土体渗流破坏和处理的演示装置及试验方法与流程

本发明涉及土体渗流破坏领域，尤其涉及一种土体渗流破坏和处理的演示装置及试验方法。

背景技术：

土体是由土颗粒、孔隙水和气体所组成的三相体，土体渗透特性是土力学的一个重要研究内容。因土体渗流所引起土体颗粒流失、地面隆起、基坑坍塌、建筑物不均匀沉降等破坏现象，称为土体渗透破坏。渗透破坏常危害岸坡、基坑工程的稳定，带来较大的经济损失。

常见的渗透破坏形式包括流土和管涌。流土是指土体在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群发生悬浮、移动的现象。流土现象一般是突发性的，对工程危害极大，常发生在水流渗出的表层位置。

管涌是指在水流渗透作用下，土中细颗粒在粗颗粒所形成的孔隙通道中移动并被带出的现象。

现有技术中，中国专利zl200710071418.1公开了一种土体渗透破坏现象演示及临界水力梯度测定仪，可用来测试无黏性土的流土及管涌现象，并测定其发生渗透破坏的临界水力梯度。中国专利zl201510416720.0公开了一种多功能土中水运动效应教学演示装置及试验方法，可直观演示土的膨胀性、盐碱地形成过程及流土、管涌等土中水运动现象。两项专利均可针对土体渗流现象进行演示，但仅局限于渗流现象的演示，对渗流破坏的处理方法均没有涉及，在演示效果上不够完善。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种形式简单、操作简便的土体渗流破坏和处理的演示装置及试验方法，可更形象的揭示土体渗流破坏及其处理方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种土体渗流破坏和处理演示装置，包括供水单元和试样演示单元，所述供水单元包括基座、升降板、支架、电机、控制器和供水筒，所述支架设置在所述基座上，所述升降板由所述电机驱动沿所述支架上下滑动，所述供水筒设置在所述升降板上，所述电机运动的信号通过电缆线传送至所述控制器，所述供水筒上连接有出水阀门；所述试样演示单元包括台垫、试样筒、滤网、第一砂样器、第二砂样器以及第三砂样器，试样筒设置在所述台垫上，所述滤网设置在所述试样筒的底部，所述第一砂样器、第二砂样器以及第三砂样器依次设置，所述试样筒底部连接有进水阀门；所述出水阀门和进水阀门通过水管相连通。

优选的，所述供水单元还包括不锈钢箍。

优选的，所述试样演示单元还包括隔水板，所述隔水板设置在所述滤网和第三砂样器之间。

优选的，所述滤网包括网面和设置在网面下方的钢块。

一种土体渗流破坏试验方法，包括以下步骤：

步骤1、在第一砂样器、第二砂样器和第三砂样器内均放置级配相同的砂粒并压密；

步骤2、将步骤1中放置好沙粒的第一砂样器、第二砂样器和第三砂样器依次放入试样筒内，砂样总高度为l；

步骤3、依次打开进水阀门和出水阀门，通过控制器调整供水筒的位置，根据水头差与砂样总高度l的比值计算出水力梯度i，并在所述控制器的显示屏上实时显示；

步骤4、所述供水筒达到某一高度时，砂样在渗流力作用下，土颗粒发生悬浮、移动，即为流砂现象，此时对应的水力梯度为临界水力梯度icr。

一种土体渗流破坏处理试验方法，包括以下步骤：

步骤1、在第一砂样器、第二砂样器和第三砂样器内装入粗粒径砂样压密，采用上述一种土体渗流破坏试验方法，计算并记录其临界水力梯度icr1；

步骤2、在第一砂样器、第二砂样器和第三砂样器内装入细粒径砂样并压实至与所述步骤1中粗颗粒相同密实度，采用上述一种土体渗流破坏试验方法，计算并记录其临界水力梯度icr2；

步骤3、比较icr1和icr2。

一种土体渗流破坏试验方法，包括以下步骤：

步骤1、在第一砂样器、第二砂样器和第三砂样器中分别装入不同级配粒径的砂样，砂样的粒径依次由细到粗，且细砂样粒径小于粗砂样之间的孔隙；

步骤2、将步骤1中放置好沙粒的第一砂样器、第二砂样器和第三砂样器依次放入试样筒内，所述第一砂样器最靠近所述试样筒底部；

步骤3、依次打开进水阀门和出水阀门，通过控制器调整供水筒的高度，当供水筒达到一定高度时，观测到砂样中细颗粒流出，砂样自下往上逐渐形成一贯通的水流通道，即为管涌现象，演示土体达到管涌破坏的临界状态，记录此时供水筒的高度，作为临界水头位置。

一种土体渗流破坏处理试验方法，包括以下步骤：

步骤1、在第一砂样器、第二砂样器和第三砂样器中分别装入不同级配粒径的砂样，砂样的粒径依次由细到中再到粗，且任一层的砂样颗粒都不允许穿过相邻较粗一层的孔隙；

步骤2、将步骤1中放置好沙粒的第一砂样器、第二砂样器和第三砂样器依次放入试样筒内，所述第一砂样器最靠近所述试样筒底部；

步骤3、通过控制器调整供水筒的位置，在达到权利要求7中记录的临界水头位置后，观测砂样的变化；

步骤4、继续调高所述供水筒的高度，增大水头差，观测砂样的变化。

一种土体渗流破坏处理试验方法，包括以下步骤：

步骤1、在第一砂样器、第二砂样器和第三砂样器中分别装入不同级配粒径的砂样，砂样的粒径依次由细到粗，且细砂样粒径小于粗砂样之间的孔隙；

步骤2、将步骤1中放置好沙粒的第一砂样器、第二砂样器和第三砂样器依次放入试样筒内，所述第一砂样器最靠近所述试样筒底部；

步骤3、所述第一砂样器放置在过滤网上，且所述第三砂样器和过滤网之间放置隔水板；

步骤4、通过控制器调整供水筒的位置，在达到权利要求7中记录的临界水头位置后，观测砂样的变化。

发明相对于现有技术的优势：

本发明实现了水力梯度的实时显示，并通过不同方式直观展示了流砂或管涌的处理方法，可显著提高展示效果，加强对渗流破坏及其处理方法的理解。

附图说明

图1是本发明土体渗流破坏和处理演示装置实施例一的整体结构示意图。

图2是本发明土体渗流破坏和处理演示装置实施例二的整体结构示意图。

图3是本发明土体渗流破坏和处理演示装置的滤网的主视图。

图4是本发明土体渗流破坏和处理演示装置的滤网的俯视图。

图5是本发明土体渗流破坏和处理演示装置的隔水板的主视图。

图6是本发明土体渗流破坏和处理演示装置的隔水板的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

请参见图1至图6所示，一种土体渗流破坏和处理演示装置，包括供水单元和试样演示单元，所述供水单元包括基座1、升降板2、支架3、电机4、控制器6和供水筒7，所述支架3设置在所述基座1上，所述升降板2由所述电机4驱动沿所述支架3上下滑动，所述供水筒7设置在所述升降板2上，所述电机4运动的信号通过电缆线5传送至所述控制器6，所述供水筒7上连接有出水阀门9；所述试样演示单元包括台垫11、试样筒12、滤网13、第一砂样器14、第二砂样器15以及第三砂样器16，试样筒12设置在所述台垫11上，所述滤网13设置在所述试样筒12的底部，所述第一砂样器14、第二砂样器15以及第三砂样器16依次设置，所述试样筒12底部连接有进水阀门10；所述出水阀门9和进水阀门10通过水管18相连通。

优选的，所述供水单元还包括不锈钢箍8，用于保持供水筒7的稳定。

优选的，所述试样演示单元还包括隔水板17，所述隔水板17设置在所述滤网13和第三砂样器16之间。

优选的，所述滤网13包括网面和设置在网面下方的钢块，钢块用来支撑钢网面，避免其紧贴在试样筒12底部。

一种土体渗流破坏试验方法，包括以下步骤：

步骤1、在第一砂样器14、第二砂样器15和第三砂样器16内均放置级配相同的砂粒并压密；

步骤2、将步骤1中放置好沙粒的第一砂样器14、第二砂样器15和第三砂样器16依次放入试样筒12内，砂样总高度为l；

步骤3、依次打开进水阀门10和出水阀门9，通过控制器6调整供水筒7的位置，根据水头差与砂样总高度l的比值计算出水力梯度i，并在所述控制器6的显示屏上实时显示；

步骤4、所述供水筒7达到某一高度时，砂样在渗流力作用下，土颗粒发生悬浮、移动，即为流砂现象，此时对应的水力梯度为临界水力梯度icr。

一种土体渗流破坏处理试验方法，包括以下步骤：

步骤1、在第一砂样器14、第二砂样器15和第三砂样器16内装入粗粒径砂样压密，采用上述一种土体渗流破坏试验方法，计算并记录其临界水力梯度icr1；

步骤2、在第一砂样器14、第二砂样器15和第三砂样器16内装入细粒径砂样并压实至与所述步骤1中粗颗粒相同密实度，采用权利要求5所述的一种土体渗流破坏试验方法，计算并记录其临界水力梯度icr2；

步骤3、比较icr1和icr2。

试验发现，icr1＜icr2；根据土力学知识，相同密实度的砂样粗颗粒砂样的渗透系数大于细颗粒砂样渗透系数。根据观测结果，渗透系数大的砂样临界水力梯度icr1小于渗透系数小的砂样的临界水力梯度icr2，由此可知，通过改善土体的渗透系数可处理流砂现象。

一种土体渗流破坏试验方法，包括以下步骤：

步骤1、在第一砂样器14、第二砂样器15和第三砂样器16中分别装入不同级配粒径的砂样，砂样的粒径依次由细到粗，且细砂样粒径小于粗砂样之间的孔隙；若在第一砂样器14、第二砂样器15和第三砂样器16上安装了滤网，此时可以拆除；

步骤2、将步骤1中放置好沙粒的第一砂样器14、第二砂样器15和第三砂样器16依次放入试样筒12内，所述第一砂样器14最靠近所述试样筒12底部；

步骤3、依次打开进水阀门10和出水阀门9，通过控制器6调整供水筒7的高度，当供水筒7达到一定高度时，观测到砂样中细颗粒流出，砂样自下往上逐渐形成一贯通的水流通道，即为管涌现象，演示土体达到管涌破坏的临界状态，记录此时供水筒7的高度，作为临界水头位置。

一种土体渗流破坏处理试验方法，包括以下步骤：

步骤1、在第一砂样器14、第二砂样器15和第三砂样器16中分别装入不同级配粒径的砂样，砂样的粒径依次由细到中再到粗，且任一层的砂样颗粒都不允许穿过相邻较粗一层的孔隙；

步骤2、将步骤1中放置好沙粒的第一砂样器14、第二砂样器15和第三砂样器16依次放入试样筒12内，所述第一砂样器14最靠近所述试样筒12底部；形成反滤层结构；

步骤3、通过控制器6调整供水筒7的位置，在达到上述记录的临界水头位置后，观测砂样的变化；

步骤4、继续调高所述供水筒7的高度，增大水头差，观测砂样的变化。

试验发现，在步骤3中可观测到砂样没有发生管涌现象；在步骤4中仍然发现没有出现管涌现象，表明反滤层可防治土体管涌的发生；该实施方法演示了通过增设反滤层来防治管涌破坏的发生。

一种土体渗流破坏处理试验方法，包括以下步骤：

步骤1、在第一砂样器14、第二砂样器15和第三砂样器16中分别装入不同级配粒径的砂样，砂样的粒径依次由细到粗，且细砂样粒径小于粗砂样之间的孔隙；

步骤2、将步骤1中放置好沙粒的第一砂样器14、第二砂样器15和第三砂样器16依次放入试样筒12内，所述第一砂样器14最靠近所述试样筒12底部；

步骤3、所述第一砂样器14放置在过滤网13上，且所述第三砂样器16和过滤网13之间放置隔水板17；隔水板17的设置使水流不能直接穿过13过滤网上流，沿17隔水板绕流，增加了水流路径；

步骤4、通过控制器6调整供水筒7的位置，在达到权利要求7中记录的临界水头位置后，观测砂样的变化。

试验发现，未发生管涌现象。

该实施方法演示了通过延长水流渗流路径的方法来防治管涌破坏的发生。

为了便于理解，以下提供本发明土体渗流破坏和处理演示装置的具体设置参数，但不能作为对本发明测限制。

其中基座1为厚2cm、边长为25cm的正方形钢板。

支架3为高60cm，宽5cm，厚2cm的钢板，上面有深度1cm的滑槽，供升降板2沿槽滑动。

电机4为步进电机，为型号130的永磁步进电机，输出力矩为50n.m。

控制器6带有2.4英寸彩色显示屏，可实时显示水力梯度，并能随时保存水力梯度值；控制器6设有0～9按键，按键可数字与字母切换，同时设有“确定”、“删除”、“曲线”、“启动”、“停止”按键；可通过输入高度后自动调整供水筒7的高度，或通过启动、停止按键来调整供水筒7的位置。

供水筒7为高度40cm、内径20cm、壁厚1cm的有机玻璃制成，供水筒7下部设有直径1cm的出水口。

不锈钢箍8为厚度1mm，宽度2cm的薄钢板制成，用于保持7供水筒的稳定。

出水阀门9、进水阀门10，阀门直径为1cm。

台垫11为高度3cm，边长25cm的正方形钢板。

试样筒12为高度40cm、内径20cm、壁厚1cm的有机玻璃制成，试样筒12下部设有直径1cm的进水口，通过水管18与供水筒7相连接。

滤网13由内外两部分组成，外部为直径2mm的细钢丝所形成的直径19.5cm的圆环，内部为直径1mm的钢丝所组成的纵横间距分别为5mm钢丝网状结构；滤网中心的下部设有边长0.8cm的立方体钢块，用来支撑钢丝网面，避免其紧贴在试样筒12底部。

第一砂样器14为由外径19.5cm、高5cm，壁厚2mm的有机玻璃制成，下部设有可拆除滤网，滤网孔径1mm。

第二砂样器15为由外径19.5cm、高5cm，壁厚2mm的有机玻璃制成，下部设有可拆除滤网，滤网孔径3mm。

第三砂样器16为由外径19.5cm、高5cm，壁厚2mm的有机玻璃制成，下部设有可拆除滤网，滤网孔径5mm。

隔水板17为厚度2mm、边长5cm的薄钢板所制，试验时直接防置于13滤网的中间位置上即可。

水管18为长度1.5m，管径1cm的pvc透明软管。

综上所述，本发明实现了水力梯度的实时显示，并通过不同方式直观展示了流砂或管涌的处理方法，可显著提高展示效果，加强对渗流破坏及其处理方法的理解。