一种开展不同密实度下土体内管涌评估试验装置和试验方法与流程

本发明涉及一种开展不同密实度下土体内管涌评估试验装置和试验方法，属于岩土工程领域。

背景技术

内管涌不同于常规管涌，内管涌的发生发展完全位于地基内部，相比于管涌更具隐蔽性、危害性，其发生不易察觉，同时其发展机理更加复杂、影响因素更多。内管涌是堤坝渗透破坏的主要原因之一，开展对坝体内管涌的研究是岩土工程和水利工程的重要课题，对于保护人民生命财产安全具有重要意义。

目前，国内外学者们针对内管涌开展了大量的理论、试验和数模研究，取得了大量的成果与结论。但当前内管涌试验研究一般基于缩尺模型，辅以相关监测手段，然而获得的往往是模型边界面或内部少量离散点信息，未实现真正意义上的全面观测，更无法准确获取颗粒结构和孔隙分布变化。

技术实现要素：

本发明的目的就在于克服已有技术的不足和缺陷，将透明土技术、激光诱发荧光技术以及pfc技术相结合，提出一种开展不同密实度下土体内管涌评估试验装置和试验方法，通过平面激光诱发荧光技术获取颗粒的二维轮廓，然后基于多层扫描，获取颗粒三维表面形态，结合pfc技术建立透明土样模型，开展数值模拟获取粗颗粒的csd曲线，研究在不同上覆压力下csd曲线与gsd曲线间的关系，判别内管涌是否发生，为岩土工程研究管涌现象提供依据。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种开展不同密实度下土体内管涌评估试验装置，包括透明模型箱，所述透明模型箱内在水平方向设置有透水板，所述透水板上方设置有透明土样，所述透水板与所述透明模型箱之间形成缓冲区，透明模型箱侧面上方和下方分别开设有出水口和进水口，所述透明模型箱设置在所述底座上，所述底座上连有竖直方向的承力架，所述承力架的上端连有液压加载系统，所述液压加载系统连有用于对所述透明土样加载压力的分力装置，所述液压加载系统连有控制台，所述透明模型箱周边设置有ccd相机和激光器，所述ccd相机与计算机相连。

所述激光器通过紧固螺栓固定在激光器放置平台上，所述激光器放置平台下方活动镶嵌有滚珠，激光器支架上方设置有两平行的滑槽，所述滚珠位于所述滑槽内，所述激光器支架上设置有带动所述激光器放置平台滑动的电动传动装置，所述电动传动装置与所述计算机相连。

所述激光器支架上设置有高度调节装置。

一种开展不同密实度下土体内管涌评估试验方法，包括以下步骤：

s01，制备透明土样，并将其填入透明模型箱中，同时调配好模拟孔隙液体具有相同折射率的溶液，提前加入适当的荧光染色剂；

s02，通过供水系统将孔隙液体从进水口经缓冲区透过透水板，直至土样被完全浸没；

s03，打开激光器，并通过高度调节装置调整其高度，使激光能够照射整个透明土样；打开ccd相机并调整其位置，使其能够包含整个透明土样；

s04，将激光器位置调整至入射面与模型箱前壁在同一平面；

s05，液压加载系统开始向透明土样施加上覆压力，直至荷载稳定；

s06，激光器开始照射土样形成激光切面，同时ccd相机开始拍摄，平移激光器，同时每次平移形成新的激光切面，通过ccd相机记录下来，直至激光器扫过整个透明土样；

s07，通过抬高水头水箱的高度，抬升上游水头高度，增大渗流力，重复上一步骤直至发生内管涌现象；

s08，将ccd相机拍摄的图像导入计算机，获取颗粒轮廓，并构建颗粒的三维表面形态，在pfc中生成三维颗粒，建立透明土样模型，从而获取粗颗粒的csd曲线，并结合gsd曲线判别透明土样是否发生内管涌破坏。

s05中，液压加载系统通过分力装置转化为均布荷载施加到透明土样上。

s06中，激光器通过计算机控制激光器放置平台实现精确平移，每次平移距离为0.5mm。

s08中，通过数字图像处理技术实现颗粒轮廓。

s08中，在pfc中生成指定数量的不同粒径大小的圆形颗粒，使其通过重构的透明土样模型，根据可透过的圆形颗粒的粒径分布获取粗颗粒的csd曲线。

s08中，精确获取csd曲线，从而准确获取csd曲线中dc35值，并根据gsd曲线中d85和dc35的大小判断内管涌是否发生，当d85/dc35＜1时，认为土体是管涌破坏，其中dc35代表csd曲线上小于某喉管直径的孔隙含量为35％时所对应的喉管直径，d85代表gsd曲线上小于某粒径的土粒含量为85％时所对应的粒径。

本发明的有益效果：本发明提供的一种开展不同密实度下土体内管涌评估试验装置和试验方法，试验模型简单、操作方便、经济可行性高。本发明创新性地将透明土技术、平面激光诱发荧光技术、数字图像处理技术与pfc模型相融合，可以直接获取土体的三维表面形态，从而获取土体颗粒的孔隙分布曲线，弥补了以往试验只能间接获取土体颗粒孔隙分布曲线的缺点，结合孔隙分布曲线与粒径分布曲线，可以提高判别内管涌是否发生的准确性，具有非常重要的创新意义

附图说明

图1为本发明的一种开展不同密实度下土体内管涌评估试验装置的结构示意图；

图2为本发明的激光器支架俯视图；

图3为本发明的激光器支架前视图。

图中附图标记如下：1-进水口；2-缓冲区；3-透水板；4-出水口；5-ccd相机；6-计算机；7-激光器支架；8-激光器；9-透明土样；10-透明模型箱；11-高度调节装置；12-电动传动装置；13-激光器放置平台；14-滚珠；15-紧固螺栓；16-滑槽；17-底座；18-承力架；19-液压加载系统；20-分力装置；21-管路系统；22-控制台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种开展不同密实度下土体内管涌评估试验装置，包括透明模型箱10，透明模型箱10内在水平方向设置有透水板3，透水板3上方设置有透明土样9，透水板3与透明模型箱10之间形成缓冲区2，透明模型箱10侧面上方和下方分别开设有出水口4和进水口1，透明模型箱10设置在底座17上，底座17上连有竖直方向的承力架18，承力架18的上端连有液压加载系统19，液压加载系统19连有用于对透明土样9加载压力的分力装置20，液压加载系统19连有控制台22，透明模型箱10周边设置有ccd相机5和激光器8，ccd相机5与计算机6相连。

如图2所示，激光器8通过紧固螺栓15固定在激光器放置平台13上，激光器放置平台13下方活动镶嵌有滚珠14，激光器支架7上方设置有两平行的滑槽16，滚珠14位于滑槽16内，激光器支架7上设置有带动激光器放置平台13滑动的电动传动装置12，电动传动装置12与计算机6相连。

如图3所示，激光器支架7上设置有高度调节装置11，具体可选为电动伸缩杆的形式实现，通过旋钮的正反扭动实现激光器支架7高度的调节。

本发明的一种开展不同密实度下土体内管涌评估试验方法，包括以下步骤：

步骤一，制备透明土样，并将其分层填入透明模型箱中并均匀压实，同时调配好模拟孔隙液体具有相同折射率的溶液，提前加入适当的荧光染色剂。透明模型箱的尺寸根据透明土样颗粒尺寸确定。

步骤二，通过供水系统将孔隙液体从进水口经缓冲区透过透水板，缓慢浸入透明土样，直至土样被孔隙液体完全浸没，停止供水，静置一段时间直至孔隙液体充分浸润透明土样9，以防止产生气泡。

步骤三，打开激光器，并通过高度调节装置调整其高度，使激光能够照射整个透明土样。打开ccd相机并调整其位置，使其能够包含整个透明土样；

步骤四，用计算机控制电动传动装置，将激光器位置调整至入射面与模型箱前壁在同一平面，并将激光器支架7上的刻度置零。

步骤五，分力装置水平放在透明土样上，然后安装加载装置并调节，使其刚好接触分力装置，控制台压力显示仪表置零。液压加载系统开始向透明土样施加上覆压力，直至荷载稳定。液压加载系统通过分力装置转化为均布荷载施加到透明土样上，，达到试验设计压力值后停止继续加载，静置一段时间至荷载稳定。

步骤六，激光器开始照射土样形成激光切面，同时ccd相机开始拍摄，通过计算机控制电动传动装置，电动传动装置推动激光器放置平台，激光器放置平台通过滚珠在激光器支架的滑槽上平移，最终推动平移激光器，每次平移距离为0.5mm。同时每次平移形成新的激光切面，通过ccd相机记录下来。重复上述步骤至激光器8完成整个透明土样9的扫描。

步骤七，通过抬高水头水箱的高度，抬升上游水头高度，增大渗流力，重复步骤六直至发生内管涌现象。

步骤八，将ccd相机拍摄的图像导入计算机，利用matlab软件获取每张激光切面的颗粒轮廓图，并拟合多重平面的颗粒轮廓，构建颗粒的三维表面形态。采用pfc技术生成三维颗粒，建立透明土样模型，并通过在pfc中生成指定数量的不同粒径的圆形颗粒，开展数值实验，获取粗颗粒的csd曲线，并结合gsd曲线判别透明土样是否发生内管涌破坏，具体为根据gsd曲线中d85和csd曲线中dc35的大小来进行判断。当d85/dc35＜1时，认为土体是管涌破坏，其中dc35代表csd曲线上小于某喉管直径的孔隙含量为35％时所对应的喉管直径，d85代表gsd曲线上小于某粒径的土粒含量为85％时所对应的粒径。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。