CN208334084U - 一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，包括三轴压力系统、定流量渗流系统和渗流侵蚀土粒测定系统；所述三轴压力系统包括三轴压力室；所述三轴压力室包括压力室外罩、底座、多孔底板和上盖，所述压力室外罩安装在底座上，所述多孔底板设置于底座上且位于压力室外罩内，所述上盖设置于多孔底板上方且位于压力室外罩内，上盖与多孔底板之间设置有土样，所述底座上开设有土粒流出通道。本实用新型通过设置三轴压力系统和渗流侵蚀土粒测定系统，实现了岩土样在渗流力作用下侵蚀现象的模拟和动态观测，突破了传统三轴系统无法动态观测土样渗流侵蚀现象的限制，为侵蚀现象相应地质灾害致灾机理研究提供了精确、有效的基础数据。
Description
技术领域
本实用新型属于岩土工程技术领域，具体涉及一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备。
背景技术
随我国都市化的进程，周边环境的改变导致重大工程地质灾害频发，如泥石流、边坡坍滑等，工程地质这一行业也愈来愈受国家和社会重视。重大工程地质灾害发生原因的识别往往需要考虑材料在时间和外在环境影响下所展现的微观和巨观行为，比如渗流作用引起的侵蚀。调查重大工程地质灾害致灾机理时岩土样的三轴剪切强度试验是必须进行的力学试验之一，现今传统三轴剪切强度试验只能进行特定渗流速率下的三轴渗透试验，从而测定岩土样的渗透系数，无法对岩土样的渗流侵蚀现象进行动态观测，导致我们无法得知特定渗流力作用下岩土样的颗粒成分变化情形，了解岩土样在渗流力作用下颗粒成分变化对于评价该种材料抗侵蚀能力有着重大意义，为此，我们提出一种在渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备。该设备通过设置三轴压力系统和渗流侵蚀土粒测定系统，实现了岩土样在特定渗流力作用下侵蚀现象的模拟和动态观测，突破了传统三轴系统无法进行动态观测土样渗流侵蚀现象的限制，观测的数据可用于调查侵蚀现象相应地质灾害致灾机理，为侵蚀现象相应地质灾害致灾机理的研究提供了精确、有效的基础数据。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，包括三轴压力系统、定流量渗流系统和渗流侵蚀土粒测定系统；
所述三轴压力系统包括三轴压力室、轴向力施加单元、围压力施加单元和反压力施加单元；所述三轴压力室包括压力室外罩、底座、多孔底板和上盖，所述压力室外罩安装在底座上，所述多孔底板设置于底座上且位于压力室外罩内，所述上盖设置于多孔底板上方且位于压力室外罩内，上盖与多孔底板之间设置有土样，所述底座上开设有土粒流出通道，所述土粒流出通道的上端敞开，土粒流出通道的下端连接有第一管路，所述多孔底板位于土粒流出通道上端的正上方，所述底座上设置有排水孔道和反压孔道，所述反压孔道的一端位于多孔底板的正下方且与土粒流出通道相连通，反压孔道的另一端与反压力施加单元连接；所述压力室外罩的顶部设置有围压孔道，所述上盖上开设有渗流孔道，所述围压孔道与围压力施加单元连接，所述渗流孔道与定流量渗流系统连接；
所述渗流侵蚀土粒测定系统包括封闭的外室、设置于外室内的内室和设置于内室内的侵蚀土粒重量测量室，所述内室上方设置有顶盖，内室的上部开设有溢流孔，所述内室内填充有水，水的高度与溢流孔平齐，所述侵蚀土粒重量测量室位于水中且侵蚀土粒重量测量室上部敞开，所述顶盖的底部设置有侵蚀土粒收集漏斗和荷重计，所述侵蚀土粒收集漏斗位于内室内，侵蚀土粒收集漏斗的底部位于侵蚀土粒重量测量室内，侵蚀土粒收集漏斗的顶部与顶盖固定连接，所述荷重计固定安装于顶盖底部且荷重计位于侵蚀土粒收集漏斗小口端的正上方，荷重计与侵蚀土粒重量测量室的底部通过连接杆连接，所述第一管路依次穿过外室顶部和顶盖并与侵蚀土粒收集漏斗相连通，所述外室顶部设置有用于向外室内通入高压空气的气体管道。
上述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，所述轴向力施加单元包括轴向力加载框架，所述轴向力加载框架上设置有伺服电机，所述伺服电机上连接有轴向活塞杆，所述轴向活塞杆的下部穿过压力室外罩的顶部并位于上盖上方，所述轴向活塞杆的上部设置有轴向压力传感器和轴向位移传感器。
上述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，所述围压力施加单元包括第一水槽和与第一水槽连接的第一压力/体积控制器，所述第一压力/体积控制器的出水口通过第二管路与围压孔道连接，所述第一水槽上连接有用于向第一水槽内通入高压空气的第一压缩空气储罐；所述反压力施加单元包括第二水槽和与第二水槽连接的第二压力/体积控制器，所述第二压力/体积控制器的出水口通过第三管路与反压孔道连接，所述第二水槽上连接有用于向第二水槽内通入高压空气的第二压缩空气储罐。
上述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，所述第二管路上且位于围压孔道的上方设置有压力计。
上述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，所述气体管道上安装有第三压力/体积控制器。
上述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，所述定流量渗流系统包括储水罐和定流量泵，所述储水罐的下方开设有出水口，所述出水口通过第一水管与定流量泵的入口连接，所述定流量泵的出口通过第二水管与渗流孔道连接。
上述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，所述外室底部设置有排水管，所述排水管上安装有排水阀门。
上述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，还包括用于拍摄土样照片的摄像机。
上述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，所述土粒流出通道的上部呈漏斗状，所述土样外侧包裹有橡胶膜，所述橡胶膜上设置有用于测量土样环向变形的应变片。
上述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，所述应变片的数量为3个，3个所述应变片沿土样的纵向均匀分布。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
1、本实用新型通过设置三轴压力系统和渗流侵蚀土粒测定系统，实现了岩土样在特定渗流力作用下侵蚀现象的模拟和动态观测，突破了传统三轴系统无法进行动态观测土样渗流侵蚀现象的限制，为侵蚀现象相应地质灾害致灾机理的研究提供了精确、有效的基础数据。
2、本实用新型通过设置围压力施加单元和反压力施加单元，给土样供给围压力和反水压力，从而模拟现地应力，并通过设置定流量渗流系统，为土样提供稳定的向下渗流。
3、本实用新型通过在三轴压力室的底座上设置多孔底板，并在底座上开设土粒流出通道，侵蚀土粒可通过底座的土粒流出通道流入渗流侵蚀土粒测定系统中被收集并量测侵蚀土粒重量，后续可对收集的侵蚀土粒粒径进行测量，为岩土样受侵蚀作用后颗粒成分变化提供基础数据。
4、本实用新型的渗流侵蚀土粒测定系统设置内室和外室，并在内室的水中设置侵蚀土粒重量测量室，侵蚀土粒伴随渗流水落入侵蚀土粒重量测量室内，内室内的水将通过溢流孔溢流至内室和外室之间的腔室内，侵蚀土粒落入侵蚀土粒重量测量室内会造成侵蚀土粒重量测量室整体浮力的变化，从而实现对侵蚀土粒重量的测量，测量准确。
下面结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本实用新型设备的结构示意图。
图2为本实用新型三轴压力系统的结构示意图。
图3为本实用新型渗流侵蚀土粒测定系统的结构示意图。
附图标记说明：
1—三轴压力系统； 1-1—压力室外罩； 1-2—底座；
1-3—多孔底板； 1-4—上盖； 1-5—土样；
1-6—土粒流出通道； 1-7—第一管路； 1-8—排水孔道；
1-9—反压孔道； 1-10—围压孔道； 1-11—渗流孔道；
1-12—轴向力加载框架； 1-13—伺服电机； 1-14—轴向活塞杆；
1-15—轴向压力传感器； 1-16—轴向位移传感器； 1-17—第一水槽；
1-18—第一压力/体积控制器； 1-19—第二管路；
1-20—第一压缩空气储罐； 1-21—第二水槽；
1-22—第二压力/体积控制器； 1-23—第三管路；
1-24—第二压缩空气储罐； 1-25—压力计； 1-26—应变片；
2—定流量渗流系统； 2-1—储水罐； 2-2—定流量泵；
2-3—第一水管； 2-4—第二水管；
3—渗流侵蚀土粒测定系统； 3-1—外室；
3-2—侵蚀土粒重量测量室； 3-3—侵蚀土粒收集漏斗；
3-4—荷重计； 3-5—气体管道； 3-6—排水管；
3-7—排水阀门； 3-8—第三压力/体积控制器；
3-9—内室； 3-10—溢流孔； 3-11—顶盖；
3-12—连接杆； 4—摄像机。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本实用新型的渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，包括三轴压力系统1、定流量渗流系统2和渗流侵蚀土粒测定系统3；
所述三轴压力系统1包括三轴压力室、轴向力施加单元、围压力施加单元和反压力施加单元；所述三轴压力室包括压力室外罩1-1、底座1-2、多孔底板1-3和上盖1-4，所述压力室外罩1-1安装在底座1-2上，所述多孔底板1-3设置于底座1-2上且位于压力室外罩1-1内，所述上盖1-4设置于多孔底板1-3上方且位于压力室外罩1-1内，上盖1-4与多孔底板1-3之间设置有土样1-5，所述底座1-2上开设有土粒流出通道1-6，所述土粒流出通道1-6的上端敞开，土粒流出通道1-6的下端连接有第一管路1-7，所述多孔底板1-3位于土粒流出通道1-6上端的正上方，所述底座1-2上设置有排水孔道1-8和反压孔道1-9，所述反压孔道1-9的一端位于多孔底板1-3的正下方且与土粒流出通道1-6相连通，反压孔道1-9的另一端与反压力施加单元连接；所述压力室外罩1-1的顶部设置有围压孔道1-10，所述上盖1-4上开设有渗流孔道1-11，所述围压孔道1-10与围压力施加单元连接，所述渗流孔道1-11与定流量渗流系统2连接；
所述渗流侵蚀土粒测定系统3包括封闭的外室3-1、设置于外室3-1内的内室3-9和设置于内室3-9内的侵蚀土粒重量测量室3-2，所述内室3-9上方设置有顶盖3-11，内室3-9的上部开设有溢流孔3-10，所述内室3-9内填充有水，水的高度与溢流孔3-10平齐，所述侵蚀土粒重量测量室3-2位于水中且侵蚀土粒重量测量室3-2上部敞开，所述顶盖3-11的底部设置有侵蚀土粒收集漏斗3-3和荷重计3-4，所述侵蚀土粒收集漏斗3-3位于内室3-9内，侵蚀土粒收集漏斗3-3的底部位于侵蚀土粒重量测量室3-2内，侵蚀土粒收集漏斗3-3的顶部与顶盖3-11固定连接，所述荷重计3-4固定安装于顶盖3-11底部且荷重计3-4位于侵蚀土粒收集漏斗3-3小口端的正上方，荷重计3-4与侵蚀土粒重量测量室3-2的底部通过连接杆3-12连接，所述第一管路1-7依次穿过外室3-1顶部和顶盖3-11并与侵蚀土粒收集漏斗3-3相连通，所述外室3-1顶部设置有用于向外室3-1内通入高压空气的气体管道3-5。
本实施例中，所述轴向力施加单元包括轴向力加载框架1-12，所述轴向力加载框架1-12上设置有伺服电机1-13，所述伺服电机1-13上连接有轴向活塞杆1-14，所述轴向活塞杆1-14的下部穿过压力室外罩1-1的顶部并位于上盖1-4上方，所述轴向活塞杆1-14的上部设置有轴向压力传感器1-15和轴向位移传感器1-16。
本实施例中，所述围压力施加单元包括第一水槽1-17和与第一水槽1-17连接的第一压力/体积控制器1-18，所述第一压力/体积控制器1-18的出水口通过第二管路1-19与围压孔道1-10连接，所述第一水槽1-17上连接有用于向第一水槽1-17内通入高压空气的第一压缩空气储罐1-20；所述反压力施加单元包括第二水槽1-21和与第二水槽1-21连接的第二压力/体积控制器1-22，所述第二压力/体积控制器1-22的出水口通过第三管路1-23与反压孔道1-9连接，所述第二水槽1-21上连接有用于向第二水槽1-21内通入高压空气的第二压缩空气储罐1-24。
本实施例中，所述第二管路1-19上且位于围压孔道1-10的上方设置有压力计1-25。
本实施例中，所述气体管道3-5上安装有第三压力/体积控制器3-8。
本实施例中，所述定流量渗流系统2包括储水罐2-1和定流量泵2-2，所述储水罐2-1的下方开设有出水口，所述出水口通过第一水管2-3与定流量泵2-2的入口连接，所述定流量泵2-2的出口通过第二水管2-4与渗流孔道1-11连接。
本实施例中，所述外室3-1底部设置有排水管3-6，所述排水管3-6上安装有排水阀门3-7。
本实施例中，还包括用于拍摄土样1-5照片的摄像机4。
本实施例中，所述土粒流出通道1-6的上部呈漏斗状，所述土样1-5外侧包裹有橡胶膜，所述橡胶膜上设置有用于测量土样1-5环向变形的应变片1-26。
本实施例中，所述应变片1-26的数量为3个，3个所述应变片1-26沿土样1-5的纵向均匀分布。
本实用新型的设备的工作原理为：通过第一压力/体积控制器1-18由第二管路1-19给予土样1-5设定的围压力，同时第二压力/体积控制器1-22由第三管路1-23给予土样1-5反水压力，在土样1-5饱和后进行渗流侵蚀试验；渗流侵蚀试验时首先通过储水罐2-1和定流量泵2-2由第二水管2-4供给土样1-5一定速率的向下渗流，当渗流造成的渗流力超过土样1-5颗粒间张力强度后，土粒开始剥离，即侵蚀现象发生，此时土样1-5的质量随时间增加而逐渐减小，被侵蚀的土粒依次经由土粒流出通道1-6、第一管路1-7和侵蚀土粒收集漏斗3-3落入渗流侵蚀土粒测定系统3的侵蚀土粒重量测量室3-2内(渗流侵蚀土粒测定系统3为一封闭系统，因此可通过第三压力/体积控制器3-8和气体管道3-5给渗流侵蚀土粒测定系统3提供与土样1-5所受反水压力相同的压力)，因为试验过程不断有侵蚀土粒伴随渗流水流入侵蚀土粒重量测量室3-2内，内室3-9内的水将通过溢流孔3-10溢流至内室3-9和外室3-1之间的腔室内，侵蚀土粒落入侵蚀土粒重量测量室3-2内会造成侵蚀土粒重量测量室3-2整体浮力的变化，从而造成荷重计3-4内钢弦松紧频率不同，进而量测侵蚀土粒重量。另外，试验过程中土样1-5的体积变形除可透过轴向位移传感器1-16配合土样1-5周围布置的应变片1-26来量测外，还可通过摄像机4进行反复检验，从而提高土样1-5体积变形量测精度。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何限制，凡是根据实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，包括三轴压力系统(1)、定流量渗流系统(2)和渗流侵蚀土粒测定系统(3)；
所述三轴压力系统(1)包括三轴压力室、轴向力施加单元、围压力施加单元和反压力施加单元；所述三轴压力室包括压力室外罩(1-1)、底座(1-2)、多孔底板(1-3)和上盖(1-4)，所述压力室外罩(1-1)安装在底座(1-2)上，所述多孔底板(1-3)设置于底座(1-2)上且位于压力室外罩(1-1)内，所述上盖(1-4)设置于多孔底板(1-3)上方且位于压力室外罩(1-1)内，上盖(1-4)与多孔底板(1-3)之间设置有土样(1-5)，所述底座(1-2)上开设有土粒流出通道(1-6)，所述土粒流出通道(1-6)的上端敞开，土粒流出通道(1-6)的下端连接有第一管路(1-7)，所述多孔底板(1-3)位于土粒流出通道(1-6)上端的正上方，所述底座(1-2)上设置有排水孔道(1-8)和反压孔道(1-9)，所述反压孔道(1-9)的一端位于多孔底板(1-3)的正下方且与土粒流出通道(1-6)相连通，反压孔道(1-9)的另一端与反压力施加单元连接；所述压力室外罩(1-1)的顶部设置有围压孔道(1-10)，所述上盖(1-4)上开设有渗流孔道(1-11)，所述围压孔道(1-10)与围压力施加单元连接，所述渗流孔道(1-11)与定流量渗流系统(2)连接；
所述渗流侵蚀土粒测定系统(3)包括封闭的外室(3-1)、设置于外室(3-1)内的内室(3-9)和设置于内室(3-9)内的侵蚀土粒重量测量室(3-2)，所述内室(3-9)上方设置有顶盖(3-11)，内室(3-9)的上部开设有溢流孔(3-10)，所述内室(3-9)内填充有水，水的高度与溢流孔(3-10)平齐，所述侵蚀土粒重量测量室(3-2)位于所述水中且侵蚀土粒重量测量室(3-2)上部敞开，所述顶盖(3-11)的底部设置有侵蚀土粒收集漏斗(3-3)和荷重计(3-4)，所述侵蚀土粒收集漏斗(3-3)位于内室(3-9)内，侵蚀土粒收集漏斗(3-3)的底部位于侵蚀土粒重量测量室(3-2)内，侵蚀土粒收集漏斗(3-3)的顶部与顶盖(3-11)固定连接，所述荷重计(3-4)固定安装于顶盖(3-11)底部且荷重计(3-4)位于侵蚀土粒收集漏斗(3-3)小口端的正上方，荷重计(3-4)与侵蚀土粒重量测量室(3-2)的底部通过连接杆(3-12)连接，所述第一管路(1-7)依次穿过外室(3-1)顶部和顶盖(3-11)并与侵蚀土粒收集漏斗(3-3)相连通，所述外室(3-1)顶部设置有用于向外室(3-1)内通入高压空气的气体管道(3-5)。
2.根据权利要求1所述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，所述轴向力施加单元包括轴向力加载框架(1-12)，所述轴向力加载框架(1-12)上设置有伺服电机(1-13)，所述伺服电机(1-13)上连接有轴向活塞杆(1-14)，所述轴向活塞杆(1-14)的下部穿过压力室外罩(1-1)的顶部并位于上盖(1-4)上方，所述轴向活塞杆(1-14)的上部设置有轴向压力传感器(1-15)和轴向位移传感器(1-16)。
3.根据权利要求2所述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，所述围压力施加单元包括第一水槽(1-17)和与第一水槽(1-17)连接的第一压力/体积控制器(1-18)，所述第一压力/体积控制器(1-18)的出水口通过第二管路(1-19)与围压孔道(1-10)连接，所述第一水槽(1-17)上连接有用于向第一水槽(1-17)内通入高压空气的第一压缩空气储罐(1-20)；所述反压力施加单元包括第二水槽(1-21)和与第二水槽(1-21)连接的第二压力/体积控制器(1-22)，所述第二压力/体积控制器(1-22)的出水口通过第三管路(1-23)与反压孔道(1-9)连接，所述第二水槽(1-21)上连接有用于向第二水槽(1-21)内通入高压空气的第二压缩空气储罐(1-24)。
4.根据权利要求3所述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，所述第二管路(1-19)上且位于围压孔道(1-10)的上方设置有压力计(1-25)。
5.根据权利要求3所述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，所述气体管道(3-5)上安装有第三压力/体积控制器(3-8)。
6.根据权利要求1所述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，所述定流量渗流系统(2)包括储水罐(2-1)和定流量泵(2-2)，所述储水罐(2-1)的下方开设有出水口，所述出水口通过第一水管(2-3)与定流量泵(2-2)的入口连接，所述定流量泵(2-2)的出口通过第二水管(2-4)与渗流孔道(1-11)连接。
7.根据权利要求1所述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，所述外室(3-1)底部设置有排水管(3-6)，所述排水管(3-6)上安装有排水阀门(3-7)。
8.根据权利要求1所述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，还包括用于拍摄土样(1-5)照片的摄像机(4)。
9.根据权利要求1所述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，所述土粒流出通道(1-6)的上部呈漏斗状，所述土样(1-5)外侧包裹有橡胶膜，所述橡胶膜上设置有用于测量土样(1-5)环向变形的应变片(1-26)。
10.根据权利要求9所述的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，其特征在于，所述应变片(1-26)的数量为3个，3个所述应变片(1-26)沿土样(1-5)的纵向均匀分布。
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