CN111693437A - 粗粒类钙质砂竖向渗流模型箱及其试验方法 - Google Patents

Abstract

粗粒类钙质砂渗流模型箱，包括箱体，箱体的顶部密封扣合有顶盖；箱体的内部从下到上依次设有第一多孔板和第二多孔板，将箱体的内部分隔成砾石腔、试样填装腔和溢水腔，砾石腔内铺设有砾石，试样填装腔内填装有试样；砾石腔的左、右两侧壁分别设有进水口和排水口；砾石腔内水平铺设有多孔管网，多孔管网与进水口连接；试样填装腔的后侧壁、左侧壁和右侧壁上设有若干测压孔，测压孔内安装有孔隙水压力传感器；溢水腔的前、后两侧壁上设有若干溢水口。本发明还提供一种粗粒类钙质砂渗流模型箱的试验方法。本发明能模拟在渗流情况下粗粒类钙质砂的渗透变形，测得不同级配钙质砂渗透系数，操作方便，成本较为低廉。

Description

粗粒类钙质砂竖向渗流模型箱及其试验方法

技术领域

本发明涉及岩土工程试验领域，尤其涉及粗粒类钙质砂竖向渗流模型箱及其试验方法。

背景技术

近年来，海洋领土在国家战略中占据着愈发重要的位置，海上造岛工程得以迅速开展，钙质砂作为一种海洋岩土介质被就地取材广泛应用于海上工程。作为一种新兴的岩土介质，钙质砂材料在应用中表现出与常规陆源砂不同的物理性质，如颗粒形状的极不规则性、易碎性、可胶结性等。钙质砂土体通常处于海洋环境中，受到复杂的水文动力环境作用，因此钙质砂土体的渗透性问题受到广泛的关注。

珊瑚岛礁与钙质砂海上工程通常处于复杂的海洋动力环境中，以钙质砂土为主要填料的钙质砂地基在特殊的海洋环境中达到一定的水利梯度后会发生渗透变形甚至破坏从而使得地基承载力失效。目前，常规渗透仪尺寸较小，难以展开粗粒土渗透性方面的相关模型试验研究，其次，常规渗透仪仅可测定土体的渗透系数，而不能很好的模拟

发明内容

为模拟岛礁建设工程中常遇的粗粒类钙质砂的渗流性及渗透变形等相关问题，本发明提供粗粒类钙质砂竖向渗流模型箱及其试验方法。

本发明的第一个方面提供一种粗粒类钙质砂竖向渗流模型箱，包括顶部开口、内部中空的箱体，箱体的顶部开口处密封扣合有顶盖；箱体的内部从下到上依次设有第一多孔板和第二多孔板，将箱体的内部分隔成砾石腔、试样填装腔和溢水腔，砾石腔内铺设有砾石，试样填装腔内填装有试样，第一多孔板的上表面铺设有用于防止砾石进入试样填装腔的第一筛网；所述砾石腔的左、右两侧壁分别设有进水口和排水口，进水口和排水口上均安装有球阀；砾石腔内水平铺设有多孔管网，多孔管网与进水口连接，多孔管网埋设在砾石中；试样填装腔的后侧壁、左侧壁和右侧壁上设有若干测压孔，测压孔内安装有孔隙水压力传感器，测压孔朝向箱体内侧的端面上粘贴有防止试验土体进入测压孔内的第二筛网；溢水腔的前、后两侧壁上设有若干第一溢水口，顶盖上设有第二溢水口，第一溢水口和第二溢水口上均安装有阀门。

进一步，所述箱体和顶盖均采用有机玻璃制成。

进一步，所述箱体的上端开口边缘处设有向外的翻边，顶盖与箱体的翻边上设有一一对应的螺孔，顶盖与翻边之间设有止水垫圈，顶盖与箱体通过螺栓连接并密封配合。

进一步，所述第一多孔板为一板状结构件，第一多孔板上设有若干与第一多孔板厚度方向同向的若干通孔，第二多孔板与第一多孔板结构一致。

进一步，所述多孔管网为“日”字形结构，多孔管网的管壁顶部间隔设有若干出水孔。

本发明的第二个方面提供一种粗粒类钙质砂渗流模型箱的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，前期准备

装样前，确认试验系统各部分连接正确、确认供水路径各部分未出现渗漏情况、确保已排出水表及电子流量计内部的空气，在试验装置内壁涂抹一层约0.5mm厚凡士林，避免试验过程中出现水流沿侧壁集中渗流的现象；

步骤2，装样与饱和

2.1分层装样

试样沿渗流方向从下至上依次分为第1～4层，第1层厚8cm，其余各层均厚10cm，渗流路径总长为38cm；根据预先确定的试样干密度和体积，计算出各层所需的试样质量，按照设计的颗粒级配曲线分别称取不同粒组颗粒并混合；为了防止装样过程中粗、细颗粒相互分离，对已称量完毕的砂样预先掺入5％的水并充分拌和使均匀，将混合后的试样分层填入竖向渗透试验模型箱并压实，层间做刨毛处理；

2.2试样饱和

装样完毕后，关闭模型箱侧壁底部的排水口处的球阀、打开进水口处的球阀和第一溢水口处的阀门，为彻底排出试样内的空气，以0.5L/min的速度向箱体内注水，水流经过内置的水平向铺设的多孔管网均匀流向向箱体内，待液面浸没试样后暂停供水，静置12h进行浸水饱和；

步骤3，试验操作与数据采集

通过外部供水系统提供水力梯度，以大约0.1的水力梯度增量分级施加上游水头，打开进水口，为了达到该级梯度下土体的稳定渗流状态，每级水力梯度维持10min以上，试验过程中在各级水力梯度作用下，待孔隙水压力传感器数值达到相对稳定时，按3min的时间间隔，测记该时间段内的外接在进水口上的水表流量差值，若相邻2次间隔内测算得到的土样过流断面的平均渗流速度相近或流量计数据稳定，说明渗流已达到稳定状态，否则继续测记直至流速相近，记录此时的孔压值及流速数值，试验过程中设置高分辨率数码相机纪录各级梯度下箱体正面的土样状态；若出现细颗粒流出现象，则适当延长该水力梯度的作用时间，直至在该水力梯度下不再有细颗粒流失；当发现试样有大变形趋势，即接近临界水力梯度时，减小水力梯度的增量；出流浑浊流体流经200目不锈钢过滤袋使其固液分离从而收集出流颗粒，试验过程中纪录溢水口水温；

步骤4，结束试验

当出现流速骤增但土体不能继续承受更高的水力梯度时、涌砂泉眼不断向深部发展或出现非渗流向裂缝时，认为此时土样已经达到破坏状态，结束试验并打开排水口排出试样中的滞留水，对试样左侧、右侧分4层分别取样，最后挖出箱内土样，开始为下一组试验做准备；试验结束后，对取出样和过滤带内的出流颗粒进行烘干、称量和筛分，使用ImageJ软件处理试样各阶段的数字图片，分析试样变形过程中的裂缝或孔隙通道的发展趋势，采用粒子图像测速技术PIV分析土体的变形趋势。

本发明的有益效果是：从粗粒类钙质砂显著的各向异性角度出发，对其不同方向渗流作用下粗粒类钙质砂渗透性及渗透变形特性进行研究。可以很好模拟在渗流情况下粗粒类钙质砂的渗透变形，可测得不同级配钙质砂渗透系数，操作方便，成本较为低廉，整个箱体采用透明的有机玻璃便于观测渗流作用下土体的变化情况。

附图说明

图1是本发明的后视图。

图2是本发明的俯视图。

图3是箱体后侧壁的结构示意图。

图4是箱体左侧壁或右侧壁的结构示意图。

图5是顶盖的结构示意图。

图6是多孔管网的结构示意图。

附图标记说明：1为箱体，2为球阀，3为进水口，4为多孔管网，51为第一多孔板，52为第二多孔板，6为第一筛网，7为排水口，8为测压孔，9为孔隙水压力传感器，101为第一溢水口，102为第二溢水口，11为翻边，12为止水垫圈，13为顶盖，14为螺栓，15为螺孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照附图，粗粒类钙质砂竖向渗流模型箱，包括顶部开口、内部中空的箱体1，箱体1的上端开口边缘处设有向外的翻边11，顶盖13与箱体的翻边上设有一一对应的螺孔15，顶盖13与翻边之间设有止水垫圈，顶盖与箱体通过螺栓14连接并密封配合，箱体1和顶盖13均采用有机玻璃制成；具体的，箱体1的内部尺寸为60cm×52cm×20cm，箱体1的前后左右四个侧壁和底板的厚度均为20mm，翻边的厚度也为20mm，翻边与箱体1为一体结构；顶盖的尺寸大小为76cm×36cm，顶盖上间隔设置18处M10螺孔，利用M10螺栓将顶盖13和箱体1固定在一起；

箱体1的内部从下到上依次水平设有第一多孔板51和第二多孔板52，第一多孔板51放置于距离箱体底部7cm处，第二多孔板52放置于距离箱体顶部5cm处，并使用玻璃胶封闭边界，从而将箱体1的内部分隔成砾石腔、试样填装腔和溢水腔；第一多孔板51和第二多孔板52均为60cm×20cm板状结构件，第一多孔板和第二多孔板上设有若干与第一多孔板51和第二多孔板52厚度方向同向的若干通孔；

砾石腔内铺设有一层5cm厚10～20mm粒径的砾石，试样填装腔内填装有试样，第一多孔板51的上表面铺设有用于防止砾石进入试样填装腔的第一筛网6，第一筛网6为200目；所述砾石腔的尺寸为60cm×38cm×20cm，砾石腔的左、右两侧壁分别设有进水口3和排水口7，进水口3和排水口7上均安装有球阀5，球阀5控制进水口3和排水口7的开合；砾石腔内水平铺设有多孔管网4，多孔管网埋设在砾石中；多孔管网4为“日”字形结构，多孔管网4的管壁顶部间隔设有若干出水孔；多孔管网4与进水口3连接，使得供应水流均匀的流过断面，缓冲进水口3处水流的冲击力；

试样填装腔的后侧壁、左侧壁和右侧壁上共设有10个测压孔8，其中8个测压孔8设置于试样填装腔的后侧壁的不同高度处，另外2个测压孔8对称设置于试样填装腔的左侧壁和右侧壁上，所有测压孔8均为英制2分螺纹开口；测压孔8内均安装有孔隙水压力传感器9，测压孔8朝向箱体内侧的端面上粘贴有防止试验土体进入测压孔内的第二筛网；溢水腔的前、后两个侧壁上分别设有3个第一溢水口101，3个第一溢水口101沿前后两侧壁的宽度方向间隔设置。顶盖上设有一个第二溢水口102，第一溢水口101和第二溢水口102处均安装有阀门。

本发明的第二个方面提供一种粗粒类钙质砂竖向渗流模型箱的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，前期准备

装样前，确认试验系统各部分连接正确、确认供水路径各部分未出现渗漏情况、确保已排出水表及电子流量计内部的空气，在试验装置内壁涂抹一层约0.5mm厚凡士林，避免试验过程中出现水流沿侧壁集中渗流的现象；

步骤2，装样与饱和

2.1分层装样

试样沿渗流方向从下至上依次分为第1～4层，第1层厚8cm，其余各层均厚10cm，渗流路径总长为38cm；根据预先确定的试样干密度和体积，计算出各层所需的试样质量，按照设计的颗粒级配曲线分别称取不同粒组颗粒并混合；为了防止装样过程中粗、细颗粒相互分离，对已称量完毕的砂样预先掺入5％的水并充分拌和使均匀，将混合后的试样分层填入竖向渗透试验模型箱并压实，层间做刨毛处理；

2.2试样饱和

装样完毕后，关闭模型箱侧壁底部的排水口处的球阀和第二溢水口处的阀门、打开进水口处的球阀和第一溢水口处的阀门，为彻底排出试样内的空气，以0.5L/min的速度向箱体内注水，水流经过内置的水平向铺设的多孔管网均匀流向向箱体内，待液面浸没试样后暂停供水，静置12h进行浸水饱和；

步骤3，试验操作与数据采集

通过外部供水系统提供水力梯度，以大约0.1的水力梯度增量分级施加上游水头，打开进水口，为了达到该级梯度下土体的稳定渗流状态，每级水力梯度维持10min以上，试验过程中在各级水力梯度作用下，待孔隙水压力传感器数值达到相对稳定时，按3min的时间间隔，测记该时间段内的外接在进水口上的水表流量差值，若相邻2次间隔内测算得到的土样过流断面的平均渗流速度相近或流量计数据稳定，说明渗流已达到稳定状态，否则继续测记直至流速相近，记录此时的孔压值及流速数值，试验过程中设置高分辨率数码相机纪录各级梯度下箱体正面的土样状态；若出现细颗粒流出现象，则适当延长该水力梯度的作用时间，直至在该水力梯度下不再有细颗粒流失；当发现试样有大变形趋势，即接近临界水力梯度时，减小水力梯度的增量；出流浑浊流体流经200目不锈钢过滤袋使其固液分离从而收集出流颗粒，试验过程中纪录溢水口水温；

步骤4，结束试验

当出现流速骤增但土体不能继续承受更高的水力梯度时、涌砂泉眼不断向深部发展或出现非渗流向裂缝时，认为此时土样已经达到破坏状态，结束试验并打开排水口和第二溢水口，利用空气压强快速排出试样中的滞留水，对试样左侧、右侧分4层分别取样，最后挖出箱内土样，开始为下一组试验做准备；试验结束后，对取出样和过滤带内的出流颗粒进行烘干、称量和筛分，使用ImageJ软件处理试样各阶段的数字图片，分析试样变形过程中的裂缝或孔隙通道的发展趋势，采用粒子图像测速技术PIV分析土体的变形趋势。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.粗粒类钙质砂竖向渗流模型箱，其特征在于：包括顶部开口、内部中空的箱体，箱体的顶部开口处密封扣合有顶盖；箱体的内部从下到上依次设有第一多孔板和第二多孔板，将箱体的内部分隔成砾石腔、试样填装腔和溢水腔，砾石腔内铺设有砾石，试样填装腔内填装有试样，第一多孔板的上表面铺设有用于防止砾石进入试样填装腔的第一筛网；所述砾石腔的左、右两侧壁分别设有进水口和排水口，进水口和排水口上均安装有球阀；砾石腔内水平铺设有多孔管网，多孔管网与进水口连接，多孔管网埋设在砾石中；试样填装腔的后侧壁、左侧壁和右侧壁上设有若干测压孔，测压孔内安装有孔隙水压力传感器，测压孔朝向箱体内侧的端面上粘贴有防止试验土体进入测压孔内的第二筛网；溢水腔的前、后两侧壁上设有若干第一溢水口，顶盖上设有第二溢水口，第一溢水口和第二溢水口上均安装有阀门。

2.如权利要求1所述的粗粒类钙质砂竖向渗流模型箱，其特征在于：所述箱体和顶盖均采用有机玻璃制成。

3.如权利要求1所述的粗粒类钙质砂竖向渗流模型箱，其特征在于：所述箱体的上端开口边缘处设有向外的翻边，顶盖与箱体的翻边上设有一一对应的螺孔，顶盖与翻边之间设有止水垫圈，顶盖与箱体通过螺栓连接并密封配合。

4.如权利要求1所述的粗粒类钙质砂竖向渗流模型箱，其特征在于：所述第一多孔板为一板状结构件，第一多孔板上设有若干与第一多孔板厚度方向同向的若干通孔，第二多孔板与第一多孔板结构一致。

5.如权利要求1所述的粗粒类钙质砂竖向渗流模型箱，其特征在于：所述多孔管网为“日”字形结构，多孔管网的管壁顶部间隔设有若干出水孔。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的粗粒类钙质砂竖向渗流模型箱的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，前期准备

装样前，确认试验系统各部分连接正确、确认供水路径各部分未出现渗漏情况、确保已排出水表及电子流量计内部的空气，在试验装置内壁涂抹一层约0.5mm厚凡士林，避免试验过程中出现水流沿侧壁集中渗流的现象；

步骤2，装样与饱和

2.1分层装样

试样沿渗流方向从下至上依次分为第1～4层，第1层厚8cm，其余各层均厚10cm，渗流路径总长为38cm；根据预先确定的试样干密度和体积，计算出各层所需的试样质量，按照设计的颗粒级配曲线分别称取不同粒组颗粒并混合；为了防止装样过程中粗、细颗粒相互分离，对已称量完毕的砂样预先掺入5％的水并充分拌和使均匀，将混合后的试样分层填入竖向渗透试验模型箱并压实，层间做刨毛处理；

2.2试样饱和

装样完毕后，关闭模型箱侧壁底部的排水口处的球阀和第二溢水口处的阀门、打开进水口处的球阀和第一溢水口处的阀门，为彻底排出试样内的空气，以0.5L/min的速度向箱体内注水，水流经过内置的水平向铺设的多孔管网均匀流向向箱体内，待液面浸没试样后暂停供水，静置12h进行浸水饱和；

步骤3，试验操作与数据采集

通过外部供水系统提供水力梯度，以大约0.1的水力梯度增量分级施加上游水头，打开进水口，为了达到该级梯度下土体的稳定渗流状态，每级水力梯度维持10min以上，试验过程中在各级水力梯度作用下，待孔隙水压力传感器数值达到相对稳定时，按3min的时间间隔，测记该时间段内的外接在进水口上的水表流量差值，若相邻2次间隔内测算得到的土样过流断面的平均渗流速度相近或流量计数据稳定，说明渗流已达到稳定状态，否则继续测记直至流速相近，记录此时的孔压值及流速数值，试验过程中设置高分辨率数码相机纪录各级梯度下箱体正面的土样状态；若出现细颗粒流出现象，则适当延长该水力梯度的作用时间，直至在该水力梯度下不再有细颗粒流失；当发现试样有大变形趋势，即接近临界水力梯度时，减小水力梯度的增量；出流浑浊流体流经200目不锈钢过滤袋使其固液分离从而收集出流颗粒，试验过程中纪录溢水口水温；

步骤4，结束试验

当出现流速骤增但土体不能继续承受更高的水力梯度时、涌砂泉眼不断向深部发展或出现非渗流向裂缝时，认为此时土样已经达到破坏状态，结束试验并打开排水口排出试样中的滞留水，对试样左侧、右侧分4层分别取样，最后挖出箱内土样，开始为下一组试验做准备；试验结束后，对取出样和过滤带内的出流颗粒进行烘干、称量和筛分，使用ImageJ软件处理试样各阶段的数字图片，分析试样变形过程中的裂缝或孔隙通道的发展趋势，采用粒子图像测速技术PIV分析土体的变形趋势。

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