专利名称：一种研究渗透性破坏现象的试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于研究渗透性破坏现象的实验装置。
背景技术：
渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类 一是由于渗流力的作用，使土体颗粒流失 或局部土体产生移动，导致土体变形甚至失稳；二是由于渗流作用，使水压力或浮力发 生变化，导致土体或结构物失稳；前者主要表现为流土和管涌，后者则表现为岸坡滑动 或挡土墙等构筑物整体失稳。
目前研究表明，管涌是渗透水流作用下，细小颗粒在粗颗粒形成的孔隙中逐步移动， 以至流失的过程。伴随着细颗粒的不断流出，管涌发生发展过程中土体内的孔隙水压力、 土压力、土体位移及渗出流量都在发生着变化，因此，通过观测土体试样各部分的颗粒 运动以及各参数的变化情况可以更好地了解管涌的发生与发展过程，但是，现有技术中， 一般采用量测管涌发生时临界水力梯度的方法来研究管涌的发生与发展，而正如前面所 述，管涌破坏一般有个时间发展过程，是一种渐进性质的破坏，即管涌是一个动态的过 程，在管涌的发展过程中，随着细小颗粒的流失，土体将呈现非均质、各向异性等性质， 同时，土体中的流速与孔隙水压力也会重新分布，因此，应用测量临界水力梯度的传统 管涌试验方法，不能全面地探测管涌发展过程中涉及的所有参数的变化。
另外，目前公知的室内管涌实验观测仪器一般为窄形槽，尺寸较�。乙话阌萌庋� 观测记录数据，所以，这种试验设备显然存在以下不足(1)管涌的发生发展过程是 三维的，窄形槽模拟管涌过程与实际情况出入很大；(2)管涌的室内实验受尺寸效应 的影响很大，尺寸越�。叽缧вυ矫飨裕斐傻奈蟛钜苍酱螅�(3)目前大多数的此 类实验仪器不能测量管涌发展过程中不同垂直荷载下的竖向位移，而且实验中能测量得 到的参数种类也较少，很难全面地测量管涌发生发展过程中土体内各部分的水力参数与 结构参数的变化；(4)数据利用人工记录的方法，精度不高。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术的不足，提供一种研究渗透性破坏现象的试验装置，其通 过采用土体容纳箱盛装土体试样，并设置驱动上游贮水箱发生垂直位移的位移驱动控制 装置改变上游贮水箱和进水箱之间的水头差以获取渗透性破坏现象发生的预设水力梯
4度，同时，设置水压力测量装置以及土压力测量装置以分别测量每一个水头差对应的渗 透性破坏现象发展过程中相应位点的孔隙水压力以及土压力，并对土体试样施加不同的 可用荷重测量装置测定的垂直负荷，设置竖向位移测量装置测量不同垂直荷载下的竖向 位移，并对这些数据进行分析后输出水力梯度-时间、孔隙水压力-时间、土压力-时间 以及渗出流量-水力梯度四条表征曲线，从而较为全面地表征整个渗透性破坏现象的发 生发展过程。
为实现上述的技术目的，本实用新型将采用以下的技术方案
一种研究渗透性破坏现象的试验装置，包括上游贮水箱、用于盛放土体试样的土体 容纳箱以及下游贮水箱，所述上游贮水箱的输入端连接驱动其发生垂直位移的位移驱动 控制装置，所述上游贮水箱和土体容纳箱之间连接有进水箱，且该进水箱上设置有用于 测量上游贮水箱和进水箱之间水头差的水头指示管，而土体容纳箱和下游贮水箱之间则 设置用于测量渗出流量的流量计，所述土体容纳箱顶板设置可纵向移动的活动盖板，并 在该活动盖板上联动设置纵向负荷输出装置，且纵向负荷输出装置的输出端设置用于测 量该纵向负荷输出装置所输出竖向负荷的荷重测量装置，而活动盖板上则设置用于测量 土体试样竖向位移的竖向位移测量装置，另外，所述土体容纳箱上装有分别用于测量渗 透性破坏现象发展过程中孔隙水压力的水压力测量装置和用于测量土压力的土压力测 量装置。
所述荷重测量装置、水压力测量装置、竖向位移测量装置以及土压力测量装置分别 为荷重传感器、水压力传感器、竖向位移传感器以及土压力传感器。
所述土体容纳箱的一个侧面板采用透明材质制作而成，且该透明面板的外表面上设 置有用于拍摄土体试样颗粒轨迹的图像采集装置。所述图像采集装置包括高速显微摄像头。
所述水头指示管、水压力传感嚣、土压力传感器、荷重传感器、竖向位移传感器以 及高速显微摄像头的输出端分别与数据采集装置连接，而该数据采集装置的输出端则与 一分析处理水头差、水压力、土压力、纵向负荷、竖向位移以及土体试样颗粒轨迹这些 数据、以输出水力梯度-时间、孔隙水压力-时间、土压力-时间以及渗出流量-水力梯度 四条表征曲线的计算机数据处理装置连接。
所述位移驱动控制装置包括巻扬机以及将巻扬机和上游贮水箱连接的提升机构。 所述纵向负荷输出装置包括千斤顶以及驱动该千斤顶运动的压力传动装置。 还包括水循环装置，该水循环装置包括设置于下游贮水箱内的循环泵，且循环泵的输出端与上游贮水箱连接，且循环泵输出端与上游贮水箱之间的连接管为伸縮式水管， 则该伸縮式水管可以根据上游贮水箱纵向位移的改变而作出相应的变化。 根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果
1. 本实用新型设置土体容纳箱以盛装土体试样，从而一定程度上降低了现有技术 中因采用窄形槽进行试验研究而产生的尺寸效应，另外，本实用新型在土体容纳箱的顶 板设置可发生纵向位移的活动盖板，且该活动盖板与纵向负荷输出装置联动连接，同时 所述活动盖板上设置有竖向位移测量装置，则本实用新型可以提供渗透性破坏现象发展 过程中土体试样受到不同垂直荷载下的竖向位移，再有，本实用新型在土体容纳箱上设 置水压力测量装置和土压力测量装置，且设置有位移驱动控制装置以改变上游贮水箱与 进水箱之间的水头差，从而可以得到预设水力梯度以及每一个水头差下的土体孔隙水压 力和土压力，因此，对上述所采集到的数据进行分析处理后，可以绘制出水力梯度-时 间、孔隙水压力-时间、土压力-时间以及渗出流量-水力梯度四条表征渗透性破坏现象 发展过程的水力或者结构参数变化曲线，与现有技术只能获得渗透性破坏现象发展过程 的临界梯度相比，采用本实用新型进行渗透性破坏现象发展过程的试验研究，可以较为 全面地模拟整个渗透性破坏现象发展过程。
2. 本实用新型采用图像采集装置以拍摄土体试样颗粒轨迹，从而可以得到土体试 样颗粒的运动轨迹，与水力梯度-时间、孔隙水压力-时间、土压力-时间以及渗出流量-水力梯度四种表征曲线相互验证地全面模拟整个渗透性破坏现象发展过程。
3. 本实用新型所用的荷重测量装置、水压力测量装置、竖向位移测量装置以及土 压力测量装置分别为荷重传感器、水压力传感器、竖向位移传感器以及土压力传感器， 并采用数据采集装置自动收集前述装置所分别测定的数据，因此，与现有技术中人工记 录相比，本实用新型不仅较大程度地节约人力成本，而且保证了数据的纪录准确性，从 数据源头上避免了错误的产生，提高了数据获得的精度。
4. 本实用新型采用计算机数据处理软件对所收集到的数据进行分析处理， 一方面 节约人力资源，另一方面避免人工分析处理过程发生的人为错误。
图l是该试验装置的使用流程图； 图2是该试验装置的结构示意图3是本发明运行过程中的水力梯度-时间变化曲线图； 图4是本发明运行过程中的孔隙水压力-时间变化曲线图；图5是本发明运行过程中的土压力-时间变化曲线图； 图6是本发明运行过程中渗出流量-水力梯度的变化曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图详细地说明本实用新型的技术方案。
如图l、图2所示，本实用新型所述的试验装置，包括上游贮水箱13、用于盛放土 体试样的土体容纳箱1以及下游贮水箱11，所述上游贮水箱13的输入端连接驱动其发 生垂直位移的位移驱动控制装置，所述位移驱动控制装置包括巻扬机31以及将巻扬机 31和上游!C水箱13连接的提升机构，该提升机构由多个定滑轮33以及将定滑轮33分 别与巻扬机31、上游贮水箱13连接的钢索；所述上游贮水箱13和土体容纳箱1之间 连接有进水箱2，且该进水箱2上设置有用于测量上游贮水箱13和进水箱2之间水头 差的水头指示管5，而土体容纳箱1和下游贮水箱11之间则设置用于测量渗出流量的 流量计12，该流量计12的量程为10L/min 40L/min，精度不小于0. 1L/min，所述土 体容纳箱1顶板设置可纵向移动的活动盖板8，并在该活动盖板8上联动设置纵向负荷 输出装置，所述纵向负荷输出装置包括千斤顶7以及驱动该千斤顶7运动的压力传动装 置，且纵向负荷输出装置的输出端设置用于测量该纵向负荷输出装置所输出竖向负荷的 荷重测量装置6，而活动盖板8上则设置用于测量土体试样竖向位移的竖向位移测量装 置(图中未画出)，另外，所述土体容纳箱l内壁面上装有分别用于测量渗透性破坏现 象发展过程中孔隙水压力的水压力测量装置和用于测量土压力的土压力测量装置，且该 土体容纳箱1的正面板采用透明材质，如有机玻璃制作而成，用于观察土体试样的运动 情况，并在该正面板外表面设置图像采集装置，时刻拍摄颗粒的分布情况，连续记录管 涌过程中颗粒的流失过程，采集土体颗粒的运动轨迹，实现渗透性破坏现象发展过程的 微观模拟。
所述荷重测量装置6、水压力测量装置、竖向位移测量装置以及土压力测量装置分 别为荷重传感器、水压力传感器、竖向位移传感器以及土压力传感器，本实用新型所用 的水压力传感器量程为30KPa 50KPa，精度不小于0.2KPa， 土压力传感器量程为 50KPa 70KPa，精度不小于0.5KPa，而所述图像采集装置包括高速显微摄像头，该高 速显微摄像头具备以下参数拍摄分辨率不小于500线，1/3英寸CCD镜头，最低照 度不大于0.5LUX，拍摄速度大于100帧/秒，并带有微距功能；且前述荷重传感器、水 压力传感器、竖向位移传感器、土压力传感器以及高速显微摄像头的数据输出端与数据 采集装置10连接，而该数据采集装置10的输出端则与一分析处理水头差、水压力、土压力、纵向负荷、竖向位移以及土体试样颗粒轨迹这些数据、以输出孔隙水压力-水力 梯度、土压力-水力梯度以及渗出流量-水力梯度三条变化曲线的计算机数据处理装置连 接。
另外，本实用新型还包括水循环装置，该水循环装置包括设置于下游贮水箱11内 的循环泵42，且循环泵42的输出端与上游贮水箱13用伸縮式水管5连接，则上游贮 水箱13随着位移驱动控制装置上下移动时，该伸縮式水管5随之作出相应动作，保证 循环泵42可以将下游忙水箱11内的水泵入上游贮水箱13内，实现水流的循环。
使用时，将土体试样装入试样容纳箱1后，顶部盖上活动盖板8，将带有千斤顶7 及荷重传感器的反力架调整到适合加载的位置，并用机架调节螺栓14固定，为防止试 样容纳箱1的侧向变形，用顶紧螺栓15将试样容纳箱1顶紧；然后千斤顶7对土体试 样施加一定的垂向荷载，开动巻扬机31调节上游贮水箱13的高度，通过水头指示管5 观测进水箱2的水头高度，通过流量计12观测渗出流量，当上游贮水箱13水位下降时， 开动循环水泵将下游贮水箱ll内的水抽入上游贮水箱13，实现水的循环使用；传感器 测得的数据通过数据采集装置10输入计算机数据分析处理装置9进行分析处理，输出 孔隙水压力-时间、土压力-时间以及渗出流量-水力梯度三种变化曲线。
另外，下面将对照图3-6，说明应用本实用新型研究一次模拟管涌发生发展过程。
如图3,其为本发明模拟管涌发生发展过程的水力梯度-时间变化曲线图，其每一个 水头差都是在一定时间间隔内，通过控制位移驱动控制装置发生垂直位移，从而使得上 游贮水箱的垂直位移发生改变，改变了进水箱的水头，即改变了进水箱和下游贮水箱之 间的水头差，获得管涌发生发展过程所需的水力梯度，本发明通过逐步提高进水箱的水 头以增大施加给土体试样的水头差。
如图4，其为使用本实用新型模拟管涌发生发展过程的时间-孔隙水压力变化曲线 图，由图可知，水压力传感器测量实验试样不同位置处的水压力，在同一时刻，不同位 置处的水压力有差异，随着加压水头的增加，各位点的水压力传感器数值也在增加。
如图5，其为使用本实用新型模拟管涌发生发展过程的时间-土压力变化曲线图，根 据有效应力原理，当土体所受的总应力不变时，土体的有效应力随着孔隙水压力的增加 而减�。�5中，土压力传感器的计数随着上游水头及孔隙水压力的增加而减小，验证 了有效应力原理。
如图6，其为使用本实用新型模拟管涌发生发展过程的渗出流量-水力梯度的变化 曲线图，由图可知，在水力梯度较小时，流量与水力梯度基本上呈正比例关系，当水力
8梯度达到约0.5时，流量急剧增加，说明此时土体的渗透性急剧变大，也就是说，土体 中的细颗粒此时被大量带出，也就是管涌的发生。
权利要求1.一种研究渗透性破坏现象的试验装置，其特征在于包括上游贮水箱、用于盛放土体试样的土体容纳箱以及下游贮水箱，所述上游贮水箱上连接驱动其发生垂直位移的位移驱动控制装置，所述上游贮水箱和土体容纳箱之间连接有进水箱，且该进水箱上设置有用于测量上游贮水箱和进水箱之间水头差的水头指示管，而土体容纳箱和下游贮水箱之间则设置用于测量渗出流量的流量计，所述土体容纳箱顶板设置可纵向移动的活动盖板，且该活动盖板上安装有用于测量土体试样竖向位移的竖向位移测量装置，另外，所述土体容纳箱内表面装有分别用于测量渗透性破坏现象发展过程中孔隙水压力的水压力测量装置和用于测量土压力的土压力测量装置。
2. 根据权利要求1所述试验装置，其特征在于所述活动盖板上表面与纵向负荷输出 装置的输出端联动连接，且纵向负荷输出装置的输出端与活动盖板之间设置用于测 量该纵向负荷输出装置所输出竖向负荷的荷重测量装置。
3. 根据权利要求2所述试验装置，其特征在于所述荷重测量装置、水压力测量装置、 竖向位移测量装置以及土压力测量装置分别为荷重传感器、水压力传感器、竖向位 移传感器以及土压力传感器。
4. 根据权利要求3所述试验装置，其特征在于所述土体容纳箱的一个侧面板采用透 明材质制作而成，且该透明面板的外表面上设置有用于拍摄土体试样颗粒轨迹的图 像采集装置。
5. 根据权利要求4所述试验装置，其特征在于所述图像采集装置包括高速显微摄像 头。
6. 根据权利要求5所述试验装置，其特征在于所述水头指示管、水压力传感嚣、土 压力传感器、荷重传感器、竖向位移传感器以及高速显微摄像头的输出端分别与数 据采集装置连接，而该数据采集装置的输出端则与一分析处理水头差、水压力、土 压力、纵向负荷、竖向位移以及土体试样颗粒轨迹这些数据、以输出水力梯度-时间、 孔隙水压力-时间、土压力-时间以及渗出流量-水力梯度四条表征曲线的计算机数据 处理装置连接。
7. 根据权利要求6所述试验装置，其特征在于所述位移驱动控制装置包括巻扬机以 及将巻扬机和上游贮水箱连接的提升机构。
8. 根据权利要求7所述试验装置，其特征在于所述纵向负荷输出装置包括千斤顶以 及驱动该千斤顶运动的压力传动装置。
9. 根据权利要求8所述试验装置，其特征在于还包括水循环装置，该水循环装置包括设置于下游贮水箱内的循环泵，且循环泵的输出端与上游贮水箱连接。
10.根据权利要求9所述试验装置，其特征在于所述循环泵输出端与上游贮水箱之间 的连接管为伸縮式水管。
专利摘要本实用新型涉及一种研究渗透性破坏现象的试验装置，通过设置纵向位移驱动控制装置调节上游贮水箱垂直位移以获得施加给土体试样发生渗透性破坏现象的水力梯度，在盛装土体试样的土体容纳箱内表面上设置水压力测量装置、土压力测量装置以分别测定土体的孔隙水压力以及土压力，并在土体容纳箱顶部设置的可纵向移动的活动盖板上安装竖向位移测量装置以测量土体竖向位移，同时在土体容纳箱水流渗出下游安装流量计以测定渗出流量，因此，运用本实用新型研究，可获得水力梯度-时间、孔隙水压力-时间、土压力-时间以及渗出流量-水力梯度四种表征曲线，较为全面地模拟土体渗透性破坏现象的发生发展过程，有利于水利工程的进一步发展。
文档编号G01N33/24GK201378166SQ20092004200
公开日2010年1月6日 申请日期2009年4月2日 优先权日2009年4月2日
发明者越 梁, 亮 陈, 陈建生 申请人:河海大学
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