CN116465971A - 一种碎石土声发射三轴渗蚀试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碎石土声发射三轴渗蚀试验装置，包括渗透侵蚀三轴试验系统，围压加载系统，土水分离系统，压力水供给系统，声发射采集系统和孔压采集系统；可实现土样渗流侵蚀、轴压和围压的加载、土水混合物收集和分离、不同等级的渗透压力的施加、细颗粒渗流路径和粗颗粒破碎及损伤位置的监测、孔隙水压力和声发射累计能量等数据信息的实时采集等功能。不仅能够模拟多级水头及复杂应力条件下的侵蚀环境，而且还能实时监测在侵蚀过程细颗粒的渗流路径、侵蚀发展过程以及中碎石土的破碎和损伤情况。为后续分析碎石土水力、应力应变、剪胀、损伤和临界状态等特性与内侵蚀演化过程间的响应规律等科学问题提供了基础。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程试验设备技术领域，具体设计一种碎石土声发射三轴渗蚀试验装置及其试验方法。
背景技术
碎石土作为土石坝和高边坡工程的构筑材料，其松散的特性形成了复杂的孔隙结构极易发生内部侵蚀。而在水力作用下(如蓄水或强降雨)，细颗粒极易穿过粗颗粒所形成的骨架而发生内部侵蚀。应力作用(如地震作用)导致的碎石土颗粒发生破碎产生细颗粒，颗粒粒径的变化使土体内部结构不断进行调整，进而影响内部侵蚀作用。水力和应力作用会使碎石土级配不断发生改变，细颗粒的流失会引起颗粒重排，影响颗粒之间的接触，造成土体物理力学性质和微细观结构改变，进而影响土体的渗透特性及强度特性，导致土体内部侵蚀破坏，严重影响着实际工程主体的安全稳定。
关于目前的渗流侵蚀装置，近年来国内外学者做了大量的研究，并研制了较为丰富的试验器材。如Sanchez等首次开创性地将三轴试验仪的围压控制系统引入侵蚀试验装置的设计中，研制出可供研究模拟周围压力条件下土体侵蚀规律的侵蚀试验装置；罗玉龙等研制渗流-侵蚀-应力耦合管涌试验装置，该装置可模拟无围压和三轴受压的管涌试验；陈星欣等在常规三轴试验装置的基础上，改装研制了一种新型柔性壁三轴试验装置，来模拟砂土中的集中渗漏现象；陈锐等自主研制了一套垂直应力加载用下的水平渗透仪，研究了间断级配砂土的潜蚀现象。但在研究高应力和渗流耦合问题时，目前有关渗透侵蚀装置对试样细颗粒迁移路径和粗颗粒破碎以及损伤程度无法监测，很难深入的研究应力-破碎-渗流耦合作用下的土体渗透破坏问题。因此，开发一种碎石土声发射三轴渗蚀试验装置及其试验方法，是申请人关注的课题之一。
发明内容
为了解决传统渗流侵蚀装置无法有效研究应力-破碎-渗流耦合作用下的土体渗透侵蚀破坏的技术问题，本发明的目的在于，提供一种碎石土声发射三轴渗蚀试验装置及其渗蚀试验方法，通过所述碎石土声发射三轴渗蚀试验装置可提供多级渗透水压和三向压力，来模拟出土体真实的侵蚀环境；同时结合声发射同步监测技术，根据实时声发射信号，来获取碎石土在三轴渗流状态下细颗粒(包括原级配细颗粒和破碎产生的细颗粒)的迁移路径、侵蚀细颗粒的质量及粗颗粒损伤破碎具体位置，来更好的研究应力-破碎-渗流耦合作用下碎石土强度变形特性以及临界状态问题，可为碎石土边坡及土石坝等堆积体破坏机理和安全稳定性分析提供科学依据。
为了实现上述任务，本发明涉及的碎石土声发射三轴渗蚀试验装置和试验方法是通过以下技术解决予以方案实现：
一种碎石土声发射三轴渗蚀试验装置，包括渗透侵蚀三轴试验系统、围压加载系统、土水分离装置、压力水供给系统、声发射采集系统和孔压采集系统；其中：
所述渗透侵蚀三轴试验系统包括：压力传感器、轴压加载杆、LVDT位移传感器、带槽试样帽、试样盛放腔、压力室、多孔筛板、沉积漏斗以及沉积漏斗基座等，此系统是完成土样渗流侵蚀、应力加载、水力数据和声发射信号接收的重要系统。
所述试样盛放腔设置于压力室的中部，用来盛放碎石土试样，试样盛放腔与压力室之间具有一定间隙用来实现周围压力的施加。
所述带槽试样帽在试样盛放腔上部，试样帽直径略大于试样直径，试样帽上部进水口与压力水供给系统的水气交换罐底部出水口相连接。
所述轴压加载杆设置于试样盛放腔的上部，上部连接有压力传感器，用于接收和传递压力信号，左侧壁附有LVDT，实时记录试样在轴向位移的变形。
所述试样盛放腔的顶部和底部各设置一多孔筛板，用来实现自上而下以及自下而上两种渗流方式的均匀渗流。
所述多孔透水板与待测土样接触的一侧设有细滤网，滤网孔径为1.5mm；沉积漏斗基座设置于渗透侵蚀室的底部。所述沉积漏斗基座与试样盛放腔之间设有沉积漏斗，侵蚀细颗粒穿过细滤网经沉积漏斗沉淀后流入土水分离装置的分离筒当中。所述围压加载系统包括压力/体积转换器、自由伸缩杆、位移传感器和底座，此系统可为土样提供不同的等级的围压。其中：
所述压力/体积转换器尾端设置有排气孔、进水口和出水口。所述出水口与压力室进水口相连接。所述自由伸缩杆与压力/体积转换器平行放置通过螺丝与底座相连接，上侧壁连接一位移传感器。
所述土水分离系统包括分离筒、集水桶和流量计和水平电子秤，此系统用来实现土颗粒和流出液的分离，实现对侵蚀细颗粒的测量；其中：
所述的分离筒与沉降漏斗通过PU管相连接，并设置流量计来纪录流量Q。土水混合物经过分离筒底部细滤网实现土水分离，侵蚀的细颗粒在分离筒的细滤网中沉积，多余的水通过PU管排至于收集筒中；
所述分离筒和收集筒下端均设有水平电子秤，用来测量每段时间间隔侵蚀细颗粒和流出水的质量。
所述压力水供给系统包括水气交换罐、空气压缩机、调压阀和控制阀门，此系统可提供多级渗流压力，其中：
所述水气交换罐的出水口与渗透侵蚀系统中带槽试样帽通过控制阀门相连接。所述空气压缩机通过控制阀门和调压阀与水气交换罐进气口相连接，此系统用于提供水气交换罐内反压控制以及试样盛放腔内渗透压力的加载。
所述声发射系统包括声发射传感器、高清摄像采集器、放大器、声发射采集器、声发射数据连接线和数据处理系统，此系统用于获取碎石土在应力渗流状态下内部细颗粒迁移过程以及粗颗粒损伤破碎的发生情况，其中：
所述声发射传感器固定在盛放腔外壁中部并紧贴橡胶套的外壁面，并左右各放置一个探头，主要对碎石土三轴渗蚀过程中粗颗粒产生的损伤及破碎和细颗粒渗流移动的声发射信号进行接收和传递作用；一方面实现对细颗粒土体在渗流作用下的迁移所产生的声发射信号进行监测及传递；另一方面实现对粗颗粒破碎及损伤的声发射信号进行监测和传递。
将所述声发射传感器与前置放大器连接，对所述采集到的微弱声发射信号进行放大并去除噪声干扰，再将前置放大器的输出信号经过采集器进行处理，将声发射信号转换为数字量；数字量再通过高清摄像采集器处理后进行对侵蚀细颗粒的渗流路径和粗颗粒破碎及损伤位置实时记录。更深入了解应力-渗流-破碎耦合作用下碎石土内部侵蚀的变化机制。
所述孔压采集系统包括：孔压传感器、孔压采集器、数据处理系统和孔压数据连接线；此系统主要记录不同深度的孔隙水压力的大小，经过计算后可获得每时间段的局部水力梯度和全局水力梯度，其中：
所述孔压传感器等间距布置在试样盛放腔的橡胶套的外壁面，通过数据连接线把孔压传感器于孔压采集器相连接，由孔压采集器将信号处理后的每一时间段的孔隙水压力数据传递到数据分析系统当中，所述数据分析系统装有孔隙水压力采集软件，可实时显示孔隙水压力与时间的关系曲线。
上述碎石土声发射三轴渗蚀试验装置的试验方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一，将碎石土声发射三轴渗蚀试验装置中的渗透侵蚀三轴试验系统，围压加载系统，土水分离系统，压力水供给系统和声发射采集系统进行组装和连接，并在预留的G1/4螺纹开口中装入声发射传感器和孔压传感器，通过电缆线通过预设孔将传感器与放大器相连接，然后接入到采集器后，连入数据分析系统中；
步骤二，观察不同深度细颗粒的流失情况以及与粗颗粒破碎产生的细颗粒加以区分，先将碎石土原级配的细颗粒分成几等份，把每份染成一种染色，各等份染成不同的颜色，然后进行烘干24h后，装袋备用；
步骤三，根据干密度计算所需干土质量，按照级配称取各粒径组土质量，按照基座、沉积漏斗、透水石、有机玻璃圆筒顺序依次组装好后开始装样，装样时采取分层压样法压实土样，最后，在土样上表面依次装好滤网、多孔筛板以及试样帽；
步骤四，向周围压力室注入无气水，压力室注满水后对土样进行分阶段饱和，直至完成饱和；并用孔压传感器测得孔压增量Δu，当B值＞0.95，认为饱和完成；所述B值＝Δu/Δσ3，σ3为围压；
步骤五，饱和完成后，对试样进行固结，固结时间为两天，当固结曲线保持不变，认为固结完成；
步骤六，进行三轴渗透侵蚀试验，并每隔一时间段记录流量计的读数和以及侵蚀颗粒的质量，当试样发生破坏时，终止试验，并拆开压力室，取出试样；
步骤七，收集到的侵蚀颗粒按不同的颜色进行分选，由此获得不同颜色即不同深度碎石土原级配细颗粒和未染色粗颗粒破碎产生细颗粒的流失情况，将试验后的试样进行筛分，得到破碎未侵蚀细颗粒和原级配侵蚀细颗粒的质量。
具体地，所述破碎侵蚀细颗粒和原级配细粒侵蚀的质量的具体计算过程如下：
声发射传感器收集粗颗粒破碎质量及破碎细颗粒侵蚀质量的声发射信号，将声发射信号经过放大转换后传递给高清摄像采集器，高清摄像采集器根据具体位置对破碎产生的细颗粒进行外轮廓的扫描，根据扫描出的颗粒体积来确定产生的破碎细颗粒质量M1；同样的，所述声发射系统可根据渗流产生流动声发射信号确定土水混合物的质量M2；再协同土水分离系统确定侵蚀细颗粒总量M3和流出水的质量M4，根据渗流出的染色细颗粒来确定原级配细颗粒侵蚀量M5,再通过侵蚀总量得到破碎侵蚀细颗粒M6。
本发明的碎石土声发射三轴渗蚀试验装置及其试验方法，对研究应力-破碎-渗流耦合作用下的土体渗透破坏问题提供了一种新的思路与方法。与现有技术相比，具有如下的积极有益效果：
1、不仅能够模拟多级水头及复杂应力条件下的侵蚀环境，而且还能实时监测在侵蚀过程细颗粒的渗流路径、侵蚀发展过程以及中碎石土的破碎和损伤情况。为后续分析碎石土水力、应力应变、剪胀、损伤和临界状态等特性与内侵蚀演化过程间的响应规律等科学问题提供了基础。
2、设计的声发射监测系统，一方面能够实时监测碎石土在多场耦合作用下细粒土的迁移路径；另一方面能准确获取碎石土在高应力状态下粗颗粒损伤破碎的具体位置，可为后续管涌和潜蚀现象的发生提供判断依据。声发射监测系统还具有稳定、方便、灵敏和高精度等特点，可对监测细颗粒迁移过程的动态变化过程和对粗颗粒破碎及损伤的声发射信号进行监测，并协同土水分离装置测定破碎细颗粒质量和破碎细颗粒侵蚀质量。
3、声发射传感器直接粘贴在试样表面，固定传感器的固定固件采用橡皮圈固定，即确保了发射信号的真实性也减少了声发射能量的损耗。声发射信号线以及孔压信号线穿过预留孔后用黏土将钻孔密封，保证了管道导通口的强密闭性，为颗粒破碎和细粒渗流移动等特性产生的声发射研究奠定了基础，实现三轴渗流试验过程中声发射监测的目的。
4、碎石土声发射三轴渗蚀试验装置的各个系统可独立控制，渗透侵蚀三轴试验系统和围压加载系统可改变土体的渗透水压和应力状态的大小，实现不同应力状态下的渗流试验和三轴渗蚀试验；水气交换罐内通入高压空气可实现多级渗透压力的加载；孔隙水压力和声发射信号可由采集器进行程序化处理；采用油压方式完成轴向应力加载；采用压缩气体或水稳定施加试样渗透压力和周围压力。与传统的渗流装置相比，大大的提高了工作效率。
5、该碎石土声发射三轴渗蚀试验装置能够用于开展三轴渗蚀作用下不同级配状态下碎石土的颗粒级配流失及颗粒移动情况和粗颗粒破碎的试验研究，通过声发射技术和染色技术能够从细观上分析碎石土的颗粒流失迁移规律，为后续探究应力-渗流-破碎耦合作用下碎石土内部渗透侵蚀机理提供了新角度。
6、试验过程中可获取土样的细颗粒侵蚀量(原级配细粒侵蚀量和破碎细粒侵蚀量)、流量Q、粗颗粒破碎质量、孔隙水压力和声发射积累能量等数据信息，更高精度和效率的深入认识了应力-渗流-破碎耦合作用下碎石土内部侵蚀演变过程。
7、针对土内部侵蚀时空不确定性和动态变化性，为了更好的对土样变形和土样细颗粒的迁移进行监测处理，试样盛放腔由透明有机玻璃板构成，高清摄像采集器可透过所述有机玻璃板，协同声发射系统可对土样细颗粒的迁移和破碎进行监测处理。
8、采用该碎石土声发射三轴渗蚀试验装置能够用于应力-渗流-破碎耦合作用下不同级配状态下碎石土的细颗粒流失及移动情况和粗颗粒破碎及损伤变形的试验研究，从细观结构上得出不同级配下碎石土三轴渗蚀状态下细颗粒流失和迁移规律和粗颗粒破碎规律，能够获知哪个级配下的碎石土更能抵抗内部侵蚀更具有稳定性，充分研究碎石土内部渗透侵蚀机理，为土石坝和高边坡工程的稳定性提供依据。
附图说明
图1是本发明碎石土声发射三轴渗蚀试验装置示意图；
图2是图1中渗透侵蚀盛放腔的右立面图；
图3是图1中渗透侵蚀盛放腔的轴侧图；
图4是碎石土声发射三轴渗蚀试验流程图；
图5是碎石土应力-渗流-破碎耦合原理图；
图1中，箭头方向为渗流方向；
图中的标记分别表示：
Ⅰ、渗透侵蚀三轴试验系统，Ⅱ、围压加载系统，Ⅲ、土水分离装置，Ⅳ、压力水供给系统，Ⅴ、声发射采集系统，Ⅵ、孔压采集系统，1、压力传感器，2、轴压加载杆，3、LVDT位移传感器，4、带槽试样帽，5、试样盛放腔，6、多孔透水板，7、孔压传感器，8、声发射传感器，9、沉积漏斗，10、沉积漏斗基座，11、压力/体积转换器排气孔，12、压力/体积转换器进水口，13、压力/体积转换器，14、自由伸缩杆，15、位移传感器，16、压力/体积转换器出水口，17、底座，18、分离筒，19、流量表，20、收集筒，21、电子水平称，22、PU管，23、控制阀门，24、水气交换罐，25、调压阀，26、进气口，27、排气口，28、出水口，29、空气压缩机，30、前置放大器，31、声发射采集器；32-高清摄像采集器，33、PC端，34、声发射采集器，35、数据分析系统，36、声发射数据连接线，37、孔压数据连接线，38、压力室出水口，39、细滤网，40、试样帽进水口。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
需要说明的是，在以下的实施例中，各系统采用的器件未注明具体条件的均按照常规器件组装并调试。
参见图1至图5，本实施例给出一种碎石土声发射三轴渗蚀试验装置，包括渗透侵蚀三轴试验系统Ⅰ，围压加载系统Ⅱ，土水分离系统Ⅲ，压力水供给系统Ⅳ，声发射采集系统Ⅴ和孔压采集系统Ⅵ；可分别实现土样渗流侵蚀、围压的加载、土水混合物收集和分离、不同等级的渗透压力、孔隙水压力和声发射累计能量等数据信息的实时采集功能。
如图1-3所示，所述渗透侵蚀三轴试验系统Ⅰ主要包括：压力传感器1、轴压加载杆2、LVDT位移传感器3、带槽试样帽4、试样盛放腔5、多孔透水板6、孔压传感器7、声发射传感器8、沉积漏斗9以及沉积漏斗基座10等，用于作为渗透侵蚀的试验室、轴向位移的监测以及轴向力的加载，其中：
所述试样盛放腔5设置于渗透侵蚀三轴试验系统Ⅰ(压力室)的中部。用来盛放碎石土试样，试样盛放腔5与压力室之间具有一定间隙用来实现周围压力的施加；
所述带槽试样帽4在试样盛放腔5上部，渗流水从水气交换罐24流出经过试样帽进水口40进入试样盛放腔5。
所述轴压加载杆2设置于带槽试样帽4的上部；上部连接有压力传感器1，左侧壁附有LVDT位移传感器3。
所述试样盛放腔5的顶部和底部各设置一多孔透水板6，多孔透水板6与待测土样接触的一侧设有细滤网39，滤网孔径为1.5mm。
所述沉积漏斗底座10设置于沉积漏斗9的下端；沉积漏斗基座10与试样盛放腔5底部之间设有沉积漏斗9。
如图1所示，所述围压加载系统Ⅱ包括：压力/体积转换器进水口11、压力/体积转换器排气口12、压力/体积转换器13、自由伸缩杆14、位移传感器15、压力/体积转换器出水口16和底座17，用于为试验土样提供多级周围压力，模拟出土体真实的受力情况，其中：
所述压力/体积转换器13尾端设置有压力/体积转换器排气孔12、压力/体积转换器进水口11和压力/体积转换器出水口16，出水口16与压力室进水口38连接。
所述自由伸缩杆14与压力/体积转换器13平行放置通过螺丝与底座30相连接，自由伸缩杆14上侧壁连接一位移传感器15。
如图1所示，所述土水分离系统Ⅲ包括：分离筒18、流量计19、收集桶20和水平电子秤21，用于实现流出液体和侵蚀土颗粒分离，以及在试验过程中实时记录侵蚀细颗粒质量和渗出水流量，其中：
所述分离筒18与渗透侵蚀三轴试验系统Ⅰ的沉降漏斗9通过PU管22连接，并在PU管22上设置流量计19，用于记录不同时间段流量的大小。土水混合物经过分离筒底部细滤网39实现土水分离，侵蚀的细颗粒在分离筒的细滤网39中沉积，多余的水通过PU管22排至于收集筒20中。
所述分离筒18和收集筒20下端均设有水平电子秤21。
如图1所示，所述压力水供给系统Ⅳ包括空气压缩机29、水气交换罐24、调压阀25、控制阀门23、进气口26、排气口27、出水口28，用于调节高压气体的压强来提供多级水头的渗透压力，其中：
所述水气交换罐24的出水口28与带槽试样帽进水口40通过控制阀门23相连接。所述空气压缩机29通过控制阀门23以及调压阀25与水气交换罐进气口26相连通。
如图1～3所示，所述声发射系统Ⅴ包括：声发射传感器8、声发射数据连接线36、放大器30、声发射采集器31、高清摄像采集器32和PC端33。用于实现对细颗粒迁移过程的动态变化进行实时监测，且监测粗颗粒破碎质量及破碎细颗粒侵蚀质量的声发射信号；其中：
所述声发射探头8固定在盛放腔外壁中部并紧贴橡胶套的外壁面，并左右各放置一个探头。将所述声发射传感器8与前置放大器30连接，对所述采集到的微弱声发射信号进行放大并去除噪声干扰，再将前置放大器30的输出信号经过采集器31进行处理，将声发射信号转换为数字量；数字量再通过高清摄像采集器32处理后进行对侵蚀细颗粒的渗流路径的实时记录，最终把渗流路径的实时记录的声发射信号传递到PC端33。所述过高清摄像采集器32可实现对细颗粒迁移过程的动态变化进行实时监测；还能实现对粗颗粒破碎及损伤的声发射信号进行监测。
本实施例中，所述声发射传感器固定在盛放腔外壁中部并紧贴橡胶套的外壁面，并左右各放置一个探头，主要对碎石土三轴渗蚀过程中粗颗粒产生的损伤及破碎和细颗粒渗流移动的声发射信号进行接收和传递作用；一方面实现对细颗粒土体在渗流作用下的迁移所产生的声发射信号进行监测及传递；另一方面实现对粗颗粒破碎及损伤的声发射信号进行监测和传递。具体耦合监测过程如图5所示。
如图1～3所示，所述孔压采集系统Ⅵ包括：孔压传感器7、孔压采集器34、数据处理系统35和孔压数据连接线37，用于记录不同深度的孔隙水压力的大小，经过计算后获得每时间段的局部水力梯度和全局水力梯度，其中：
所述孔压传感器7并等间距布置于紧试样盛放腔5的左右外壁面，通过孔压数据连接线37于孔压采集器34相连接，然后经过孔压采集器34，每一时间段的孔隙水压力数据传递到数据分析系统35当中，所述到数据分析系统35装备有孔孔隙水压力采集软件，可实时显示孔隙水压力与时间的关系曲线。
将本实施例的碎石土声发射三轴渗蚀试验装置用于渗蚀试验的流程如图4所示，使用时具体步骤如下：
1)将碎石土声发射三轴渗蚀试验装置中的各个系统进行组装和连接，并在预留的G1/4螺纹开口中装入声发射传感器和孔压传感器，通过声发射电缆线将预设孔和传感器相连，然后接入采集器后，连入数据分析系统当中。
2)将碎石土试样中细颗粒进行染色。将碎石土细颗粒分成几等份，每份染成一种染色，各等份染成不同的颜色。进行烘干24h后，装袋备用。
3)根据干密度计算所需干土质量，按照级配称取各粒径组土质量，将各粒径组土和10％的清水充分搅拌后密封焖料24h，以保证粗细颗粒均匀分布，同时减少搅拌过程中细颗粒损失。
4)按照基座、沉积漏斗、滤纸、有机玻璃圆筒顺序依次组装好后开始装样，装样前在玻璃筒侧壁涂抹一层凡士林减小边界效应对渗流的影响；装样时采取分层压样法压实土样，每层压实厚度为20mm(共五层)，每层土压实完成后对表面进行刮毛再进行下一层的压实。最后，在土样上表面依次装好滤网、多孔透水板以及试样帽。
5)按照规范对试样进行饱和，向周围压力室注入无气水，对土样进行分阶段饱和，直至完成饱和；并用孔压传感器测得孔压增量Δu，当B值＞0.95，认为饱和完成。式中，B＝Δu/Δσ3，σ3为围压。
6)进行固结，固结时间为两天；当固结曲线保持稳定，认为固结完成。
7)进行三轴剪切渗透侵蚀试验，试验原理为：在保持目标围压不变的前提下，以每分钟轴向应变为0.05％的速率施加轴向荷载。在施压轴向荷载的同时，对试样进行渗透试验，按照0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7、1、2、3、…的梯度逐级递增，初始水力梯度可设为0.02～0.03，每一级水头施压的时间为20min,试验初期保持5min测量一次渗出液体积和细粒质量，后根据渗出流量和细粒质量大小调整测量时间，待流量保持相对稳定时进行下一组水力梯度的加载。
8)当试样发生破坏时，终止试验，并拆开压力室，取出试样。并在试验过程中实时记录每时间段流量计的读数和以及侵蚀颗粒的质量，并后期绘制渗透系数和时间关系曲线和侵蚀颗粒的质量和时间的关系曲线。
9)将各层挖出的土样分别烘干并进行筛分试验，将收集到的侵蚀颗粒按不同的颜色进行分选，由此获得不同颜色即不同深度碎石土原级配细颗粒流失情况和未染色破碎产生的细颗粒的流失情况；将试验后的试样进行筛分，可得到破碎未侵蚀细颗粒的质量。
其中，所述破碎侵蚀细颗粒和原级配细粒侵蚀的质量的具体计算过程如下：
声发射传感器收集粗颗粒破碎质量及破碎细颗粒侵蚀质量的声发射信号，将声发射信号经过放大转换后传递给高清摄像采集器，高清摄像采集器根据具体位置对破碎产生的细颗粒进行外轮廓的扫描，根据扫描出的颗粒体积来确定产生的破碎细颗粒质量M1；同样的，所述声发射系统可根据渗流产生流动声发射信号确定土水混合物的质量M2；再协同土水分离系统确定侵蚀细颗粒总量M3和流出水的质量M4，根据渗流出的染色细颗粒来确定原级配细颗粒侵蚀量M5,再通过侵蚀总量得到破碎侵蚀细颗粒M6。
应当理解，以上的实施例是本发明较优的实施例，本发明并不局限于上述实施例，本领域技术人员可以在本申请权利要求的范围内做出各种添加或替换，均属于本申请权利要求限定的保护范围。
Claims (4)
1.一种碎石土声发射三轴渗蚀试验装置，其特征在于，包括渗透侵蚀三轴试验系统，围压加载系统，土水分离系统，压力水供给系统、声发射采集系统和孔压采集系统；其中：
所述渗透侵蚀三轴试验系统包括：压力传感器、轴压加载杆、LVDT位移传感器、带槽试样帽、试样盛放腔、多孔透水板、沉积漏斗以及沉积漏斗基座；用于作为渗透侵蚀的试验室、轴向位移的监测以及轴向力的加载，其中：
所述试样盛放腔设置于压力室的中部，用来盛放碎石土试样，试样盛放腔与压力室之间存在一定间隙用来实现周围压力的施加；
所述带槽试样帽在试样盛放腔上部，其直径略大于试样直径，带槽试样帽上部进水口与压力水供给系统的水气交换罐底部出水口相连接；
所述轴压加载杆设置于带槽试样帽的上部，在带槽试样帽上部连接有用于接收和传递压力信号的压力传感器；
所述轴压加载杆左侧壁附有LVDT位移传感器，用于记录试样在轴向位移的变形；
所述试样盛放腔的顶部和底部各设置一多孔筛板，上下布置的多孔筛板用于实现自上而下以及自下而上两种渗流方式的均匀渗流；
所述多孔透水板与待测土样接触的一侧设有细滤网，细滤网的孔径为1.5mm；
所述沉积漏斗位于多孔透水板的下方，沉积漏斗下方设置沉积漏斗基座；
所述围压加载系统包括：压力/体积转换器进水口、压力/体积转换器排气口、压力/体积转换器、自由伸缩杆、位移传感器、压力/体积转换器出水口和底座，用于为试验土样提供多级周围压力，模拟出土体真实的受力情况，其中：
所述压力/体积转换器尾端设置压力/体积转换器排气孔、压力/体积转换器进水口和压力/体积转换器出水口，压力/体积转换器出水口与压力室进水口相连接；
所述自由伸缩杆与压力/体积转换器平行放置通过螺丝与底座相连接，自由伸缩杆上侧壁连接一位移传感器；
所述土水分离系统包括：分离筒、集水筒、流量计和水平电子秤，用于实现流出液体和侵蚀土颗粒分离，以及在试验过程中实时记录侵蚀细颗粒质量和渗出水流量，其中：
所述的分离筒与沉降漏斗通过PU管相连接，并设置流量计来纪录流量，土水混合物经过分离筒底部的细滤网实现土水分离，侵蚀的细颗粒在分离筒的细滤网中沉积，多余的水通过PU管排至于收集筒中；
所述分离筒和收集筒下端均设置水平电子秤，用来测量每段时间间隔侵蚀细颗粒和流出水的质量；
所述压力水供给系统包括：空气压缩机、水气交换罐、调压阀、控制阀门、水气交换罐进气口、水气交换罐排气口和水气交换罐出水口；用于调节高压气体的压强来提供多级水头的渗透压力，其中：
所述水气交换罐的出水口与试样帽进水口通过控制阀门相连接；所述空气压缩机通过控制阀门以及调压阀与水气交换罐的进气口相连通；
所述声发射采集系统包括：声发射传感器、声发射数据线、前置放大器、声发射采集器、高清摄像采集器和数据处理系统，用于实现对细颗粒迁移过程的动态变化进行实时监测，且监测粗颗粒破碎质量及破碎细颗粒侵蚀质量的声发射信号；其中：
所述声发射传感器与前置放大器连接，前置放大器将采集到的微弱声发射信号进行放大并去除噪声干扰，再将输出信号进行滤波处理，处理后的输出信号通过声发射采集器将声发射信号转换为数字量后传递到高清摄像采集器和数据分析系统；
所述孔压采集系统包括：孔压传感器、孔压采集器、数据处理系统和孔压数据连接线；用于记录不同深度的孔隙水压力的大小，经过计算后获得每时间段的局部水力梯度和全局水力梯度，其中：
所述孔压传感器并等间距布置于紧试样盛放腔的左右外壁面，通过数据连接线于孔压采集器相连接，由孔压采集器将信号处理后的每一时间段的孔隙水压力数据传递到数据分析系统当中，所述数据分析系统配置有孔隙水压力采集软件，可实时显示孔隙水压力与时间的关系曲线。
2.如权利要求1所述的碎石土声发射三轴渗蚀试验装置，其特征在于，所述声发射传感器固定在盛放腔外壁中部并紧贴橡胶套的外壁面，并左右各放置一个探头，主要对碎石土三轴渗蚀过程中粗颗粒产生的损伤及破碎和细颗粒渗流移动的声发射信号进行接收和传递作用；一方面实现对细颗粒土体在渗流作用下的迁移所产生的声发射信号进行监测及传递；另一方面实现对粗颗粒破碎及损伤的声发射信号进行监测和传递。
3.权利要求1或2所述的碎石土声发射三轴渗蚀试验装置的试验方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一，将碎石土声发射三轴渗蚀试验装置中的渗透侵蚀三轴试验系统，围压加载系统，土水分离系统，压力水供给系统和声发射采集系统进行组装和连接，并在预留的G1/4螺纹开口中装入声发射传感器和孔压传感器，通过电缆线通过预设孔将传感器与放大器相连接，然后接入到采集器后，连入数据分析系统中；
步骤二，为了方便观察不同深度细颗粒的流失情况及区别由于粗颗粒破碎产生的细颗粒加以区分，先将碎石土原级配的细颗粒分成几等份，把每份染成一种染色，各等份染成不同的颜色，然后进行烘干24h后，装袋备用；
步骤三，根据干密度计算所需干土质量，按照级配称取各粒径组土质量，按照基座、沉积漏斗、透水石、有机玻璃圆筒顺序依次组装好后开始装样，装样时采取分层压样法压实土样，最后，在土样上表面依次装好滤网、多孔筛板以及试样帽；
步骤四，向周围压力室注入无气水，压力室注满水后对土样进行分阶段饱和，直至完成饱和；并用孔压传感器测得孔压增量Δu，当B值＞0.95，认为饱和完成；所述B值＝Δu/Δσ3，σ3为围压；
步骤五，饱和完成后，对试样进行固结，固结时间为两天，当固结曲线保持不变，认为固结完成；
步骤六，进行三轴剪切渗蚀试验，并每隔一时间段记录流量计的读数和以及侵蚀颗粒的质量，当试样发生剪切破坏时，终止试验，并拆开压力室，取出试样；
步骤七，收集到的侵蚀颗粒按不同的颜色进行分选，由此获得不同颜色即不同深度碎石土原级配细颗粒和未染色粗颗粒破碎产生细颗粒的流失情况，将试验后的试样进行筛分，得到破碎侵蚀细颗粒和原级配细粒侵蚀的质量。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述破碎侵蚀细颗粒和原级配细粒侵蚀的质量的具体计算过程如下：
声发射传感器收集粗颗粒破碎质量及渗流侵蚀细颗粒的质量的声发射信号，将声发射信号经过放大转换后传递给高清摄像采集器，高清摄像采集器根据具体位置对破碎产生的细颗粒进行外轮廓的扫描，根据扫描出的颗粒体积来确定产生的破碎细颗粒质量M1；同样的，所述声发射系统可根据渗流移动产生的摩擦声发射信号确定土水混合物的质量M2；再协同土水分离系统确定侵蚀细颗粒总量M3和流出水的质量M4，根据渗流出的染色细颗粒来确定原级配细颗粒侵蚀量M5,再通过侵蚀总量得到破碎侵蚀细颗粒M6。
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