CN114112832A - 一种用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置，包括渗透仪、与渗透仪连通的上游模拟组件；上游模拟组件包括水箱、用于驱动水箱升降的升降部件、用于连接水箱和渗透仪的供水管；所述渗透仪包括进水腔、透水板、试验桶、溢流管、渗压计、测压管、数据接收处理器；进水腔布设在试验桶的下方，试验桶通过透水板与进水腔连通；试验桶的侧壁靠近顶端的位置布设溢流管；试验桶的侧壁布设若渗压计和测压管；通过在渗透仪的侧壁均匀相间布设的渗压计和测压管，可以精准测量砂砾样品中不同部位动态渗压水位，全方位观测渗透仪全过程颗粒运移试验现象，为堤坝及基坑工程管涌破坏的控制及预测提供了参考和设计依据。
Description
技术领域
本发明涉及岩土测试技术领域，特别是一种用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置。
背景技术
地下水渗透破坏隐蔽性强、破坏性大，具有突发性，难以预测，是基坑失稳、堤坝溃决等工程事故频发的主要原因之一，因此研究管涌全过程试验对基坑及堤坝安全运行具有重要意义。砂砾石作为深基坑回填材料和水库大坝填筑材料，在较高的水力梯度作用下，常发生管涌破坏，管涌本质上是一个水土相互作用的过程，形成机制与演变过程相对复杂，现有试验装置主要模拟试验土样整体渗透变形，无法观测试验土样不同部位局部渗透变形，无法精细量测试验土样不同部位动态渗压水位，难以捕捉管涌孕育-形成-发展-破坏全过程颗粒运移的试验现象。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置，该用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置，通过在渗透仪的侧壁均匀相间布设的渗压计和测压管，可以精准测量砂砾样品中不同部位动态渗压水位，全方位观测渗透仪全过程颗粒运移试验现象，为堤坝及基坑工程管涌破坏的控制及预测提供了参考和设计依据。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置，包括渗透仪、与渗透仪连通的上游模拟组件；所述上游模拟组件包括水箱、用于驱动水箱升降的升降部件、用于连接水箱和渗透仪的供水管；所述渗透仪包括进水腔、透水板、试验桶、溢流管、渗压计、测压管、数据接收处理器；所述进水腔布设在试验桶的下方，所述进水腔的底部设有进水口，所述进水口连接供水管；所述进水腔的顶部布设透水板，所述试验桶通过透水板与进水腔连通；所述试验桶的侧壁靠近顶端的位置布设溢流管，所述试验桶装有砂砾土样，所述砂砾土样的顶部与溢流管之间形成溢流层；所述试验桶的侧壁沿垂直方向均匀布设若干个渗压计和测压管；所述渗压计通过导线连接数据接收处理器。
作为本发明的进一步的优选方案，所述升降部件包括支座、电动机、主齿轮、副齿轮、螺杆、螺母、轴承、调节板；所述支座上固定安装有电动机、轴承；
所述电动机的动力端固定主齿轮；所述螺杆穿过副齿轮的中心后，与副齿轮的中心固定连接；
所述主齿轮与副齿轮啮合连接；所述轴承固定安装在支座中，所述螺杆的底部固定安装在轴承上，且螺杆垂直于支座；所述螺杆上螺纹连接螺母；所述螺母的外壁固定连接调节板，所述调节板与螺杆垂直；所述水箱架设在调节板上。
作为本发明的进一步的优选方案，所述水箱内垂直布设有隔板，所述隔板与水箱的底部可拆卸连接。
作为本发明的进一步的优选方案，所述螺杆上设有上游水位高度刻度。
作为本发明的进一步的优选方案，所述进水口处布设有进水阀。
作为本发明的进一步的优选方案，所述渗透仪由圆锥和圆柱组成，所述进水腔位于圆锥中，所述砂砾层和溢流层位于圆柱中，所述圆柱为透明玻璃制成。
作为本发明的进一步的优选方案，所述进水腔的上部设有排气口，所述排气口处布设排气阀。
作为本发明的进一步的优选方案，所述渗压计或测压管之间的间距4-8cm。
根据上述的用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置，提出一种试验方法，具体步骤如下：
步骤1、调整水箱在螺杆上的位置，使得水箱与渗透仪位于同一水平面，关闭水箱的出水口，向渗透仪中装入砂砾样品，通过进水管向水箱中注水；
步骤2、启动电动机，由升降部件控制水箱间歇上升，从而实现水箱连续加压、逐级饱和的进水加载方式，且水箱中的水通过供水管持续流向渗透仪中；
步骤3、在水箱间歇上升的过程中，渗压计实时监测砂砾层和溢流层中的砂砾遇水后的混合样品的渗透压力，测压管则实时监测混合样品的渗压水位，同时实时观测溢流孔处的涌水量和涌沙量；
步骤4、当测压管和渗压计所测量的数据不变时，且溢流孔处的涌沙量为0时，停止试验；
步骤5、通过分析以上砂砾层和溢流层的各个位置的渗透变形数据，得到砂砾石管涌孕育-形成-发展-破坏全过程渗流变化规律和砂砾颗粒运移特征。
作为本发明的进一步的优选方案，在所述步骤2中，水箱每次上升高度为4mm-6mm。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明所公开的一种用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置，通过不断的提高上游模拟组件与渗透仪之间的水位高度差，从而实现渗透仪中的砂砾样品水压的连续增大、并逐级达到饱和的加载状态；通过在渗透仪的侧壁均匀相间布设的渗压计和测压管，可以精准测量砂砾样品中不同部位动态渗压水位，全方位观测渗透仪全过程颗粒运移试验现象，为堤坝及基坑工程管涌破坏的控制及预测提供了参考和设计依据；本试验装置设计合理，结构简单，便于试验人员操作；
2、通过在水箱中布设垂直的隔板，可以方便的控制水箱中的水位高度；
3、为了提高试验数据的精准度，排出空气从砂砾层的底部涌入砂砾样品中，影响砂砾样品的饱和度，故在试验前期，需要将渗透仪中的进水腔的空气从排气口排出。
附图说明
图1是本发明一种用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置的结构示意图；
图2是本发明渗透仪中砂砾土样的剖视图；
图3是电动机主齿轮与副齿轮啮合示意图；
图4a至图4d是砂砾石在渗透仪中的孕育-形成-发展-破坏全过程中颗粒运移情况；
图4a是孕育阶段砂砾石颗粒运移情况；
图4b是形成阶段砂砾石颗粒运移情况；
图4c是发展阶段砂砾石颗粒运移情况；
图4d是破坏阶段砂砾石颗粒运移情况；
图5是不同部位测压管渗压水位过程线；
图6是不同部位水力坡降随渗流速度变化曲线；
图7是不同部位渗透系数随水力坡降变化曲线。
其中有：1.螺杆；2.上游水位；3.水箱；4.隔板；5.调节板；6.溢流出水管；7.进水管；8.供水管；9.电动机；10.支座；11.进水阀；12.排气阀；13.进水腔；14.透水板；15.渗压计；16.测压管；17.砂砾层；18.溢流孔；19.下游水位；20.侧壁；21.导线；22.数据接收处理器；23.动力输出轴；24.主齿轮；25.副齿轮；26.轴承。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置，包括渗透仪、与渗透仪连通的上游模拟组件；所述上游模拟组件包括水箱3、用于驱动水箱3升降的升降部件、用于连接水箱3和渗透仪的供水管8；所述渗透仪包括进水腔13、透水板14、试验桶、溢流管、渗压计15、测压管16、数据接收处理器22；所述进水腔13布设在试验桶的下方，所述进水腔13的底部设有进水口，所述进水口连接供水管8；所述进水腔13的顶部布设透水板14，所述试验桶通过透水板14与进水腔13连通；所述试验桶的侧壁靠近顶端的位置布设溢流管，所述试验桶装有砂砾土样，所述砂砾土样的顶部与溢流管之间形成溢流层18；所述试验桶的侧壁沿垂直方向均匀布设若干个渗压计15和测压管16；所述渗压计15通过导线21连接数据接收处理器22。
在本实施例中，所述升降部件包括支座10、电动机9、主齿轮24、副齿轮25、螺杆1、螺母、轴承26、调节板5；所述支座10上固定安装有电动机9、轴承26；所述电动机9的动力输出轴23固定主齿轮24；所述螺杆1穿过副齿轮25的中心后，与副齿轮25的中心固定连接；所述主齿轮24与副齿轮25啮合连接；所述轴承26固定安装在支座10中，所述螺杆1的底部固定安装在轴承26上，且螺杆1垂直于支座10；所述螺杆1上螺纹连接螺母；所述螺母的外壁固定连接调节板5，且调节板5与螺杆1垂直；所述水箱3架设在调节板5上；电动机9带动主齿轮24转动的同时，带动与主齿轮24啮合连接的两个副齿轮25转动，而分别固定在副齿轮25上的螺杆1也开始自转，当螺杆1自转时，螺杆1上的螺母由于与调节板5固定连接，而水箱3架设在调节板5上，因此当螺杆1转动时，螺母不能跟着旋转，螺杆1只能在螺母中转动，从而实现螺母在螺杆1上只能做上升或者下降运动，最终实现水箱3的上升或下降。
在本实施例中，水箱3每上升5mm，水箱3中的水增加0.1的水力坡降，当观察测压管16中渗压水位稳定或者变化不大时，再继续提高水箱3高度，施加下一级水头，模拟上游水位2逐步提升的过程。
在本实施例中，所述渗透仪由圆锥和圆柱组成，所述进水腔13位于圆锥中，所述砂砾层17和溢流层位于圆柱中，所述圆柱为透明玻璃制成，圆柱高度为75cm，设计的砂砾层17高度为30cm，当然，如果砂砾土样中粗颗粒含量较多、粒径较大，则可以适当的增大砂砾层17的高度，一般的，在本实施例中，设计的砂砾层17高度最大不超过35cm，所述渗透仪左侧壁20中安装多个渗压计15，渗透仪的右侧壁20中则安装多个测压管16，每个渗压计15或测压管16的高度间歇为5cm，渗压计15通过导线21与数据接收处理器22连接，本实施例中所用的数据接收处理器22的型号是Campbell Scientific CR1000，通过渗压计15可以实时监测砂砾层17和溢流层中各个位置的渗透压力值，而测压管16则可以人工监测砂砾层17和溢流层中水位变化，在本实施例中，在溢流层中距离砂砾层1710cm处的位置插设溢流管，所述溢流管外接量筒，当砂砾和水的混合样品从渗透仪溢出量筒后，通过量筒回收的混合样品获得涌水量和涌砂量。
本发明一种研究砂砾石管涌全过程的试验装置：通过渗透仪上均匀相间布设的渗压计15和测压管16，精确量测试验土样不同部位在垂直向上渗流作用下动态水力参数，捕获砂砾石在渗透仪中的孕育-形成-发展-破坏全过程中颗粒运移情况：①孕育阶段：砂砾土体承受水力坡降较小，颗粒整体稳定，尚未发生移动或者流失；②形成阶段：砂砾土体出现局部渗透变形，砂砾土体中的细颗粒开始移动，变形区域缓慢扩大，但骨架颗粒稳定，土体渗透变形现象较不明显；③发展阶段：骨架颗粒松散，在渗流作用下，松散的骨架颗粒形成的渗漏通道逐渐扩展，推动细颗粒不断从砂砾土体中向上移动，并流入溢流层，砂砾土体从局部变形扩大到整体变形，砂砾土体内部存在的未变形区主控渗透变形过程；④破坏阶段：砂砾土体内部形成上下贯穿的细颗粒渗漏通体管道，砂砾土体表面及内部的细颗粒全部流失，细颗粒在砂砾土体的顶部跳跃或沸腾，砂砾土体骨架颗粒被破坏，砂砾土体试样整体失稳。试验时，通过电动机9调整固定在支座10上螺杆1高度，控制上游水位2，逐步提升上游水位2使砂砾土样发生渗透变形，直至测压管16监测到水位突然下降或溢流孔18流量突增10倍以上，试验结束。实验中测量试样不同部位的渗透压力、渗压水位及溢流孔18处的涌水量和涌砂量，观测并记录不同水位下试样内部的水力变化情况和颗粒流失量，通过不同部位渗透变形数据的比较分析，最终得到砂砾石管涌孕育-形成-发展-破坏全过程渗流变化规律和颗粒运移特征，为堤坝及基坑工程管涌破坏的控制及预测提供了参考和设计依据。
另外，所述水箱3内垂直布设有隔板4，所述隔板4与水箱3的底部可拆卸连接，隔板4控制上游稳定水位。
另外，在本实施例中，在螺杆1上设置上游水位2高度刻度，方便直接的调节水箱3高度。
另外，所述进水口处布设有进水阀11。
另外所述进水腔13的上部设有排气口，所述排气口处布设排气阀12，当进水阀11在试验时打开，进水腔13开始进水时打开排气阀12，直至有水溢出关闭，保证排除进水腔13中的空气，不会影响试验砂砾土样的饱和度。
作为本发明的进一步的优选方案，所述渗压计15或测压管16之间的间距4-8cm，本实施例优选为5cm。
根据上述的用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置，提出一种试验方法，具体步骤如下：
步骤1、调整水箱3在螺杆1上的位置，使得水箱3与渗透仪位于同一水平面，关闭水箱3的出水口，向渗透仪中装入砂砾样品，通过进水管7向水箱3中注水。
步骤2、启动电动机9，由升降部件控制水箱3间歇上升，从而实现水箱3连续加压、逐级饱和的进水加载方式，且水箱3中的水通过供水管8持续流向渗透仪中。
步骤3、在水箱3间歇上升的过程中，渗压计15实时监测砂砾层17和溢流层中的砂砾遇水后的混合样品的渗透压力，测压管16则人工监测混合样品的渗压水位，同时实时观测溢流孔18处的涌水量和涌沙量。
步骤4、当测压管16和渗压计15所测量的数据不变时，且溢流孔18处的涌沙量为0时，停止试验。
步骤5、通过分析以上砂砾层17和溢流层的各个位置的渗透变形数据，得到砂砾石管涌孕育-形成-发展-破坏全过程渗流变化规律和砂砾颗粒运移特征。
分析砂砾土样的水力坡降J与渗流速度v及渗透系数K变化规律，如图5~7所示，当J<0.39时，J-V沿程曲线为直线，渗透系数为恒定值，表明没有发生渗透变形，土体结构稳定；当J>0.39时，土体上游端0-1段先发生变形，内部颗粒开始调整，渗透系数增大，观察到溢水微浑，细粒涌动；当J=0.48时，土体内部（2-3段和3-4段）开始出现变形，渗透系数持续增大，下游区域水力坡降集中，土体整体变形，观察到溢水浑浊，细粒群起，管壁冒砂，表明土体发生管涌破坏；当J=1.4时，土体内部已经形成贯通上下游的联系通道，渗透系数增大到最大值，细颗粒全部向上涌起，骨架遭到破坏，土体整体失稳，表明土体发生流土破坏，同时观测到测压管渗压水位突降，流量激增，再次升高上游水箱水位，测压管渗压水位变幅较小，此时降下水位，试验停止。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置，其特征在于：包括渗透仪、与渗透仪连通的上游模拟组件；
所述上游模拟组件包括水箱、用于驱动水箱升降的升降部件、用于连接水箱和渗透仪的供水管；
所述渗透仪包括进水腔、透水板、试验桶、溢流管、渗压计、测压管、数据接收处理器；
所述进水腔布设在试验桶的下方，所述进水腔的底部设有进水口，所述进水口连接供水管；
所述进水腔的顶部布设透水板，所述试验桶通过透水板与进水腔连通；
所述试验桶的侧壁靠近顶端的位置布设溢流管，所述试验桶装有砂砾土样，所述砂砾土样的顶部与溢流管之间形成溢流层；
所述试验桶的侧壁沿垂直方向均匀布设若干个渗压计和测压管；
所述渗压计通过导线连接数据接收处理器。
2.根据权利要求1所述的用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置，其特征在于：所述升降部件包括支座、电动机、主齿轮、副齿轮、螺杆、螺母、轴承、调节板；
所述支座上固定安装有电动机、轴承；
所述电动机的动力端固定主齿轮；
所述螺杆穿过副齿轮的中心后，与副齿轮的中心固定连接；
所述主齿轮与副齿轮啮合连接；
所述轴承固定安装在支座中，所述螺杆的底部固定安装在轴承上，且螺杆垂直于支座；
所述螺杆上螺纹连接螺母；
所述螺母的外壁固定连接调节板，所述调节板与螺杆垂直；
所述水箱架设在调节板上。
3.根据权利要求2所述的用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置，其特征在于：所述水箱内垂直布设有隔板，所述隔板与水箱的底部可拆卸连接。
4.根据权利要求2所述的用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置，其特征在于：所述螺杆上设有上游水位高度刻度。
5.根据权利要求1所述的用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置，其特征在于：所述进水口处布设有进水阀。
6.根据权利要求1所述的用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置，其特征在于：所述试验桶为透明玻璃制成。
7.根据权利要求6所述的用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置，其特征在于：所述靠近进水腔上部的侧壁设置排气口，所述排气口处布设排气阀。
8.根据权利要求6所述的用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置，其特征在于：所述渗压计或测压管之间的间距4-8cm。
9.一种权利要求1-8中任一所述用于研究砂砾石管涌全过程的试验装置的试验方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1、调整水箱在螺杆上的位置，使得水箱与渗透仪位于同一水平面，关闭水箱的出水口，向渗透仪中装入砂砾样品，通过进水管向水箱中注水；
步骤2、启动电动机，升降部件控制水箱间歇上升，逐步提升水箱的高度使砂砾土样发生渗透变形；
步骤3、在水箱间歇上升的过程中，水箱中的水通过供水管流入渗透仪中，使得渗透仪中的砂砾土样渗透变化经历孕育阶段、形成阶段、发展阶段以及破坏阶段，并获得各个阶段，渗压计实时监测砂砾土体和溢流层中的砂砾遇水后的混合样品的渗透压力，测压管则人工监测混合样品的渗压水位，同时实时观测溢流孔处的涌水量和涌沙量，通过分析比较渗透仪中的不同部位渗透变形数据，最终得到砂砾石管涌孕育-形成-发展-破坏全过程渗流变化规律和颗粒运移特征；
步骤4、当测压管和渗压计所测量的数据不再发生变化时，且溢流孔处的涌沙量为0时，停止试验。
10.一种用于研究砂砾石管涌全过程的试验方法，其特征在于：所述水箱每次上升高度为4mm-6mm。
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