CN218271689U - 一种基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统，包括：CT扫描系统；承载系统，设置于CT扫描系统的顶部；三轴加压系统，设置于所述承载系统的内部；控制系统，设置于所述三轴加压系统的顶部；收集系统，设置于所述三轴加压系统的外侧，CT扫描系统包含CT机架、转台、转台底座、X射线发射机、面阵探测器和两个机架托盘，CT机架包含底座和两个支撑杆，两个支撑杆分别对称垂直设置于底座的上表面，转台底座设置于底座的顶部，转台转动设置于转台底座的顶部，两个机架托盘分别设置于两个支撑杆的内侧面上。本实用新型不仅可直观监测基坑土体试样的渗透侵蚀破坏全过程，还可以实时获取在渗透破坏中土颗粒运动变化的高清CT图像。

Description

一种基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统

技术领域

本实用新型属于岩土工程技术领域，具体涉及一种基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统。

背景技术

近年来，经济快速发展，城镇化率不断提高，大中城市的规模不断提高，高层建筑物更是随处可见，更好的利用城市地下空间已经成为一大趋势，地下构筑物基坑工程日益增多，随之而来的基坑安全变得十分重要，在工程建设的工程中，地下水始终是影响整个工程重要因素之一，地下水不仅是人们生活中重要的一部分，同时也在建筑的过程中起到不可或缺的作用。而从统计分析的结果来看，国内建有轨道交通的城市不论其水文地质条件如何，其城市地下工程事故主要表现为渗流破坏。

渗流破坏是指岩土体在渗流作用下，使土颗粒发生局部移动或流失，从而导致土体变形失稳，在基坑工程主要是体现为流砂，管涌和潜蚀等，从而影响基坑的稳定性和周边环境的安全性。疏松土的孔隙率较大，当渗流通过其孔隙时，土颗粒会阻碍水流从孔隙中通过，根据力的相互作用原理，水流将产生一个作用于土颗粒的作用力(渗水压力)，该力的方向与土颗粒表面相互垂直。除渗水压力外，土颗粒还受到切向渗透摩擦力。土颗粒在受到渗水压力和摩擦力的共同作用下，即为每颗土颗粒所受到的渗透合力。当渗透合力大于土颗粒的重力时，土颗粒会随着水流一起滚动。当土体的重力小于水流带来的渗透合力时，土体就会在水流的作用下发生整体失稳。渗流作用的破坏形式主要有两种，1)流砂：深基坑开挖过程中，在土的松散颗粒被地下水饱和后，由于渗透坡降达到某一数值，可能会引起流砂破坏。流砂一般是指向上的渗透力大于上覆土自重，使之上抬而破坏；或者在直立坑壁的情况下，水平向的渗透力只需要克服土颗粒之间的摩擦阻力，使坑后土体涌出，容易造成工程事故；2)管涌：表现为地基土在具有一定渗流速度的水流作用下，其细小颗粒被冲走，土中的空隙逐渐增大，细颗粒在较大颗粒的孔隙中随水流流出，常发生于级配不良的无粘性土中。管涌的持续发展将会在土体内部形成空洞，极大威胁基坑工程的安全。基渗透力的存在影响基坑土体应力场分布，基坑工程的边界条件决定了渗透力作用将对基坑工程的整体稳定性产生不利的影响。基坑工程中，尤其在地下水丰富地区，为防止出现地下水的渗透破坏情况，保证施工安全，防渗结构起到主要作用，不同的防渗形式适应于不同的地层情况。在渗流场的作用下，坑内土体有效应力下降会直接降低围护结构对主体的支撑作用，导致围护结构受力变形。而一旦坑内土体发生渗透破坏，就完全失去了支撑作用，严重威胁基坑工程及周边环境的安全。因此，对于研究基坑内土体的渗透侵蚀破坏具有重要价值意义。

目前对于基坑内土体的渗透侵蚀破坏的研究，大多还是采用自制基坑渗流模型箱及配套试验装置模拟,观测土体破坏及水头变化情况，研究承压水头变化与土体渗透破坏关系，揭示基坑土体渗透破坏机理，试验通过改变防渗墙的入土埋深等因素，观察土体发生渗透破坏的临界水头差，结合PLAXIS有限元数值模拟软件，对基坑的渗流场进行分析，对于数值模拟的结果的准确性主要取决于建立的本构模型的正确性，是否逼近真实情况，对于所取用的力学参数和采用的分析方法，是否正确，因此，对于基坑土体渗透侵蚀破坏破坏机理还是停留于定性阶段，无法进一步定量分析，还需进一步研究和完善。

公告号为CN 111337650 A的实用新型专利公开了一种研究地下工程土体渗流破坏机制的多功能试验装置，包括主箱体、加载系统、管道模拟系统、调节系统、基坑支护机构、测量系统和测试系统；主箱体用于承载土体，所述加载系统用于向土体施加载荷，所述管道模拟系统用于模拟顶管管道，所述调节系统用于向土体中供水并控制水压，所述基坑支护机构用于模拟基坑支护，所述测量系统用于检测加载系统内的压力及观测土体的移动和变化情况，所述测量系统用于测量流出砂的粒径和数量。该试验主箱体可以提供满足管涌、突涌、管道局部侵蚀导致漏砂的三种渗流模式，该试验装置可以使主箱体满足模拟多种地下水模式的功效，可以实现底部和侧面的不同承压水方向下的渗流模拟，承压水头调节系统可以实现模拟稳定的不同大小的地下水流压力。该室内模型试验装置用来模拟地下水作用下土体受力变形及孔隙水压力的变化情况等，进而能更好地解决地下水渗流造成的基坑破坏。虽然上述多功能试验装置可以一定程度上解决地下水渗流造成的基坑破坏，但是上述结构仍然存在以下技术缺陷：

(1)上述发明专利无法实时获取土体渗流侵蚀破坏过程。

(2)上述发明专利的加载系统为刚性加载，不能够使力更加均匀加载到土试样，从而不能够获得较好的准确性。

(3)上述发明专利不能定量化表征渗流侵蚀过程中内部土颗粒和孔隙结构的变化特征。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统，包括：

CT扫描系统；

承载系统，设置于所述CT扫描系统的顶部；

三轴加压系统，设置于所述承载系统的内部；

控制系统，设置于所述三轴加压系统的顶部；

收集系统，设置于所述三轴加压系统的外侧。

优选的，所述CT扫描系统包含CT机架、转台、转台底座、X射线发射机、面阵探测器和两个机架托盘，所述CT机架包含底座和两个支撑杆，两个支撑杆分别对称垂直设置于底座的上表面，转台底座设置于底座的顶部，转台转动设置于转台底座的顶部，两个机架托盘分别设置于两个支撑杆的内侧面上，X射线发射机和面阵探测器分别对应设置于两个机架托盘的顶部。

优选的，所述承载系统包含上梁平台、升降台、下平台、定位孔和两个反力柱，所述下平台设置于转台的顶部，升降台设置于下平台的上方，上梁平台设置于升降台的上方，两个反力柱分别垂直对称设置于下平台和上梁平台之间，每个反力柱的顶部均与上梁平台的底部连接，且每个反力柱的底部贯穿升降台并与下平台的顶部连接，定位孔开设于上梁平台顶部的中部。

优选的，所述三轴加压系统包含传感器、上垫块、下垫块、筒子、盖子、千斤顶、压力表、百分表、增压器和气囊，所述传感器设置于上梁平台的底部，传感器与定位孔螺纹连接，千斤顶的底部与下平台的顶部连接，顶部与升降台的底部连接，下垫块放置于升降台的顶部，筒子设置于下垫块的顶部，盖子设置于筒子顶部的开口处，上垫块放置于盖子的顶部，上垫块的顶部与传感器的底部相接触，压力表设置于下平台的顶部，气囊环形设置于筒子的内壁上，百分表设置于升降台的顶部，百分表与下平台连接，增压器设置于转台的顶部，增压器和压力表分别通过管线与气囊相连。

优选的，所述控制系统包含伺服水泵和控制器，伺服水泵和控制器均位于上梁平台的顶部，控制器分别通过管线与传感器和伺服水泵连接，伺服水泵通过管线与上垫块连接。

优选的，所述收集系统包含电子天平和量筒，所述电子天平设置于下平台的顶部，量筒放置于电子天平的顶部，伺服水泵通过管线与量筒相连，量筒与下垫块通过管线相连。

优选的，所述增压器与气囊的管线上设置有控制阀门。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果在于：

(1)本实用新型提供的基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统，结合工业CT扫描，不仅可以直观监测基坑土体试样的渗透侵蚀破坏全过程，还可以实时获取在渗透破坏中土颗粒运动变化的高清CT图像，实现基坑土体试样渗透破坏的全过程可视化和数字化表征；

(2)本实用新型中的三轴加压系统中的气囊给试样提供的是围压应力，千斤顶给试样提供的是轴向压力，使得试样处于静水应力状态，从而不仅能够模拟地层条件，也可模拟流固耦合作用，还可以进行固结，实现三轴试验的进行；

(3)本实用新型扫描结束后通过提取、识别和分析二维CT切片及三维重构图像感兴趣区域(ROI)的CT数、裂纹展布、孔隙度演化、块石运动、CT损伤和应变局部化特征，对其破坏过程中的细观物理量进行定量化描述，揭示渗透侵蚀破坏机理；

(4)本实用新型通过取基坑内不同地层的土试样，可做多种土的渗透破坏试验研究；

(5)本实用新型中的筒子采用的是具有高强度低密度的玻璃非金属材料制成，这样不但具有良好的光学性能，热塑和加工性能，而且具有比重小，高力学强度、抗压抗拉性能突出等特点，也改善了X射线穿过时射线能量衰减情况。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统的正视图；

图3为本实用新型实施例提供的基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统的侧视图；

图4为本实用新型实施例中的CT扫描系统的结构示意图；

图5为本实用新型实施例中的承载系统、三轴加压系统和控制系统的结构示意图；

图6为本实用新型实施例中的承载系统、三轴加压系统和控制系统的正视图；

图中：1-CT机架；2-X射线发射机；3-机架托盘；4-转台底座；5-转台；6-面阵探测器；7-伺服水泵；8-控制器；9-上梁平台；10-管线；11-传感器；12-上垫块；13-盖子；14-筒子；15-气囊；16-下垫块；17-升降台；18-增压器；19-压力表；20-下平台；21-反力柱；22-百分表；23-千斤顶；24-电子天平；25-量筒；26-控制阀门；27-定位孔。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本实用新型实施例提供的基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统可以模拟基坑内土体在应力状态下，受到水的渗流侵蚀破坏的全过程，通过CT扫描和图像采集实现全过程的数字化和可视化表征，为保证基坑安全提供一定的理论依据。本实用新型实施例中的X射线发射机2、面阵探测器6、传感器11、增压器18、伺服水泵7和控制器8均为现有的，本实用新型的改进点并不涉及对以上部件的结构进行改进，上述各部件均源于市售。

如图1至图6所示，本实用新型实施例提供了一种基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统，包括：

CT扫描系统；

承载系统，设置于所述CT扫描系统的顶部；

三轴加压系统，设置于所述承载系统的内部；

控制系统，设置于所述三轴加压系统的顶部；

收集系统，设置于所述三轴加压系统的外侧。

CT扫描系统包含CT机架1、转台5、转台底座4、X射线发射机2、面阵探测器6和两个机架托盘3，所述CT机架1包含底座和两个支撑杆，两个支撑杆分别对称垂直设置于底座的上表面，转台底座4设置于底座的顶部，转台5转动设置于转台底座4的顶部，转台底座4的内部设置有驱动电机，驱动电机采用现有常规的驱动电机，本实用新型实施例中不涉及对驱动电机的结构进行改进，驱动电机的输出端固定连接有转轴，转轴的顶部与转台5的底部固定连接，这样的设计使得转台5能够360度旋转，两个机架托盘3分别设置于两个支撑杆的内侧面上，X射线发射机2和面阵探测器6分别对应设置于两个机架托盘3的顶部，X射线发射机2采用现有的450kV高能工业CT。

承载系统包含上梁平台9、升降台17、下平台20、定位孔27和两个反力柱21，所述下平台20设置于转台5的顶部，升降台17设置于下平台20的上方，上梁平台9设置于升降台17的上方，两个反力柱21分别垂直对称设置于下平台20和上梁平台9之间，每个反力柱21的顶部均与上梁平台9的底部连接，且每个反力柱21的底部贯穿升降台17并与下平台20的顶部连接，定位孔27开设于上梁平台9顶部的中部。

三轴加压系统包含传感器11、上垫块12、下垫块16、筒子14、盖子13、千斤顶23、压力表19、百分表22、增压器18和气囊15，所述传感器11设置于上梁平台9的底部，传感器11与定位孔27螺纹连接，定位孔27的内部设置有内螺纹，传感器11的外部设置有外螺纹，传感器11通过外螺纹和内螺纹与定位孔27连接，千斤顶23的底部与下平台20的顶部连接，顶部与升降台17的底部连接，下垫块16放置于升降台17的顶部，筒子14设置于下垫块16的顶部，盖子13设置于筒子14顶部的开口处，上垫块12放置于盖子13的顶部，上垫块12的顶部与传感器11的底部相接触，压力表19设置于下平台20的顶部，气囊15环形设置于筒子14的内壁上，百分表22设置于升降台17的顶部，百分表22与下平台20连接，增压器18设置于转台5的顶部，增压器18和压力表19分别通过管线10与气囊15相连。

具体设计中，筒子14、管线10、反力柱21、上垫块12、下垫块16、增压器18、盖子13、传感器11、上梁平台9、升降台17、下平台20均采用高强度低密度的玻璃非金属材料制成，这样不但具有良好的光学性能，热塑和加工性能，而且具有比重小，高力学强度、抗压抗拉性能突出等特点，也改善了X射线穿过时射线能量衰减情况。

气囊15采用柔性材料，可以使得试样受力均匀，围压恒定，用千斤顶23施加在样品上的垂直应力利用筒子14上方的传感器11测得，压力表显示气囊施加的围压大小，位于升降台的百分表测量千斤顶在施压时升降台的竖向位移大小。

控制系统包含伺服水泵7和控制器8，伺服水泵7和控制器8均位于上梁平台9的顶部，控制器8分别通过管线10与传感器11和伺服水泵7连接，伺服水泵7通过管线10与上垫块12连接，上垫块12和盖子13的中部分别开设有相互连通的注水小孔，伺服水泵7通过管线10与上垫块12上的注水小孔相连通。

收集系统包含电子天平24和量筒25，所述电子天平24设置于下平台20的顶部，量筒25放置于电子天平24的顶部，伺服水泵7通过管线10与量筒25相连，量筒25与下垫块16通过管线10相连，筒子14的底部中部与下垫块16的中部分别开设有相互连通的注水小孔，量筒25通过导线与下垫块16上的注水小孔相连通。

增压器18与气囊15的管线上设置有控制阀门26。

本实用新型实施例提供的基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统在使用时，首先将试样置于筒子14的内部，放好之后，将盖子13与筒子14的顶部盖紧，然后将下垫块16放置于升降台17的顶部，将筒子14放置于下垫块16上，并将上垫块12放置于盖子13的顶部，此时上垫块12的顶部与传感器11的底部相接触；打开增压器18和控制阀门26，给筒子14内加压，使得试样受到一定的围压应力，启动千斤顶23，在其轴向施压，达到与围压相等的轴向压力，使得试样达到静水应力状态；利用控制器8，通过伺服水泵7，以一定的初始压力差进行饱和，保证压力差p恒定，试样随着时间慢慢趋向于饱和，当量筒25内有水流入，关闭伺服水泵7，说明达到饱和状态；启动X射线发射机2，根据上次停机至今的时间长度选择预热模式并预热，预热结束后，X射线发射机2出束，面阵探测器6接收到信号；分级加压，每加一级，根据达西定律，计算对应的渗透系数，记录某一段时间内，量筒25内流入水的质量，得到渗透系数，每加一级水压，当发现流入量筒25的水刚刚变浑浊时，启动X射线发射机2扫描，转台5带动筒子14旋转进行CT扫描，实时获取渗透破坏过程中土体内部CT图像，对其进行三维重构；逐级施加荷载，让试样渗透破坏的更严重，流入量筒25的水越来越浑浊，直至完全破坏，然后X射线发射机2停止出束，各系统停止工作，关闭CT机放射源，拆除筒子14，结束试验；所有检测任务完成后，等待X射线发射机2散热后，关闭X射线发射机2电源，断开除计算机外其他各分系统开关，借助工业计算机断层扫描数据处理软件，对土体试样进行三维重构、损伤演化描述与损伤变量分析，获得不同应力波下土样渗透侵蚀破坏过程，揭示土体渗透侵蚀破坏机理，实现全过程的可视化和数字化表征。

综上所述，本实用新型实施例提供的基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统中的升降台具有升降移动功能，方便加载，通过千斤顶的轴向荷载和气囊的围压可以实现模拟试样在基坑内处于应力状态下，若加压的轴向荷载和围压一致，试样处于静水压力状态，若不一致，可探讨在三轴应力状态下，还可探寻不同土试样渗透破坏的机理，丰富了实验方案。本系统运用基于面阵探测器高能X射线工业CT技术,实时获取整个土体试样在受到渗流侵蚀破坏后内部高清CT图像、实现土体渗流侵蚀破坏的全过程的可视化和数字化表征。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统，其特征在于，包括：

CT扫描系统；

承载系统，设置于所述CT扫描系统的顶部；

三轴加压系统，设置于所述承载系统的内部；

控制系统，设置于所述三轴加压系统的顶部；

收集系统，设置于所述三轴加压系统的外侧。

2.如权利要求1所述的基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统，其特征在于，所述CT扫描系统包含CT机架(1)、转台(5)、转台底座(4)、X射线发射机(2)、面阵探测器(6)和两个机架托盘(3)，所述CT机架(1)包含底座和两个支撑杆，两个支撑杆分别对称垂直设置于底座的上表面，转台底座(4)设置于底座的顶部，转台(5)转动设置于转台底座(4)的顶部，两个机架托盘(3)分别设置于两个支撑杆的内侧面上，X射线发射机(2)和面阵探测器(6)分别对应设置于两个机架托盘(3)的顶部。

3.如权利要求2所述的基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统，其特征在于，所述承载系统包含上梁平台(9)、升降台(17)、下平台(20)、定位孔(27)和两个反力柱(21)，所述下平台(20)设置于转台(5)的顶部，升降台(17)设置于下平台(20)的上方，上梁平台(9)设置于升降台(17)的上方，两个反力柱(21)分别垂直对称设置于下平台(20)和上梁平台(9)之间，定位孔(27)开设于上梁平台(9)顶部的中部。

4.如权利要求3所述的基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统，其特征在于，所述三轴加压系统包含传感器(11)、上垫块(12)、下垫块(16)、筒子(14)、盖子(13)、千斤顶(23)、压力表(19)、百分表(22)、增压器(18)和气囊(15)，所述传感器(11)设置于上梁平台(9)的底部，传感器(11)与定位孔(27)螺纹连接，千斤顶(23)的底部与下平台(20)的顶部连接，顶部与升降台(17)的底部连接，下垫块(16)放置于升降台(17)的顶部，筒子(14)设置于下垫块(16)的顶部，盖子(13)设置于筒子(14)顶部的开口处，上垫块(12)放置于盖子(13)的顶部，上垫块(12)的顶部与传感器(11)的底部相接触，压力表(19)设置于下平台(20)的顶部，气囊(15)环形设置于筒子(14)的内壁上，百分表(22)设置于升降台(17)的顶部，增压器(18)设置于转台(5)的顶部，增压器(18)和压力表(19)分别通过管线(10)与气囊(15)相连。

5.如权利要求4所述的基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统，其特征在于，所述控制系统包含伺服水泵(7)和控制器(8)，伺服水泵(7)和控制器(8)均位于上梁平台(9)的顶部，控制器(8)分别通过管线(10)与传感器(11)和伺服水泵(7)连接，伺服水泵(7)通过管线(10)与上垫块(12)连接。

6.如权利要求5所述的基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统，其特征在于，所述收集系统包含电子天平(24)和量筒(25)，所述电子天平(24)设置于下平台(20)的顶部，量筒(25)放置于电子天平(24)的顶部，伺服水泵(7)通过管线(10)与量筒(25)相连，量筒(25)与下垫块(16)通过管线(10)相连。

7.如权利要求4所述的基坑土体渗流侵蚀破坏测试的可视化试验系统，其特征在于，所述增压器(18)与气囊(15)的管线上设置有控制阀门(26)。

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