本發(fā)明涉及一種大變形全密閉的水平潛蝕可視化測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

缺級(jí)土是建造土石壩、河堤等重大工程的主要材料，然而缺級(jí)土中粗細(xì)顆粒的級(jí)配由場(chǎng)地決定，往往并不理想。若采用級(jí)配不良的缺級(jí)土，土石壩、河堤中的細(xì)粒土易沿粗粒土的孔徑流失，易發(fā)生土體的滲透破壞災(zāi)害，嚴(yán)重威脅到人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

針對(duì)缺級(jí)土的潛蝕破壞，有研究學(xué)者研制了軸向應(yīng)力可達(dá)1.0mpa的垂直滲透破壞試驗(yàn)裝置，并使用該裝置研究了在不同軸向應(yīng)力下砂礫石土試驗(yàn)的潛蝕破壞特性。還有一些研究學(xué)者研制了滲流-侵蝕-應(yīng)力耦合管涌試驗(yàn)裝置，該裝置能夠比較真實(shí)地模擬出原狀土體狀態(tài)，能實(shí)時(shí)測(cè)量土體幾何和水力等特性的演變過(guò)程，并利用該裝置開(kāi)展了無(wú)圍壓、等向受壓和三軸受壓滲透破壞試驗(yàn)。然而這兩種潛蝕破壞測(cè)量裝置的滲流方向?yàn)榇怪狈较颍c缺級(jí)土應(yīng)力方向一致，不符合工程實(shí)際工況。

為了獲取水平潛蝕破壞的特性，文獻(xiàn)《堤基滲流破壞影響因素試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬》提出了一種獲取水平滲流的滲透破壞測(cè)試裝置。裝置中，水流從左到右進(jìn)行滲流，在下流獲取細(xì)粒土的流失情況。然而，這種裝置垂直方向密封性存在困難，并沒(méi)有考慮垂直應(yīng)力對(duì)土體的影響。換言之，這種裝置并不可用于研究深層土體的潛蝕破壞特性。

中國(guó)發(fā)明專利2011102311746公開(kāi)一種用于高應(yīng)力條件下土體和結(jié)構(gòu)接觸滲透儀，然而此發(fā)明專利提出的裝置由傳統(tǒng)的三軸滲透儀改造而成，僅可施加圍壓和軸壓，并不能考慮垂直應(yīng)力條件下水平滲透的潛蝕破壞。中國(guó)發(fā)明專利2015102147113公開(kāi)一種水平接觸面剪切變形的水平滲透儀，可以用于對(duì)土體水平接觸面或土體與結(jié)構(gòu)物水平接觸面在剪切變形情況下進(jìn)行水平滲透特性。然而，此裝置頂部加壓裝置采用密封條和頂蓋密封，在大變形情況下密閉性不佳，此裝置不可用于大變形情況下滲透特性的測(cè)量，無(wú)法適用于潛蝕條件。而且，此裝置無(wú)法定量測(cè)量土體的豎向變形和土體滲透特性。

綜上所述，現(xiàn)在的裝置尚不能同時(shí)考慮垂直應(yīng)力和水平滲流情況下土體潛蝕破壞特性的測(cè)量，難以準(zhǔn)確描述土體潛蝕破壞的特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種大變形全密閉的水平潛蝕可視化測(cè)量裝置，可直接獲取側(cè)限條件下垂直應(yīng)力可控的缺級(jí)土水平滲透過(guò)程中的細(xì)粒土水平流失、水平極限水力梯度和土體可視化變形。

對(duì)此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種大變形全密閉的水平潛蝕可視化測(cè)量裝置，其包括供水裝置、缺級(jí)土測(cè)試容器、軸向加載裝置和出流收集裝置，所述缺級(jí)土測(cè)試容器包括頂蓋，所述缺級(jí)土測(cè)試容器的左、右側(cè)面為側(cè)面多孔板，所述缺級(jí)土測(cè)試容器的前側(cè)面設(shè)有可以觀察缺級(jí)土測(cè)試容器內(nèi)部的透明板，對(duì)待測(cè)缺級(jí)土的細(xì)粒土進(jìn)行染色，并將待測(cè)缺級(jí)土放置于所述缺級(jí)土測(cè)試容器內(nèi)，所述頂蓋位于待測(cè)缺級(jí)土的上方，所述側(cè)面多孔板的內(nèi)部孔隙尺寸不小于1mm；

所述缺級(jí)土測(cè)試容器的左、右側(cè)面的外部連接有側(cè)面集水槽，所述側(cè)面集水槽與側(cè)面多孔板之間形成集水腔體，左、右側(cè)中的一側(cè)的集水腔體設(shè)有進(jìn)水口，所述進(jìn)水口與供水裝置連接；左、右側(cè)中的另一側(cè)的集水腔體設(shè)有出水口，所述出流收集裝置包括流量傳感器和顆粒收集裝置，所述出水口通過(guò)流量傳感器和顆粒收集裝置連接；

所述軸向加載裝置包括壓力控制器、位于所述頂蓋與待測(cè)缺級(jí)土之間的水囊和囊內(nèi)平板，所述壓力控制器將液體從頂蓋中注入水囊。

采用此技術(shù)方案，該裝置可同時(shí)考慮壓實(shí)和應(yīng)力方向引發(fā)的滲透水平向潛蝕破壞，綜合分析細(xì)粒土流失量、潛蝕破壞的發(fā)展和臨界水力梯度的響應(yīng)。待測(cè)缺級(jí)土承受應(yīng)力由軸向加載裝置施加，即壓力控制器通過(guò)加入液體到水囊，施加壓力給囊內(nèi)平板，從而使壓力加載在待測(cè)缺級(jí)土上，該壓力方向垂直向下，而水流滲透方向由水平供水裝置從進(jìn)水口流入到集水腔體內(nèi)，通過(guò)側(cè)面多孔板中的孔隙流經(jīng)待測(cè)缺級(jí)土，最后從側(cè)面多孔板流出，從出水口到達(dá)出流收集裝置，這個(gè)測(cè)試過(guò)程中，施加的應(yīng)力方向和水流滲透方向垂直。

所述待測(cè)缺級(jí)土前側(cè)為透明有機(jī)玻璃板，可對(duì)滲透過(guò)程中土體進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，還可采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)和染色識(shí)別技術(shù)從整體上獲取缺級(jí)土潛蝕破壞過(guò)程中土體大變形和細(xì)粒土流失信息。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述頂蓋和待測(cè)缺級(jí)土之間設(shè)有由柔性材料制成的水囊，所述水囊用于裝置的密封和垂直應(yīng)力的施加，所述囊內(nèi)平板位于柔性材料的內(nèi)部。所述柔性材料可緊貼缺級(jí)土測(cè)試容器腔體內(nèi)壁及待測(cè)缺級(jí)土的上表面，即使在土樣發(fā)生大變形條件下，腔體仍可保證完全密封并將豎向應(yīng)力均勻施加在待測(cè)缺級(jí)土，還可通過(guò)水囊內(nèi)水量變化獲取待測(cè)缺級(jí)土潛蝕破壞過(guò)程中的體積變化。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述待測(cè)缺級(jí)土由顏色差異較大的染色細(xì)粒土和粗粒土組成。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述側(cè)面集水槽的上部或頂部設(shè)有排氣孔，所述側(cè)面集水槽的側(cè)壁設(shè)有孔壓傳感器。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述缺級(jí)土測(cè)試容器的后側(cè)面上設(shè)有多個(gè)孔壓傳感器。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述多個(gè)孔壓傳感器沿水平方向分布在缺級(jí)土測(cè)試容器的后側(cè)面上。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述孔壓傳感器的數(shù)量不少于4個(gè)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述壓力控制器包括依次連接的空氣壓縮機(jī)、減壓閥、活塞壓力罐和液壓表，所述頂蓋設(shè)有進(jìn)水口，所述空氣壓縮機(jī)通過(guò)減壓閥與活塞壓力罐連接，所述活塞壓力罐通過(guò)液壓表與頂蓋的進(jìn)水口連接。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述缺級(jí)土測(cè)試容器的前側(cè)面包括透明有機(jī)玻璃板和不銹鋼外框，所述有機(jī)玻璃板設(shè)在不銹鋼外框中。透過(guò)所述有機(jī)玻璃板，可利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)和染色識(shí)別技術(shù)對(duì)土體變形和土顆粒流動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。其中，所述土體變形和土顆粒流動(dòng)包括土體變形量和土顆粒流失量。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述側(cè)面多孔板與待測(cè)缺級(jí)土接觸的一側(cè)設(shè)有濾網(wǎng)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述側(cè)面多孔板的孔徑為5~15mm。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述側(cè)面多孔板的孔徑為10mm。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述柔性材料采用液體硅膠制作。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述缺級(jí)土測(cè)試容器放置在墊板上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

采用本發(fā)明的技術(shù)方案，可直接獲取側(cè)限條件下垂直應(yīng)力可控的缺級(jí)土水平滲透過(guò)程中的細(xì)粒土水平流失、水平極限水力梯度和土體可視化變形等結(jié)果；而且，設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的大變形全密閉的水平潛蝕的可視化測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記包括：1-供水裝置；2-缺級(jí)土測(cè)試容器；21-頂蓋；22-側(cè)面多孔板；23-進(jìn)氣口；3-待測(cè)缺級(jí)土；4-側(cè)面集水槽；5-集水腔體；6-進(jìn)水口；7-出水口；8-流量傳感器；9-顆粒收集裝置；10-壓力控制器；11-囊內(nèi)平板；12-水囊；13-排氣孔；14-孔壓傳感器；21-頂蓋；22-側(cè)面多孔板。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的較優(yōu)的實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，一種大變形全密閉的水平潛蝕的可視化測(cè)量裝置，其包括供水裝置1、缺級(jí)土測(cè)試容器2、軸向加載裝置和出流收集裝置，所述缺級(jí)土測(cè)試容器2包括頂蓋21，所述缺級(jí)土測(cè)試容器2的左、右側(cè)面為側(cè)面多孔板22，所述缺級(jí)土測(cè)試容器2的前側(cè)面設(shè)有可以觀察缺級(jí)土測(cè)試容器2內(nèi)部的透明板，對(duì)待測(cè)缺級(jí)土3的細(xì)顆粒進(jìn)行染色，并將待測(cè)缺級(jí)土3放置于所述缺級(jí)土測(cè)試容器2內(nèi)，所述頂蓋21位于待測(cè)缺級(jí)土3的上方，所述側(cè)面多孔板22的內(nèi)部孔隙尺寸為8~12mm；所述缺級(jí)土測(cè)試容器2的左、右側(cè)面的外部連接有側(cè)面集水槽4，所述側(cè)面集水槽4與側(cè)面多孔板22之間形成集水腔體5，左側(cè)的集水腔體5設(shè)有進(jìn)水口6，所述進(jìn)水口6與供水裝置1連接，所述進(jìn)水口6與供水裝置1之間設(shè)有流量傳感器8；右側(cè)的集水腔體5設(shè)有出水口7，所述出流收集裝置包括流量傳感器8和顆粒收集裝置9，所述出水口7通過(guò)流量傳感器8和顆粒收集裝置9連接；所述軸向加載裝置包括壓力控制器10、位于所述頂蓋21與待測(cè)缺級(jí)土3之間的水囊12和囊內(nèi)平板11，所述水囊12采用柔性材料制成，所述水囊12用于裝置的密封和垂直應(yīng)力的施加，所述囊內(nèi)平板11位于柔性材料的內(nèi)部；所述壓力控制器10將液體從頂蓋21中注入水囊12中，從而將壓力垂直通過(guò)囊內(nèi)平板11施加在待測(cè)缺級(jí)土3上。其中，所述供水裝置1為液壓供水裝置。

如圖1所示，所述側(cè)面集水槽4的上部或頂部設(shè)有排氣孔13，所述側(cè)面集水槽4的側(cè)壁設(shè)有孔壓傳感器14。所述缺級(jí)土測(cè)試容器2的后側(cè)面上設(shè)有多個(gè)孔壓傳感器。所述多個(gè)孔壓傳感器沿水平方向分布在缺級(jí)土測(cè)試容器2的后側(cè)面上。所述安裝于缺級(jí)土測(cè)試容器2后側(cè)面上的孔壓傳感器的數(shù)量不少于4個(gè)。

所述壓力控制器10包括依次連接的空氣壓縮機(jī)、減壓閥、活塞壓力罐和液壓表，所述頂蓋21設(shè)有進(jìn)水口，所述活塞壓力罐通過(guò)液壓表與頂蓋21的進(jìn)水口連接。所述缺級(jí)土測(cè)試容器2的前側(cè)面包括透明有機(jī)玻璃板和不銹鋼外框，所述有機(jī)玻璃板設(shè)在不銹鋼外框中。所述側(cè)面多孔板22與待測(cè)缺級(jí)土3接觸的一側(cè)設(shè)有濾網(wǎng)。

所述待測(cè)缺級(jí)土3由染色的細(xì)粒土和粗粒土組成，且細(xì)粒土和粗粒土顏色差異較大，對(duì)不同時(shí)刻所拍攝的土樣照片進(jìn)行處理，得到細(xì)粒土在局部土樣的面積比例變化，由此獲得側(cè)限條件下垂直應(yīng)力可控的缺級(jí)土水平滲透過(guò)程中的細(xì)粒土水平流失信息。

根據(jù)不同時(shí)刻所拍攝的土樣照片，利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)可得到土體變形信息。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。