CN112525795B - 一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置 - Google Patents

一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置，包括通过输水管依次连接的气压伺服机、水箱以及带孔模型箱；带孔模型箱内部密实填充有土体，土体内部的不同高度处分别埋设有土压力计、孔隙水压力计以及弯曲元；土体顶部依次覆盖有滤板和传压板，传压板顶部设置有压力传感器和向下施加压力的压力伺服机；带孔模型箱的一侧面边缘开设有出口，邻接该出口的一侧面装有透明钢化玻璃，透明钢化玻璃的外侧对应设置有摄像机；出口附近设置有激光粒度仪，出口下方设置有逐级过滤称量装置与激光粒度仪相互配合，从而得到更加精确的流失土颗粒粒径分布规律。本发明结构设计合理，使用方便，可以实现不同水力梯度和上覆盖压力下结构裂隙处土体渗蚀过程试验。

Description

一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置
技术领域
本发明涉及土体渗蚀试验设备技术领域，具体涉及一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置。
背景技术
渗蚀现象常常发生于堤坝或基坑挡墙周围土体中，它主要是由土中细颗粒在渗透水流的作用下发生流失而导致。土体力学性质，包括强度、刚度和级配等，都会因为渗蚀产生较大程度变化，进而诱发土工结构失效甚至破坏等严重灾害。土体力学性质在渗蚀过程中的演化通常受渗透水流的水力梯度、土体上覆有效压力和颗粒级配等多种内外因素的影响，演化规律也往往难以预测。
目前对渗蚀造成土体力学性质演化的研究多基于室内单元试验，研究对像往往是土体级配和强度的变化，在研究方法上与实际渗蚀发生的工况(如结构裂隙处的土体渗蚀现象)有一定差距，所测得的土体力学性质变化也较少。
基于此，本发明提出了一种不同水力梯度和上覆压力下结构裂缝处土体渗蚀试验装置，能测量结构裂隙处土体渗蚀过程中强度、刚度、贯入阻力、孔隙水压、颗粒运移以及土体组构的演变。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置。本发明结构设计合理，使用方便，可以实现不同水力梯度和上覆盖压力下结构裂隙处土体渗蚀过程试验。
为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置，包括通过输水管依次连接的气压伺服机、水箱以及带孔模型箱；所述带孔模型箱内部密实填充有土体，所述土体内部的不同高度处分别埋设有土压力计、孔隙水压力计以及弯曲元；所述土体顶部依次覆盖有滤板和传压板，所述传压板顶部设置有压力传感器和向下施加压力的压力伺服机；
所述带孔模型箱的一侧面边缘开设有出口，邻接该出口的一侧面装有透明钢化玻璃，所述透明钢化玻璃的外侧对应设置有摄像机，用于监测拍摄的试验过程中土体变形图像；
所述出口附近设置有初步分析流失土颗粒的粒径分布规律的激光粒度仪，所述出口下方设置有逐级过滤称量装置与所述激光粒度仪相互配合，从而得到更加精确的流失土颗粒粒径分布规律。
作为本发明的一种优选技术方案，所述逐级过滤称量装置包括通过滤砂管连接的第一盛土容器和第二盛土容器，所述第一盛土容器和第二盛土容器的底部均对应设置有电子天平，且所述滤砂管的长度方向具有多个竖孔，每个竖孔底侧面分别设置有不同孔径的滤网。
作为本发明的一种优选技术方案，所述滤砂管出口处设置有电磁阀。
作为本发明的一种优选技术方案，所述带孔模型箱四周设置有若干个加劲环箍。
作为本发明的一种优选技术方案，所述滤板的上下面均铺设有土工布。
作为本发明的一种优选技术方案，还包括微型静力触探仪，所述微型静力触探仪依次穿过传压板、滤板和土工布孔隙伸入至土样中。
作为本发明的一种优选技术方案，所述一输水管的一端通过传压板孔隙伸入至上层土工布，另一端连接水箱底部出水口；所述另一根输水管的一端通过顶盖预留孔伸入水箱内，另一端连接气压伺服机。
作为本发明的一种优选技术方案，所述水箱顶部覆设有顶盖，并通过钢柱同时穿过水箱与顶盖的预留孔，再通过螺母将两者压密封装。
作为本发明的一种优选技术方案，还包括位移传感器，所述位移传感器设置于所述传压板的顶部。
作为本发明的一种优选技术方案，所述压力传感器、位移传感器、土压力计、孔隙水压力计、弯曲元、激光粒度仪、摄像机、电磁阀均与控制单元相连。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
1、采用带孔模型箱、传压板、水箱与气压伺服机可以实现不同水力梯度和上覆盖压力下结构裂隙处土体渗蚀过程。
2、通过嵌套环片改变模型箱缺口孔径可研究结构裂缝尺寸对渗蚀过程的影响。
3、能实时测量渗蚀过程中土颗粒流失量及其级配、土颗粒运移模式、土体小应变刚度、土压力、孔隙水压力、试样轴向变形和土体贯入阻力。
4、通过对土体小应变刚度、土体贯入阻力的监测可以获得渗蚀前后土体力学性质的演化规律。
5、通过土压力的监测可以实时掌握土体渗蚀过程中作用于结构上的有效土压力大小，从而判断土体渗蚀对结构的影响。
附图说明
图1为本发明的典型剖面结构示意图；
图2为本发明的一侧结构示意图；
图3为本发明的带孔模型箱的立体结构示意图；
图4为本发明的带孔模型箱的俯视结构示意图；
图5为图4中A-A向剖面结构示意图；
图6为图4中B-B向剖面结构示意图；
图7为本发明的嵌套环片在模型箱中的安装位置示意图；
图8为本发明的嵌套环片不同尺寸的构造示意图；
图9为本发明的滤板的俯视结构示意图；
图10为本发明的传压板的俯视结构示意图；
图11为本发明的滤砂管的结构示意图。
图中，1-压力伺服机、2-压力传感器、3-微型静力触探仪、4-传压板、5-位移传感器、6-加劲环箍、7-输水管、8-带孔模型箱、9-滤板、10-土工布、11-土压力计、12-孔隙水压力计、13-弯曲元、14-滤砂管、15-滤网、16-第一盛土容器、17-电子天平、18-第二盛土容器、19-电磁阀、20-螺母、21-钢柱、22-水箱、23-顶盖、24-气压伺服机、25-摄像机、26-激光粒度仪、27-连接杆、28-透明钢化玻璃、29-缺口、30-嵌套环片。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
如图1至11所示，本发明提供一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置，包括通过输水管7依次连接的气压伺服机24、水箱22以及带孔模型箱8；所述带孔模型箱8内部密实填充有土体，所述土体内部的不同高度处分别埋设有土压力计11、孔隙水压力计12以及弯曲元13；所述土体顶部依次覆盖有滤板9和传压板4，所述传压板4顶部设置有压力传感器2和向下施加压力的压力伺服机1，所述位移传感器5设置于所述传压板4的顶部。
其中，所述滤板9的上下面均铺设有土工布，所述微型静力触探仪3依次穿过传压板4、滤板9和土工布孔隙伸入至土样中。所述一输水管7的一端通过传压板4孔隙伸入至上层土工布，另一端连接水箱22底部出水口；所述另一根输水管7的一端通过顶盖23预留孔伸入水箱22内，另一端连接气压伺服机24。
其中，所述水箱22顶部覆设有顶盖23，并通过钢柱21同时穿过水箱22与顶盖23的预留孔，再通过螺母20将两者压密封装。
其中，所述带孔模型箱8的一侧面边缘开设有半圆形缺口29，该半圆形缺口29可通过内螺栓固定不同尺寸的嵌套环片30，从而改变孔的直径。邻接该缺口29的一侧面装有透明钢化玻璃28，所述透明钢化玻璃28的外侧对应设置有摄像机25，用于监测拍摄的试验过程中土体变形图像。
进一步地，为了强化带孔模型箱8的抗压能力，所述带孔模型箱8四周设置有3个加劲环箍6，沿带孔模型箱8高度方向间隔布置。
其中，所述缺口29附近通过连接杆27设置有初步分析流失土颗粒的粒径分布规律的激光粒度仪26，所述缺口29下方设置有逐级过滤称量装置与所述激光粒度仪26相互配合，从而得到更加精确的流失土颗粒粒径分布规律。
进一步地，所述逐级过滤称量装置包括通过滤砂管14连接的第一盛土容器16和第二盛土容器18，所述第一盛土容器16和第二盛土容器18的底部均对应设置有电子天平17，且所述滤砂管14的长度方向具有多个竖孔，每个竖孔底侧面分别设置有不同孔径的滤网15；所述滤砂管14出口处设置有电磁阀19。
具体的，所述压力传感器2、位移传感器5、土压力计11、孔隙水压力计12、弯曲元13、激光粒度仪26、摄像机25、电磁阀19均与控制单元相连。
根据上述要求将装置安装就绪后，通过气压伺服机24将水箱22中的水流压入带孔模型箱8中并流经土体试样，根据压力伺服机1调节土样所受的竖向压力，使其满足试验要求。试验过程中通过微型静力触探仪3、位移传感器5、土压力计11、孔隙水压力计12和弯曲元13及各部分控制单元可以分别实时得到土体在渗透水流作用过程中强度、竖向变形、土压力、水压力和刚度的演化规律。摄像机25拍摄的试验过程中土体变形图像，可以利用图像分析软件如geoPIV得到土体在渗透水流作用下的内部颗粒位移模式。当土体从模型箱孔中流出时，可以利用正对出口的激光粒度仪26分析流失土颗粒的初步粒径分布规律。更加精确的流失土颗粒粒径分布可以通过滤砂管14中不同孔径滤网15下堆积的土颗粒质量之比获得。
依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置，并且能够产生本发明所记载的积极效果。
如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系是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，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合附图，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，本发明中，若有术语“设置”、“相连”及“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。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置，其特征在于：包括通过输水管依次连接的气压伺服机、水箱以及带孔模型箱；所述带孔模型箱内部密实填充有土体，所述土体内部的不同高度处分别埋设有土压力计、孔隙水压力计以及弯曲元；所述土体顶部依次覆盖有滤板和传压板，所述传压板顶部设置有压力传感器和向下施加压力的压力伺服机；
所述带孔模型箱的一侧面边缘开设有缺口，该缺口通过内螺栓固定不同尺寸的嵌套环片，从而改变孔的直径，通过嵌套环片改变模型箱缺口孔径可研究结构裂缝尺寸对渗蚀过程的影响；邻接该缺口的一侧面装有透明钢化玻璃，所述透明钢化玻璃的外侧对应设置有摄像机，用于监测拍摄的试验过程中土体变形图像；
所述缺口附近通过连接杆设置有初步分析流失土颗粒的粒径分布规律的激光粒度仪，所述缺口下方设置有逐级过滤称量装置并与所述激光粒度仪相互配合，从而得到更加精确的流失土颗粒粒径分布规律。
2.根据权利要求1所述的一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置，其特征在于：所述逐级过滤称量装置包括通过滤砂管连接的第一盛土容器和第二盛土容器，所述第一盛土容器和第二盛土容器的底部均对应设置有电子天平，且所述滤砂管的长度方向具有多个竖孔，每个竖孔底侧面分别设置有不同孔径的滤网。
3.根据权利要求2所述的一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置，其特征在于：所述滤砂管出口处设置有电磁阀。
4.根据权利要求1所述的一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置，其特征在于：所述带孔模型箱四周设置有若干个加劲环箍。
5.根据权利要求1所述的一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置，其特征在于：所述滤板的上下面均铺设有土工布。
6.根据权利要求5所述的一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置，其特征在于：还包括微型静力触探仪，所述微型静力触探仪依次穿过传压板、滤板和土工布孔隙伸入至土样中。
7.根据权利要求5所述的一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置，其特征在于：一根输水管的一端通过传压板孔隙伸入至上层土工布，另一端连接水箱底部出水口；另一根输水管的一端通过顶盖预留孔伸入水箱内，另一端连接气压伺服机。
8.根据权利要求1所述的一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置，其特征在于：所述水箱顶部覆设有顶盖，并通过钢柱同时穿过水箱与顶盖的预留孔，再通过螺母将两者压密封装。
9.根据权利要求1所述的一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置，其特征在于：还包括位移传感器，所述位移传感器设置于所述传压板的顶部。
10.根据权利要求1~9任一项所述的一种结构裂缝处土体渗蚀试验装置，其特征在于：所述压力传感器、位移传感器、土压力计、孔隙水压力计、弯曲元、激光粒度仪、摄像机、电磁阀均与控制单元相连。
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