基于电磁驱动及电渗固结理论的加快水分迁移方法及装置与流程

本发明属于土工室内试验技术领域，具体涉及一种基于电磁驱动及电渗固结理论的加快水分在岩土体中迁移的方法及装置。

背景技术：

目前，室内模拟水分在岩土体中的迁移对岩土体的性质的影响是一项非常重要的研究，以动态库水条件下的滑坡研究为例：滑坡模型试验是对滑坡演化过程进行研究的有效手段之一。目前对模型的研究主要集中在滑坡位移场、应力场等有关滑坡运动规律、内部变形规律及其危害。在水库运行条件下对滑坡变形破坏机制的研究较少，主要研究在静态水位下的变形规律或者通过数值模拟的方法研究动态库水位作用下的变形机制和变形趋势。虽然有学者提到了库水位升降对边坡破坏，但通过模拟实验得到的土体中的水位自由面和库水位面形态与实际不符。这说明目前模型试验对于渗流场的模拟远远达不到研究要求，不利于滑坡的研究。通过研究发现是因为：1.在滑坡模型制作过程中难以控制渗透系数以及存在制作工艺缺陷；2.根据相似理论得到的模型渗透系数一般为Km＝10^-6～10^-7m/s(实际中，土质滑坡土体多由粗粒土组成，其渗透系数一般在10^-4～10^-5m/s数量级)，在土力学中渗透系数k<10^-8m/s的土被认为是不透水层，故模型材料可认为是低渗透材料。模型渗透性差导致水分迁移速率慢，拉长工作周期，导致模型试验很难模拟库水位升降过程对滑坡影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于电磁驱动及电渗固结理论的加快水分迁移方法及装置，该方法和装置能模拟库水升降对滑坡的影响，加快库水对排出与渗透，提高试验效率。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于电磁驱动及电渗固结理论的加快水分迁移装置，包括模型箱、滑坡模型、库水、电场产生装置、磁场产生装置；所述滑坡模型和库水置于模型箱内，且库水位于滑坡模型的滑坡与模型箱箱壁之间；在库水下方，模型箱底部设有带阀门的排水口；所述电场产生装置包括可调直流电源，以及置于滑坡模型中的阴极单元和阳极单元，可调直流电源分别通过电源夹与阴极单元、阳极单元连接；磁场产生装置使模型箱内产生电场和磁场；通过改变可调直流电源的大小、正负极，实现模型箱内电场、磁场的改变，进而改变库水中阴阳离子的运动，加快库水的渗透和排出。

按上述方案，所述磁场产生装置包括安设在模型箱顶部的上磁铁和安设在模型箱底部的下磁铁；所述上磁铁铺满整个模型箱顶部，所述下磁铁铺满整个模型箱底部；以提供均匀稳定的磁场。

按上述方案，所述阳极单元包括平行设置的多根阳极导电丝，阳极导电丝的一端相连接，阳极导电丝的另一端均通过电源夹与可调直流电源连接；所述阴极单元包括平行设置的多根阴极导电丝，阴极导电丝的一端相连接，阴极导电丝的另一端均通过电源夹与可调直流电源连接；相邻阳极导电丝之间的间距为0.7-1.2cm；相邻阴极导电丝之间的间距为0.7-1.2cm；所述阴极单元置于滑坡模型的后缘，所述阳极单元置于滑坡模型的滑坡前部。该结构能使提供均匀稳定的电场，从而使磁场也均匀、稳定。

按上述方案，所述库水为摩尔浓度为1mol/L的NaCl溶液。

本发明还提供一种基于电磁驱动及电渗固结理论的加快水分迁移方法，包括如下步骤：

步骤一、制作滑坡模型，在滑坡模型的后缘安设阴极单元，在滑坡模型的滑坡前端安设阳极单元，在滑坡模型内安设检测仪器；将上述滑坡模型置于模型箱中，将阳极单元和阴极单元通过电源夹与可调直流电源连接；在模型箱顶部设上磁铁，在模型箱底部设下磁铁；通过模型箱底部的排水孔将库水排入模型箱中，当库水水位达到预定高度使，关闭阀门；

步骤二、接通可调直流电源，设置电压，库水在电场、电磁场作用下发生迁移，使库水向滑坡模型渗透，通过改变电压控制库水向滑坡模型的渗透速率；改变可调直流电源的正负极，库水在电场、电磁场作用下发生迁移，使库水排出模型箱，通过改变电压控制库水排出模型箱的速率。

本发明的有益效果在于：

本发明在不改变模型材料的渗透系数等参数的情况下，通过调节电压、磁场强度的大小来改变库水的渗透系数，克服模型模拟库水变动对滑坡影响的试验过程中模型渗透系数小，库水很难渗透的缺陷，改变库水的渗透率及渗透时间，以准确模拟库水升降对滑坡的影响；

本发明能有效加快库水的入渗及排除，提高滑坡模型试验效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明基于电磁驱动及电渗固结理论的加快水分迁移装置的结构示意图；

图2是阴极单元、阳极单元的安设示意图；

图3是阴极单元、阳极单元的俯视示意图；

其中：1、模型箱，2、滑坡模型，2-1、滑坡，3、库水，4、阴极单元，4-1、阴极导电丝，5、阳极单元，5-1、阳极导电丝，6、上磁铁，7、下磁铁。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所用的理论主要为电磁驱动理论和电渗固结理论。其中电磁驱动原理为液体中阴阳离子对导电和产生洛伦兹力起主要作用。如图1，在滑坡模型的x方向施加一个均匀电场，在y方向施加一个均匀磁场。带电离子在电场的作用下将会沿着x方向定向运动，定向运动的离子在磁场作用下将会产生沿z方向的洛伦兹力。当该力大于流体粘滞力时，就会使液体发生流动。根据电渗固结理论，土体在电场下会发生电泳和电渗现象，即带负电荷的土颗粒向阳极移动，水分子向阴极移动。电渗原理常用于地基处理，加速软粘土的固结，效果非常好，电渗固结理论也较为完善。由于现有滑坡模型的土颗粒结构较稳定性，只有极少部分的土颗粒产生运动，所以可移动的阴离子数量远远小于阳离子数量，即n+z+e＞＞n-z-e，相对过剩的阳离子在外加电场作用下向阴极移动。结合电渗固结理论及电磁驱动理论，导出渗透时间T与电压Ve，磁场强度B的关系式：其中α、β是与土体初始含水率、饱和含水率等性质有关的参数；具体为：

式中，κ为经验参数，取值范围0.5～1.3；w_r为土体饱和含水率，w₀为初始含水率，L为滑坡模型长度，g为重力加速度，ρ_w为水的密度，γ为土体的重度。

参见图1-图3，一种基于电磁驱动及电渗固结理论的加快水分迁移装置，包括模型箱1、滑坡模型2、库水3、电场产生装置、磁场产生装置.滑坡模型2和库水3置于模型箱1内，且库水3位于滑坡模型2的滑坡2-1与模型箱1箱壁之间；在库水3下方，模型箱1底部设有带阀门的排水口。电场产生装置包括可调直流电源，以及置于滑坡模型2中的阴极单元4和阳极单元5，可调直流电源分别通过电源夹与阴极单元4、阳极单元5连接，以产生电场和磁场。阳极单元5-1包括平行设置在滑坡模型2的滑坡2-1前部的多根阳极导电丝5-1，相邻阳极导电,5-1之间的间距为0.7-1.2cm，阳极导电丝5-1的一端相连接，阳极导电丝5-1的另一端均通过电源夹与可调直流电源连接；阴极单元4包括平行设置在滑坡模型2后缘的多根阴极导电丝4-1，阴极导电丝4-1的一端相连接，阴极导电丝4-1的另一端均通过电源夹与可调直流电源连接，相邻阴极导电丝4-1之间的间距为0.7-1.2cm。电场产生装置能提供均匀稳定的电场，从而提供均匀、稳定的磁场。磁场产生装置包括安设在模型箱1顶部的上磁铁6和安设在模型箱1底部的下磁铁7；上磁铁6铺满整个模型箱1顶部，下磁铁7铺满整个模型箱1底部；磁场产生装置能提供均匀稳定的磁场和电场。通过改变可调直流电源的大小、正负极，实现模型箱内电场、磁场的改变，进而改变库水中阴阳离子的运动，加快库水的渗透和排出。

本实施例中，库水3为摩尔浓度为1mol/L的NaCl溶液。

本发明还提供一种基于电磁驱动及电渗固结理论的加快水分迁移方法，包括如下步骤：

步骤一、制作滑坡模型，在滑坡模型的后缘安设阴极单元，在滑坡模型的滑坡前端安设阳极单元，在滑坡模型内安设检测仪器；将上述滑坡模型置于模型箱中，将阳极单元和阴极单元通过电源夹与可调直流电源连接；在模型箱顶部设上磁铁，在模型箱底部设下磁铁；通过模型箱底部的排水孔将库水排入模型箱中，当库水水位达到预定高度使，关闭阀门；

步骤二、接通可调直流电源，设置电压，库水在电场、电磁场作用下发生迁移，使库水向滑坡模型渗透，通过改变电压控制库水向滑坡模型的渗透速率；改变可调直流电源的正负极，库水在电场、电磁场作用下发生迁移，使库水排出模型箱，通过改变电压控制库水排出模型箱的速率。

步骤一的步骤为：

1)、配置含水率为w0(w0根据研究对象的实际情况确定)的粘土，密封保存，静置24h，使得粘土含水均匀；

2)、按照土工试验规程测试粘土含水量，密度；

3)、称取m1重的粘土，然后再逐层将粘土填入模型箱1中，填土过程中加入数根导电丝(电极)，(注意不要弄断导体)，以及检测仪器，保持粘土表面平整，同时称量来粘土和电极、模型箱1的总质量m2(以保证滑坡土体性质均匀性)，密封保存(以保证初始含水率不变)，静置24小时在自重下固结；

4)、在模型箱顶部和底部设置磁铁，将库水3缓慢放入模型箱中，逐渐上升到设计高度；

5)、将电极通过电源夹与可调直流电源连接。

步骤二的步骤为：

1)、接通可调直流电源，将电压设为V1(根据土体的性质确定α，β，时间以及已知的磁场强度确定电压V1)，库水在电磁场作用下发生迁移，加速库水渗入滑坡模型中；

2)、待库水稳定5小时后，改变可调直流电源正负极，电磁场对水的作用力发生变化，由坡内指向坡外，加速库水的排除，进而达到缩短库水排出时间的效果。

在步骤二中，通过改变可调直流电源的电压大小，从而改变电磁场的大小，进而调节水分迁移速率，改变库水的渗透率。

本发明中，含水率测试根据土工试验规程测定；质量通过相应精度电子秤测定；排水通过设置在模型箱底部的孔排出，并可通过阀门控制排水速率；电场发生装置、磁场发生装置提供稳定的电场，可根据需要来调节电压大小；电场发生装置、磁场发生装置提供稳定的磁场。

本发明中，电场发生装置、电磁发生装置产生相互垂直的电磁场，电磁场方向分别为：平行于XZ平面、垂直于XY平面的磁场，平行于XY平面、垂直于YZ平面的电场。模型箱采用有机玻璃制成。

本发明通过离子液体在电磁场力作用下达到加快水分迁移速率的目的。本发明很好的解决了模型库水位渗透问题。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。