够拍取各个所需部位的大小合适且最为清楚的试验照片。
所述管道2内设有浮子流量计4，是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表，控制水流速度，可以在室内模拟不同流速的侵蚀实验。
所述集水装置7的底部设有滤纸，所述侵蚀发生装置10的底部设有滤网，可以控制集水装置7内水的均匀渗流与侵蚀发生装置10中细小土颗粒的流失，在室内模拟不同水位高度的侵蚀试验。
所述集水装置7、侵蚀发生装置10和收集装置12由有机玻璃板制成，可以承受较大的力而不失去稳定性且有机玻璃板透明便于设置于所述集水装置7和侵蚀发生装置10外壁上的标尺，观测集水装置7中水位的高度及侵蚀发生装置10中土体的高度及沉降变化情况。
实施例：本实施例的侵蚀实验装置可用于观测管道溶解过程中周边的土体的扰动以及周边土体沉降变形的情况，检测岩土体积含水率、孔隙水压力、位移形变以及土体流失率，具体试验方法如下：
S1，根据试验方案配置好初始含水率砂土以及可溶性葡萄糖粉末；
S2，关闭侵蚀发生装置控制阀门11以关闭侵蚀发生装置10底部的通孔，在侵蚀发生装置10中每隔10cm分层装填根据试验方案配置好的初始含水率砂土，并锤密实，装填好每一层砂土后撒上一层薄薄的红纱，在指定高度中心位置处开始埋设直径18mm葡萄糖管道，直至砂土分层装填满，在葡萄糖管道中倒入可溶性葡萄糖粉末，压密实后缓慢抽出葡萄糖管道；同时分层分批次埋置指定位置处的含水率传感器、孔隙水压力传感器及位移传感器；
S3，依次将侵蚀发生装置10搭在收集装置12上，将集水装置7搭在侵蚀发生装置10上，关闭集水装置控制阀门8从而关闭集水装置7底部的通孔；
S4，在进行试验前，缓慢打开水龙头5，使水位达到选定好试验所需的10cm水位高度，接着打开集水装置控制阀门8，使水从集水装置7底部通孔中通过滤纸均匀渗流入侵蚀发生装置10内的砂土中，调整进水电磁阀3与水龙头5，使水位高度维持恒定，试验开始，打开侵蚀发生装置控制阀门11来打开侵蚀发生装置10底部的通孔；
S5，试验开始后，通过含水率传感器、孔隙水压力传感器及位移传感器在电脑中记录相关各层土体中测试参数的变化情况，侵蚀发生装置10底部有水土颗粒流出时关闭集水装置控制阀门8以及水龙头5，静置一段时间后，通过收集装置12收集试验后流失的水土颗粒流失量；
S6，将工业相机14放于可以调节位置的支架13上，不断拍取各个所需部位的大小合适且最为清楚的试验照片；各传感器记录施加间隔，拍照时间间隔，拍照位置等的调整依据具体试验方案而定。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于土体内部侵蚀的管道溶解试验设备，其特征在于：包括供水装置、集水装置、侵蚀发生装置、收集装置、测量装置及拍摄装置，
所述供水装置包括水源、进水电磁阀以及管道，所述水源通过管道与设置于集水装置内壁上方的水龙头相连；
所述集水装置、侵蚀发生装置和收集装置均呈中空顶部开口的方形结构且自上而下依次堆放搭接，所述集水装置和侵蚀发生装置的底部均匀设有若干通孔，且其外壁下方设有用于控制所述通孔开启或闭合的集水装置控制阀门和侵蚀发生装置控制阀门，所述侵蚀发生装置的侧壁上方设有传感器布置孔；
所述侵蚀发生装置的内腔中部设有竖直放置的葡萄糖管道，所述葡萄糖管道的边缘设有若干含水率传感器、孔隙水压力传感器及位移传感器；
所述测量装置为设置于所述集水装置和侵蚀发生装置外壁上的标尺；
所述拍摄装置包括能够调节位置的支架及工业相机，所述支架的一端与所述收集装置的外壁相连，另一端用于夹持工业相机。
2.根据权利要求1所述的一种基于土体内部侵蚀的管道溶解试验设备，其特征在于：所述管道内设有浮子流量计。
3.根据权利要求2所述的一种基于土体内部侵蚀的管道溶解试验设备，其特征在于：所述集水装置的底部设有滤纸，所述侵蚀发生装置的底部设有滤网。
4.根据权利要求3所述的一种基于土体内部侵蚀的管道溶解试验设备，其特征在于：所述集水装置、侵蚀发生装置和收集装置由有机玻璃板制成。
5.一种基于土体内部侵蚀的管道溶解试验设备的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，根据试验方案配置好初始含水率砂土以及可溶性葡萄糖粉末；
S2，通过侵蚀发生装置控制阀门关闭侵蚀发生装置底部通孔，在侵蚀发生装置中分层装填初始含水率砂土，并锤密实，装填好每一层砂土后撒上一层红纱，在中心位置处埋设葡萄糖管道，直至初始含水率砂土分层将侵蚀发生装置填装满，在葡萄糖管道中倒入可溶性葡萄糖粉末，压密实后抽出葡萄糖管道，同时，分层分批次埋设含水率传感器、孔隙水压力传感器及位移传感器；
S3，依次将侵蚀发生装置搭在收集装置上，将集水装置搭在侵蚀发生装置上，关闭集水装置控制阀门从而关闭集水装置底部的通孔；
S4，在进行试验前，打开水龙头，使水位达到选定好试验所需水位高度，接着打开集水装置控制阀门，使水从集水装置底部通孔中通过滤纸均匀渗流入侵蚀发生装置内的砂土中，调整进水电磁阀与水龙头，使水位高度维持恒定
S5，试验开始，打开侵蚀发生装置控制阀门来打开侵蚀发生装置底部的通孔，通过含水率传感器、孔隙水压力传感器及位移传感器在电脑中记录相关各层土体中测试参数的变化情况，侵蚀发生装置底部有水土颗粒流出时关闭集水装置控制阀门以及水龙头，静置一段时间后，通过收集装置收集试验后流失的水土颗粒流失量；
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