本發(fā)明屬于土工室內(nèi)試驗技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于電磁驅(qū)動及電滲固結(jié)理論的加快水分在巖土體中遷移的方法及裝置。

背景技術(shù)：

目前，室內(nèi)模擬水分在巖土體中的遷移對巖土體的性質(zhì)的影響是一項非常重要的研究，以動態(tài)庫水條件下的滑坡研究為例：滑坡模型試驗是對滑坡演化過程進(jìn)行研究的有效手段之一。目前對模型的研究主要集中在滑坡位移場、應(yīng)力場等有關(guān)滑坡運動規(guī)律、內(nèi)部變形規(guī)律及其危害。在水庫運行條件下對滑坡變形破壞機(jī)制的研究較少，主要研究在靜態(tài)水位下的變形規(guī)律或者通過數(shù)值模擬的方法研究動態(tài)庫水位作用下的變形機(jī)制和變形趨勢。雖然有學(xué)者提到了庫水位升降對邊坡破壞，但通過模擬實驗得到的土體中的水位自由面和庫水位面形態(tài)與實際不符。這說明目前模型試驗對于滲流場的模擬遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到研究要求，不利于滑坡的研究。通過研究發(fā)現(xiàn)是因為：1.在滑坡模型制作過程中難以控制滲透系數(shù)以及存在制作工藝缺陷；2.根據(jù)相似理論得到的模型滲透系數(shù)一般為Km＝10^-6～10^-7m/s(實際中，土質(zhì)滑坡土體多由粗粒土組成，其滲透系數(shù)一般在10^-4～10^-5m/s數(shù)量級)，在土力學(xué)中滲透系數(shù)k<10^-8m/s的土被認(rèn)為是不透水層，故模型材料可認(rèn)為是低滲透材料。模型滲透性差導(dǎo)致水分遷移速率慢，拉長工作周期，導(dǎo)致模型試驗很難模擬庫水位升降過程對滑坡影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于電磁驅(qū)動及電滲固結(jié)理論的加快水分遷移方法及裝置，該方法和裝置能模擬庫水升降對滑坡的影響，加快庫水對排出與滲透，提高試驗效率。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于電磁驅(qū)動及電滲固結(jié)理論的加快水分遷移裝置，包括模型箱、滑坡模型、庫水、電場產(chǎn)生裝置、磁場產(chǎn)生裝置；所述滑坡模型和庫水置于模型箱內(nèi)，且?guī)焖挥诨履Ｐ偷幕屡c模型箱箱壁之間；在庫水下方，模型箱底部設(shè)有帶閥門的排水口；所述電場產(chǎn)生裝置包括可調(diào)直流電源，以及置于滑坡模型中的陰極單元和陽極單元，可調(diào)直流電源分別通過電源夾與陰極單元、陽極單元連接；磁場產(chǎn)生裝置使模型箱內(nèi)產(chǎn)生電場和磁場；通過改變可調(diào)直流電源的大小、正負(fù)極，實現(xiàn)模型箱內(nèi)電場、磁場的改變，進(jìn)而改變庫水中陰陽離子的運動，加快庫水的滲透和排出。

按上述方案，所述磁場產(chǎn)生裝置包括安設(shè)在模型箱頂部的上磁鐵和安設(shè)在模型箱底部的下磁鐵；所述上磁鐵鋪滿整個模型箱頂部，所述下磁鐵鋪滿整個模型箱底部；以提供均勻穩(wěn)定的磁場。

按上述方案，所述陽極單元包括平行設(shè)置的多根陽極導(dǎo)電絲，陽極導(dǎo)電絲的一端相連接，陽極導(dǎo)電絲的另一端均通過電源夾與可調(diào)直流電源連接；所述陰極單元包括平行設(shè)置的多根陰極導(dǎo)電絲，陰極導(dǎo)電絲的一端相連接，陰極導(dǎo)電絲的另一端均通過電源夾與可調(diào)直流電源連接；相鄰陽極導(dǎo)電絲之間的間距為0.7-1.2cm；相鄰陰極導(dǎo)電絲之間的間距為0.7-1.2cm；所述陰極單元置于滑坡模型的后緣，所述陽極單元置于滑坡模型的滑坡前部。該結(jié)構(gòu)能使提供均勻穩(wěn)定的電場，從而使磁場也均勻、穩(wěn)定。

按上述方案，所述庫水為摩爾濃度為1mol/L的NaCl溶液。

本發(fā)明還提供一種基于電磁驅(qū)動及電滲固結(jié)理論的加快水分遷移方法，包括如下步驟：

步驟一、制作滑坡模型，在滑坡模型的后緣安設(shè)陰極單元，在滑坡模型的滑坡前端安設(shè)陽極單元，在滑坡模型內(nèi)安設(shè)檢測儀器；將上述滑坡模型置于模型箱中，將陽極單元和陰極單元通過電源夾與可調(diào)直流電源連接；在模型箱頂部設(shè)上磁鐵，在模型箱底部設(shè)下磁鐵；通過模型箱底部的排水孔將庫水排入模型箱中，當(dāng)庫水水位達(dá)到預(yù)定高度使，關(guān)閉閥門；

步驟二、接通可調(diào)直流電源，設(shè)置電壓，庫水在電場、電磁場作用下發(fā)生遷移，使庫水向滑坡模型滲透，通過改變電壓控制庫水向滑坡模型的滲透速率；改變可調(diào)直流電源的正負(fù)極，庫水在電場、電磁場作用下發(fā)生遷移，使庫水排出模型箱，通過改變電壓控制庫水排出模型箱的速率。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明在不改變模型材料的滲透系數(shù)等參數(shù)的情況下，通過調(diào)節(jié)電壓、磁場強(qiáng)度的大小來改變庫水的滲透系數(shù)，克服模型模擬庫水變動對滑坡影響的試驗過程中模型滲透系數(shù)小，庫水很難滲透的缺陷，改變庫水的滲透率及滲透時間，以準(zhǔn)確模擬庫水升降對滑坡的影響；

本發(fā)明能有效加快庫水的入滲及排除，提高滑坡模型試驗效率。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明基于電磁驅(qū)動及電滲固結(jié)理論的加快水分遷移裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是陰極單元、陽極單元的安設(shè)示意圖；

圖3是陰極單元、陽極單元的俯視示意圖；

其中：1、模型箱，2、滑坡模型，2-1、滑坡，3、庫水，4、陰極單元，4-1、陰極導(dǎo)電絲，5、陽極單元，5-1、陽極導(dǎo)電絲，6、上磁鐵，7、下磁鐵。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明所用的理論主要為電磁驅(qū)動理論和電滲固結(jié)理論。其中電磁驅(qū)動原理為液體中陰陽離子對導(dǎo)電和產(chǎn)生洛倫茲力起主要作用。如圖1，在滑坡模型的x方向施加一個均勻電場，在y方向施加一個均勻磁場。帶電離子在電場的作用下將會沿著x方向定向運動，定向運動的離子在磁場作用下將會產(chǎn)生沿z方向的洛倫茲力。當(dāng)該力大于流體粘滯力時，就會使液體發(fā)生流動。根據(jù)電滲固結(jié)理論，土體在電場下會發(fā)生電泳和電滲現(xiàn)象，即帶負(fù)電荷的土顆粒向陽極移動，水分子向陰極移動。電滲原理常用于地基處理，加速軟粘土的固結(jié)，效果非常好，電滲固結(jié)理論也較為完善。由于現(xiàn)有滑坡模型的土顆粒結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定性，只有極少部分的土顆粒產(chǎn)生運動，所以可移動的陰離子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陽離子數(shù)量，即n+z+e＞＞n-z-e，相對過剩的陽離子在外加電場作用下向陰極移動。結(jié)合電滲固結(jié)理論及電磁驅(qū)動理論，導(dǎo)出滲透時間T與電壓Ve，磁場強(qiáng)度B的關(guān)系式：其中α、β是與土體初始含水率、飽和含水率等性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)；具體為：

式中，κ為經(jīng)驗參數(shù)，取值范圍0.5～1.3；w_r為土體飽和含水率，w₀為初始含水率，L為滑坡模型長度，g為重力加速度，ρ_w為水的密度，γ為土體的重度。

參見圖1-圖3，一種基于電磁驅(qū)動及電滲固結(jié)理論的加快水分遷移裝置，包括模型箱1、滑坡模型2、庫水3、電場產(chǎn)生裝置、磁場產(chǎn)生裝置.滑坡模型2和庫水3置于模型箱1內(nèi)，且?guī)焖?位于滑坡模型2的滑坡2-1與模型箱1箱壁之間；在庫水3下方，模型箱1底部設(shè)有帶閥門的排水口。電場產(chǎn)生裝置包括可調(diào)直流電源，以及置于滑坡模型2中的陰極單元4和陽極單元5，可調(diào)直流電源分別通過電源夾與陰極單元4、陽極單元5連接，以產(chǎn)生電場和磁場。陽極單元5-1包括平行設(shè)置在滑坡模型2的滑坡2-1前部的多根陽極導(dǎo)電絲5-1，相鄰陽極導(dǎo)電,5-1之間的間距為0.7-1.2cm，陽極導(dǎo)電絲5-1的一端相連接，陽極導(dǎo)電絲5-1的另一端均通過電源夾與可調(diào)直流電源連接；陰極單元4包括平行設(shè)置在滑坡模型2后緣的多根陰極導(dǎo)電絲4-1，陰極導(dǎo)電絲4-1的一端相連接，陰極導(dǎo)電絲4-1的另一端均通過電源夾與可調(diào)直流電源連接，相鄰陰極導(dǎo)電絲4-1之間的間距為0.7-1.2cm。電場產(chǎn)生裝置能提供均勻穩(wěn)定的電場，從而提供均勻、穩(wěn)定的磁場。磁場產(chǎn)生裝置包括安設(shè)在模型箱1頂部的上磁鐵6和安設(shè)在模型箱1底部的下磁鐵7；上磁鐵6鋪滿整個模型箱1頂部，下磁鐵7鋪滿整個模型箱1底部；磁場產(chǎn)生裝置能提供均勻穩(wěn)定的磁場和電場。通過改變可調(diào)直流電源的大小、正負(fù)極，實現(xiàn)模型箱內(nèi)電場、磁場的改變，進(jìn)而改變庫水中陰陽離子的運動，加快庫水的滲透和排出。

本實施例中，庫水3為摩爾濃度為1mol/L的NaCl溶液。

本發(fā)明還提供一種基于電磁驅(qū)動及電滲固結(jié)理論的加快水分遷移方法，包括如下步驟：

步驟一、制作滑坡模型，在滑坡模型的后緣安設(shè)陰極單元，在滑坡模型的滑坡前端安設(shè)陽極單元，在滑坡模型內(nèi)安設(shè)檢測儀器；將上述滑坡模型置于模型箱中，將陽極單元和陰極單元通過電源夾與可調(diào)直流電源連接；在模型箱頂部設(shè)上磁鐵，在模型箱底部設(shè)下磁鐵；通過模型箱底部的排水孔將庫水排入模型箱中，當(dāng)庫水水位達(dá)到預(yù)定高度使，關(guān)閉閥門；

步驟二、接通可調(diào)直流電源，設(shè)置電壓，庫水在電場、電磁場作用下發(fā)生遷移，使庫水向滑坡模型滲透，通過改變電壓控制庫水向滑坡模型的滲透速率；改變可調(diào)直流電源的正負(fù)極，庫水在電場、電磁場作用下發(fā)生遷移，使庫水排出模型箱，通過改變電壓控制庫水排出模型箱的速率。

步驟一的步驟為：

1)、配置含水率為w0(w0根據(jù)研究對象的實際情況確定)的粘土，密封保存，靜置24h，使得粘土含水均勻；

2)、按照土工試驗規(guī)程測試粘土含水量，密度；

3)、稱取m1重的粘土，然后再逐層將粘土填入模型箱1中，填土過程中加入數(shù)根導(dǎo)電絲(電極)，(注意不要弄斷導(dǎo)體)，以及檢測儀器，保持粘土表面平整，同時稱量來粘土和電極、模型箱1的總質(zhì)量m2(以保證滑坡土體性質(zhì)均勻性)，密封保存(以保證初始含水率不變)，靜置24小時在自重下固結(jié)；

4)、在模型箱頂部和底部設(shè)置磁鐵，將庫水3緩慢放入模型箱中，逐漸上升到設(shè)計高度；

5)、將電極通過電源夾與可調(diào)直流電源連接。

步驟二的步驟為：

1)、接通可調(diào)直流電源，將電壓設(shè)為V1(根據(jù)土體的性質(zhì)確定α，β，時間以及已知的磁場強(qiáng)度確定電壓V1)，庫水在電磁場作用下發(fā)生遷移，加速庫水滲入滑坡模型中；

2)、待庫水穩(wěn)定5小時后，改變可調(diào)直流電源正負(fù)極，電磁場對水的作用力發(fā)生變化，由坡內(nèi)指向坡外，加速庫水的排除，進(jìn)而達(dá)到縮短庫水排出時間的效果。

在步驟二中，通過改變可調(diào)直流電源的電壓大小，從而改變電磁場的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)水分遷移速率，改變庫水的滲透率。

本發(fā)明中，含水率測試根據(jù)土工試驗規(guī)程測定；質(zhì)量通過相應(yīng)精度電子秤測定；排水通過設(shè)置在模型箱底部的孔排出，并可通過閥門控制排水速率；電場發(fā)生裝置、磁場發(fā)生裝置提供穩(wěn)定的電場，可根據(jù)需要來調(diào)節(jié)電壓大??；電場發(fā)生裝置、磁場發(fā)生裝置提供穩(wěn)定的磁場。

本發(fā)明中，電場發(fā)生裝置、電磁發(fā)生裝置產(chǎn)生相互垂直的電磁場，電磁場方向分別為：平行于XZ平面、垂直于XY平面的磁場，平行于XY平面、垂直于YZ平面的電場。模型箱采用有機(jī)玻璃制成。

本發(fā)明通過離子液體在電磁場力作用下達(dá)到加快水分遷移速率的目的。本發(fā)明很好的解決了模型庫水位滲透問題。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。