一种测定原位压力下多层土样渗流侵蚀特性的室内试验装置的制作方法

本发明属于建筑工程技术领域，具体涉及一种测定原位压力下多层土样渗流侵蚀特性的室内试验装置。

背景技术：

随着城市化的进一步发展，城市地面沉降越来越引起了人们的关注，全球许多国家许多地区均发生了此类问题，如德国、香港、西班牙、印尼等，每年由地面沉降造成的经济损失严重。在中国累积沉降超过200mm的区域有7.9×104km²，而且仍有扩大的趋势。导致地面沉降的一个重要因素就是地层在渗流过程中细颗粒在土孔隙中的迁移、流动，也就是地层发生的渗流侵蚀现象。

土中水的渗流对土的工程性质有很大影响，土的强度、变形和稳定都与土中水的渗流有关。水在土中渗流会对土颗粒施加渗透力，引起土体内部应力状态、结构、强度发生改变。当渗透力过大时，土颗粒间会发生相对运动甚至土体的整体移动，颗粒的流失基本上可分为两个过程，首先是大小颗粒分离，接着是小颗粒的迁移。土样内部基本上可分为两种颗粒，一种是位置上基本上不变的骨架颗粒，它可支撑荷载传递应力；另一种便是存在于骨架空隙中的可动颗粒，其位置随时在变，且不能传递应力，由于土体内部的结构复杂，随机性大，孔隙的尺寸随时间、位置而变，颗粒的移动特性与骨架颗粒、可动颗粒以及水之间的相互作用行为是密切相关的，流过孔隙的渗透水流总会有使孔隙内的可动颗粒沿流动方向迁移的趋势，如果可动颗粒粒径比受到的限制尺寸要小，它们就会从一个孔隙流入临近的另一个孔隙，直到被排出土体，这就产生了颗粒渗流侵蚀现象。

而地层发生渗流侵蚀现象不仅与地层土体的自身基本参数和水头高度有关，也与地层的原位压力有关。目前，已有研究采用现场试验和室内模型试验模拟研究渗透力对渗流侵蚀作用的影响，但已有的装置未能考虑到原位压力对土体渗流侵蚀作用的影响，尤其对于揭示渗透过程细颗粒运移量侵蚀机理的实验装置与量测方法的研究还很欠缺。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种测定原位压力下多层土样渗流侵蚀特性的室内试验装置。

本发明采取以下技术方案：

一种测定原位压力下多层土样渗流侵蚀特性的室内试验装置，包括实验箱体、细小颗粒运移量计量系统、伺服液压加载系统、定水头水压系统计算机集成控制系统；

其中，所述的实验箱体用于装入土样并进行土样渗流侵蚀实验，所述的实验箱体包括实验箱体壁、箱体上盖和箱底底座；所述的实验箱体壁是透明的，所述的箱体上盖和箱体底座都有互相对应的孔洞用于反力柱的穿入，箱体的上盖和底座之间用四根反力柱相互连接，反力柱的两端有螺纹，用螺母将反力柱分别与箱体上盖和底座固定；

所述的实验箱体从上往下按照其用途分为四个部分，实验箱体的第一部分安装有液压千斤顶的传力轴和竖向位移传感器，所述的传力轴上设置有定位平台，所述的竖向位移传感器安装在箱体上盖上，从而传感器能够实时监测并记录传力轴的竖向位移，进而能够实现实时监测并记录土样的沉降量；实验箱体的第二部分是由两片钢板组成的钢性腔室，两片钢板通过钢性轴焊接连接，下钢片上设有孔洞，用于水流和土壤的细小颗粒通过，腔体内部装有双峰型非均匀粗颗粒材料，该钢性腔室可随着土样的沉降而下滑；实验箱体的第三部分用于盛装实验土样，且不同土样间用透水薄膜隔离，该透水薄膜只能通过水流而不能通过任何大小的土壤细小颗粒；实验箱体的第四部分是由固定的带孔钢板和箱体底座构成的腔体，腔体内装有双峰型非均匀粗颗粒材料；实验箱体的第二和第三部分的箱壁上均开设有出水口，实验箱体的第四部分箱壁上设有入水口；

所述的细小颗粒运移量计量系统与所述的实验箱体体壁上设置的出水口连接，用于测定土样在渗流侵蚀作用下被水流冲出的细小颗粒的质量；

所述的伺服液压加载系统包括千斤顶，所述的千斤顶与所述的实验箱体的箱体上盖相连，用于提供法向荷载模拟土样的原位压力；

所述的定水头水压系统与所述的实验箱体的入水口通过水流导入管连接，定水头水压系统能够提供定水头压力，能够提供实验所需水头高度的水压，从而实现对实验土样进行渗流侵蚀作用；

所述的计算机集成控制系统用于控制各系统，并收集、计算、储存实验参数。

在本发明的装置中，进一步地，所述的细小颗粒运移量计量系统包括依次连接的水流导出管、精密筛网、水流流量传感器、精密天平、滤网、u型水流排出管和排出水收集瓶，所述的水流导出管与u型水流排出管的最高点齐平；所述的精密筛网安装在水流导出管的入水端内，用于防止大粒径的颗粒流出，可用于定量控制渗蚀颗粒的大小，具体可根据试验需要进行选择；所述的滤网安装在u型水流排出管的入水端内。从实验箱体排出的土样细小颗粒流过水流导出管最终会沉淀到精密天平的称重面，滤网的作用就是防止细小颗粒的流出，从而保证实验结果的精确。

进一步地，所述的计算机集成控制系统分为控制单元和计算与储存单元；其中控制单元用于控制实验装置各个系统的操作，包括伺服液压加载系统的压力调节、定水头水压系统的水头高度调节；计算与储存单元用于实时的收集、计算并储存实验期间监测的各个参数，其参数包括水流流量传感器测定的水流流量、竖向位移传感器测定的土样沉降量、精密天平测定的包括土壤细颗粒在内的水的重量。计算机能够结合水头高度，水流流量和土样的横截面最终得出需要的土样的渗透系数变化量，并可以根据土壤细颗粒运移量、土样的渗透系数变化量和土样的沉降量，最终能够实现科学的探究和分析土样的渗流侵蚀特性。

进一步地，所述的伺服液压加载系统与液压千斤顶之间采用液压管连接，液压千斤顶的油缸用螺栓固定于箱体上盖，液压千斤顶的油压由伺服电机提供，能够使液压千斤顶提供实验需要的恒定的竖向压力。

进一步地，所述的水流导入管上设置有水流流量传感器，水流流量传感器连接在定水头水压系统和实验箱体的水流导入管中间，用于实时测量并记录流过导管的水流流量。

进一步地，所述的实验箱体的第三部分的实验箱体壁上出水口的设置方式具体为：除了与第二部分相连的土样外，装有其它层土样的试验箱体壁上部也设有出水口，包含每层土样的细小颗粒的水流会从出水口流出，该装置可满足多层不同厚度的土样的实验需求。

进一步地，所述的实验箱体壁上还设置有预留出水口，用于试验完成后排出装置内残余的水。

本发明的有益效果在于：

本发明的装置可以在室内的条件下，用现场采取的土样作为实验对象，对多层土样提供竖向压力和定水头水压水流渗透侵蚀的条件，从而模拟土层在实际的工程现场的渗流侵蚀状态，并能够实时观测并记录多层土样在渗流侵蚀过程中的土壤细颗粒运移量、土样的渗透系数变化量和土样的沉降量，最终能够实现科学的探究和分析土样的渗流侵蚀特性。

附图说明

图1是本发明装置的一种整体结构外观图(正面图)；

图2是本发明装置的一种整体结构示意图(正视图)；

图3是本发明装置的a部分示意图(正视图)；

图4是本发明装置的a部分示意图(俯视图)；

图5是本发明装置的b部分示意图(正视图)；

其中，a.实验箱体、b.细小颗粒运移量计量系统、1.计算机集成控制系统、2.伺服液压加载系统、3.定水头水压系统、4.液压管、5.液压千斤顶、6.水流导入管、7.水流流量传感器、8.箱体底座、9.固定螺栓、10.竖向位移传感器、11.箱体上盖、12.钢性腔室、13.实验箱体壁、14.带孔钢板、15.入水口、16.千斤顶传力轴、17.定位平台、18.出水口、19.双峰型非均匀粗颗粒材料、20.反力柱、21.土样(a)、22.土样(b)、23.土样(c)、23.精密天平、24.透水薄膜、25.预留出水口、26.精密筛网、27.水流导出管、28.精密天平、29.滤网、30.u型水流排出管、31.排出水收集瓶。

具体实施方式

本发明的一种测定原位压力下多层土样渗流侵蚀特性的室内试验装置，包括实验箱体a、伺服液压加载系统2、定水头水压系统3、竖向位移传感器10、水流流量传感器7、细小颗粒运移量计量系统b、计算机集成控制系统1。

参照图1-3，伺服液压加载系统2与液压千斤顶5之间用液压管4连接；定水头水压系统3与入水口15之间连接有水流导入管6和水流流量传感器7。

参照图3及图4，实验箱体a包括箱体上盖11、实验箱体壁13、箱体底座8、反力柱20，箱体上盖11与液压千斤顶5用四根螺栓9固定，箱体上盖11和箱体底座8各有四个对应的孔，四根反力柱20插入孔中后，端头用螺丝进行固定。实验箱体a内部空间从上往下按照功能不同共分为四个部分，第一部分主要是放置传力轴16，传力轴16上装有定位平台17，竖向位移传感器10安装在箱体上盖，竖向位移传感器10的定位针放置在定位平台17上面；第二部分是由两片钢板组成的钢性腔室12，两片钢板通过钢性轴焊接连接，腔室的下部钢板为带孔钢板，腔室内填充有双峰型非均匀粗颗粒材料19，该钢性腔室可随着土样的沉降而下滑；第三部分主要是盛放实验土样，土样(a)21与土样(b)22、土样(b)22与土样(c)23之间均采用透水薄膜24隔离；第四部分的上方固定了带有孔洞的钢板14，下方同样填充满了双峰型非均匀粗颗粒19；实验箱体壁13上设置有预留出水口25，预留出水口25可打开作为出水口，用于清理实验装置，实验箱体a的第二部分和第三部分的试验箱体壁上开设有出水口18。实验箱体a的第四部分箱壁上设有入水口15。

第三部分的实验箱体壁上出水口的设置方式具体为：除了与第二部分相连的土样外，装有其它层土样的试验箱体壁上部也设有出水口，包含每层土样的细小颗粒的水流会从出水口流出，该装置可满足多层不同厚度的土样的实验需求。

参照图2及图5，细小颗粒运移量计量系统b由水流导出管27、精密筛网26、水流流量传感器7、精密天平28、u型水流排出管30、滤网29、排出水收集瓶31顺次连接，精密筛网26安装在水流导出管27的入水端，滤网29安装u型水流排出管30的入水端；在安装时保证水流导出管27与u型水流排出管30的最高点齐平。

参照图1-5，计算机集成控制系统1分为控制单元和计算与储存单元；其中控制单元用于控制实验装置各个系统的操作，包括伺服液压加载系统2的压力调节、定水头水压系统3的水头高度调节；计算与储存单元用于实时的收集、计算并储存实验期间监测的各个参数，其参数包括水流流量传感器7测定的水流流量、竖向位移传感器10测定的土样沉降量、精密天平28测定的包括土壤细小颗粒在内的水的重量。

计算各个出水口处的水流流量的总和，并与入水口处的水流流量进行比较，若两者相差不大，则认为装置的气密性良好。具体计算土样的渗流侵蚀时采用入水口处的水流流量进行计算。

下面以沙土试样为例，简述采用本发明装置的试验过程：

1、工作时，先拆卸实验箱体a的反力柱，使实验箱体a的箱体上盖11脱离实验箱体，拿出装有双峰型非均匀粗颗粒材料19的钢性腔室12，并将要求厚度的土样(c)23、透水薄膜24、要求厚度的土样(b)22、透水薄膜24、要求厚度的土样(a)21依次放置在实验箱体a中，然后放入钢性腔室，再放置箱体上盖11，并用反力柱20和螺丝将箱体上盖11和箱体底座8固定牢靠；连接出水口18和细小颗粒运移量计量系统b；连接千斤顶与实验箱体的箱体上盖；将定水头水压系统3与实验箱体a上的入水口15连接。

2、打开计算机集成控制系统1，调节伺服液压加载系统2对土样施加预荷载，使土体变形直至逐渐稳定，模拟土体固结状态，然后将竖向荷载加至实验所需大小。

3、利用计算机集成控制系统1调节定水头水压控制系统3，向土样施加实验要求水头高度的水流，期间让水流流量传感器7、竖向位移传感器10、精密天平28实时收集数据。计算机能够结合水头高度，水流流量和土样的横截面最终得出需要的土样的渗透系数变化量，并可以根据土壤细颗粒运移量、土样的渗透系数变化量和土样的沉降量，最终能够实现科学的探究和分析土样的渗流侵蚀特性。

4、试验结束后，打开预留出水口25排出装置内残余的水，并仔细清理实验装置，准备下一组试验。