专利名称：一种渗流侵蚀应力耦合管涌试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种渗流一侵蚀一应力耦合管涌试验装置，特别是一种能够研究原状土体管涌发展过程的渗流一侵蚀一应力耦合机理的试验装置。
背景技术：
据统计，20世纪90年代，我国平均每年洪灾经济损失1343. 1亿元，1998年更是多达2550. 9亿元，洪水导致众多提坝发生大面积渗透破坏，其中管涌是一种十分重要的渗透破坏形式。因此，开展提坝管涌机理及其发展过程预报的相关研究，避免或有效控制管涌破坏，是岩土工程和水利水电工程领域亟待解决的应用基础性研究课题，对保障沿岸居民生命财产安全和城市经济的可持续发展具有十分重要的意义。前期研究表明，管涌是涉及孔隙水渗流、可动细颗粒侵蚀运移、多孔介质变形等众多复杂力学行为的多相多场耦合现象孔隙水渗流冲刷侵蚀土骨架产生可动细颗粒，可动细颗粒跟随孔隙水渗流运移流失，土颗粒重新排列、沉积，导致土体细观结构和力学特性发生改变，如孔隙率、渗透性、刚度及抗剪强度的不均勻变化等。土体渗透性的不均勻变化导致孔隙水介质的孔隙水压力发生变化。进而使得土骨架承受的有效应力随之变化，导致土体内部应力状态的变化，应力状态地改变反过来再次影响孔隙水介质的孔隙水压力分布， 及其对土骨架地侵蚀作用，即管涌的发展过程就是渗流一侵蚀一应力耦合作用的过程。但是现有的管涌试验装置忽视了管涌发展过程中的这种渗流一侵蚀一应力耦合效应，有的装置不考虑细颗粒流失引起的土体几何(孔隙率)、水力(渗透性)、力学特性(抗剪强度等)的变化，有的装置则无法考虑土体所处的应力状态对管涌的影响。因此，研究成果无法全面客观地揭示管涌的渗流侵蚀应力耦合机理，严重影响了提坝管涌险情的准确预报。
发明内容
本发明针对上述所述的不足提供了一种渗流侵蚀应力耦合管涌试验装置。本发明如下技术方案
本发明提供了一种渗流侵蚀应力耦合管涌试验装置，包括底座，多孔钢板，压力室，试样，热缩管，盖帽，卵石滤层，顶盖，轴向加压杆，轴向加压器，出水管，光电传感器，电阻应变片，量杯；所述的底座内布置漏槽，底座上部布置压力室，压力室的上部布置顶盖；出水管的一端与底座底部出口连接、另一端延伸入量杯；试样布置在压力室内置于底座上，试样与底座之间布置多孔钢板，试样的外侧紧密包裹热缩管、顶部布置盖帽，盖帽内填充卵石滤层；轴向加压杆的一端穿过顶盖与盖帽接触、另一端与轴向加压器连接；光电传感器布置在出水管的管身上；电阻应变片布置在热缩管上。本发明所述的渗流侵蚀应力耦合管涌试验装置，所述的多孔钢板的通孔孔径为 0. 075mm-5mmo本发明所述的渗流侵蚀应力耦合管涌试验装置，还包括渗透加压器，围压加压器，位移传感器，应变数据采集器，孔隙水压力传感器；所述的渗透加压器通过管路与盖帽连接，围压加压器通过管路与底座底部连接，且与压力室连通，位移传感器布置在轴向加压杆的顶端，应变数据采集器与电阻应变片连接，孔隙水压力传感器通过管路与底座上方的多孔钢板连接。有益效果
渗流一侵蚀一应力耦合管涌试验装置能够考虑孔隙水渗流一细颗粒侵蚀运移一土体变形等多相多场耦合效应对土体管涌发展过程的影响，能够跟踪监测处于三向受压状态的土体，在渗流作用下，其中可动细颗粒含量、孔隙率、渗透性、沉降量、刚度、抗剪强度指标的动态变化过程。本发明从渗流一侵蚀一应力耦合角度研究复杂应力状态下土体的管涌发展过程，为全面认识土体管涌发展机理提供了新的角度，同时将为提坝管涌险情的预测预报和有效治理提供重要的理论依据和技术支持。
图1是本发明的结构示意图
图中1是底座，11是多孔钢板，2是压力室，3是试样，4是热缩管，5是盖帽，6是卵石滤层，7是顶盖，8是轴向加压杆，9是轴向加压器，10是出水管，12是光电传感器，13是电阻应变片，14是量杯。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步详细说明
如图1所示一种渗流侵蚀应力耦合管涌试验装置，包括底座1，多孔钢板11，压力室 2，试样3，热缩管4，盖帽5，卵石滤层6，顶盖7，轴向加压杆8，轴向加压器9，出水管10，光电传感器12，电阻应变片13，量杯14。底座1内布置漏槽，底座1上部布置压力室2，压力室2的上部布置顶盖7 ；出水管 10的一端与底座1底部出口连接、另一端延伸入量杯14 ；试样3布置在压力室2内置于底座1上，试样3与底座1之间布置多孔钢板11，试样3的外侧紧密包裹热缩管4、顶部布置盖帽5，盖帽5内填充卵石滤层6 ；轴向加压杆8的一端穿过顶盖7与盖帽5接触、另一端与轴向加压器9连接；光电传感器12布置在出水管10的管身上；电阻应变片13布置在热缩管4上。多孔钢板11的通孔孔径为0. 075mm-5mm。一般采用0. 075mm直径、2mm直径、5 mm
直径的通孔进行实验。渗透加压器通过管路与盖帽5连接，围压加压器通过管路与底座(1)底部连接，且与压力室(2)连通，位移传感器布置在轴向加压杆8的顶端，应变数据采集器与电阻应变片 13连接，孔隙水压力传感器通过管路与底座1上方的多孔钢板11连接。渗流侵蚀应力耦合管涌试验装置的测试方法，步骤如下
(1)制备、安装试样。首先，根据干密度及含水量要求，利用特制对开模制备试样，试样外表面采用热缩管紧密包裹。其次，在底座上放置好孔径2mm的多孔钢板(多孔钢板主要用于分离粗细料，本试验假设可动细颗粒的粒径小于2mm，即试验中，仅粒径小于2mm的细颗粒可以流出试样)，将试样固定在仪器底座上，拧紧螺丝。最后，在试样顶部盖上盖帽，注意要始终保持试样处于竖直状态，以保证后期承受轴向压力时不致产生偏心受压，影响试验成果。(2)粘贴电阻应变片。为了监测试样的环向应变，进而确定管涌发展过程中的试样的体积应变，在靠近试样中间位置的同一圆周上，将4个电阻应变片均勻粘贴在热缩管上，各应变片角度相差90度。试验过程中，收集4个电阻应变片的应变值，取代数平均值作为试样的环向应变值。(3)施加周围压力。首先，围压室充水。安装压力室，注意密封性。打开压力室顶部的放气阀，开始给压力室缓慢加水，待水全部充满压力室并从放气阀溢出时，拧紧放气阀，关闭进水阀。其次，安装轴向加压杆，调节杠杆平衡。安装轴向加压杆，保证轴向加压杆正好置于盖帽顶部的凹槽内，拧紧螺母，保证紧密接触，将位移传感器放置于螺母上部，保持紧密接触，调节平衡锤，使得杠杆处于平衡位置。最后，打开围压控制阀开始施加周围压力，同时打开排水阀，试样开始固结过程，水流通过出水管，进入量杯。(4)施加轴向压力。根据试样的排水固结过程，启动轴向加压器，施加轴向压力。 添加砝码，杠杆由平衡变为不平衡，旋转平衡调节装置，直到杠杆由不平衡重新变为平衡。 加载过程中，采用分级施加，通过位移传感器密切监测试样在固结过程中的沉降量，施加一级压力后，当试样沉降量不再变化时，开始施加下一级压力，直至加载到要求的轴向荷载。 待试样沉降稳定后，保持围压及轴向压力不变，用以模拟实际工程中原状土体所处的三向受压状态。(5)施加渗透压力。打开渗透压力控制阀，启动渗透加压器，开始分级施加渗透压力，渗透水流通过进水管进入试样，并通过出水管，进入量杯。在此过程中，密切监测如下数据(a)试样流量 渗透坡降关系；(b)光电传感器监测的浊度 渗透坡降关系，用以评判可动细颗粒开始启动运移时的临界渗透坡降；(c)细颗粒流失量 时间关系；(d)试样沉降 时间关系，试样环向应变 时间关系，试样沉降 渗透坡降关系，试样环向应变 渗透坡降关系。待试样发生破坏时，停止实验。整理实验成果，建立揭示管涌发展过程特点的渗流一侵蚀一应力耦合本构方程， 进而构建预报土体管涌发生发展过程的耦合管涌数学模型，为提前预报和治理实际工程中的管涌险情提供有效的技术支持。
权利要求
1.一种渗流侵蚀应力耦合管涌试验装置，其特征在于包括底座(1)，多孔钢板(11)， 压力室(2)，试样(3)，热缩管(4)，盖帽(5)，卵石滤层(6)，顶盖(7)，轴向加压杆(8)，轴向加压器(9)，出水管(10)，光电传感器(12)，电阻应变片(13)，量杯(14)；所述的底座(1)内布置漏槽，底座(1)上部布置压力室(2)，压力室(2)的上部布置顶盖(7)；出水管(10)的一端与底座(1)底部出口连接、另一端延伸入量杯(14);试样(3)布置在压力室(2)内置于底座(1)上，试样(3)与底座(1)之间布置多孔钢板(11)，试样(3)的外侧紧密包裹热缩管 (4)、顶部布置盖帽(5)，盖帽(5)内填充卵石滤层(6)；轴向加压杆(8)的一端穿过顶盖(7) 与盖帽(5)接触、另一端与轴向加压器(9)连接；光电传感器(12)布置在出水管(10)的管身上；电阻应变片(13)布置在热缩管(4)上。
2.根据权利要求1所述的渗流侵蚀应力耦合管涌试验装置，其特征在于所述的多孔钢板(11)的通孔孔径为0. 075mm-5mm。
3.根据权利要求1所述的渗流侵蚀应力耦合管涌试验装置，其特征在于还包括渗透加压器，围压加压器，位移传感器，应变数据采集器，孔隙水压力传感器；所述的渗透加压器通过管路与盖帽(5)连接，围压加压器通过管路与底座(1)底部连接，且与压力室(2)连通， 位移传感器布置在轴向加压杆(8)的顶端，应变数据采集器与电阻应变片(13)连接，孔隙水压力传感器通过管路与底座(1)上方的多孔钢板(11)连接。
全文摘要
本发明涉及一种渗流侵蚀应力耦合管涌试验装置，所述的底座内布置漏槽，底座上部布置压力室，压力室的上部布置顶盖；出水管的一端与底座底部出口连接、另一端延伸入量杯；试样布置在压力室内置于底座上，试样与底座之间布置多孔钢板，试样的外侧紧密包裹热缩管、顶部布置盖帽，盖帽内填充卵石滤层；轴向加压杆的一端穿过顶盖与盖帽接触、另一端与轴向加压器连接；光电传感器布置在出水管的管身上；电阻应变片布置在热缩管上。本发明从渗流侵蚀应力耦合角度研究复杂应力状态下土体的管涌发展过程，为全面认识土体管涌发展机理提供了新的角度，同时将为堤坝管涌险情的预测预报和有效治理提供重要的理论依据和技术支持。
文档编号G01N33/24GK102411042SQ20111024212
公开日2012年4月11日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者何淑媛, 盛金昌, 罗玉龙, 詹美礼, 速宝玉 申请人:河海大学