專利名稱：一種研究滲透性破壞現(xiàn)象的試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于研究滲透性破壞現(xiàn)象的實驗裝置。
背景技術(shù)：
滲流引起的滲透破壞問題主要有兩大類 一是由于滲流力的作用，使土體顆粒流失 或局部土體產(chǎn)生移動，導(dǎo)致土體變形甚至失穩(wěn)；二是由于滲流作用，使水壓力或浮力發(fā) 生變化，導(dǎo)致土體或結(jié)構(gòu)物失穩(wěn)；前者主要表現(xiàn)為流土和管涌，后者則表現(xiàn)為岸坡滑動 或擋土墻等構(gòu)筑物整體失穩(wěn)。
目前研究表明，管涌是滲透水流作用下，細小顆粒在粗顆粒形成的孔隙中逐步移動， 以至流失的過程。伴隨著細顆粒的不斷流出，管涌發(fā)生發(fā)展過程中土體內(nèi)的孔隙水壓力、 土壓力、土體位移及滲出流量都在發(fā)生著變化，因此，通過觀測土體試樣各部分的顆粒 運動以及各參數(shù)的變化情況可以更好地了解管涌的發(fā)生與發(fā)展過程，但是，現(xiàn)有技術(shù)中， 一般采用量測管涌發(fā)生時臨界水力梯度的方法來研究管涌的發(fā)生與發(fā)展，而正如前面所 述，管涌破壞一般有個時間發(fā)展過程，是一種漸進性質(zhì)的破壞，即管涌是一個動態(tài)的過 程，在管涌的發(fā)展過程中，隨著細小顆粒的流失，土體將呈現(xiàn)非均質(zhì)、各向異性等性質(zhì)， 同時，土體中的流速與孔隙水壓力也會重新分布，因此，應(yīng)用測量臨界水力梯度的傳統(tǒng) 管涌試驗方法，不能全面地探測管涌發(fā)展過程中涉及的所有參數(shù)的變化。
另外，目前公知的室內(nèi)管涌實驗觀測儀器一般為窄形槽，尺寸較小，且一般用肉眼 觀測記錄數(shù)據(jù)，所以，這種試驗設(shè)備顯然存在以下不足(1)管涌的發(fā)生發(fā)展過程是 三維的，窄形槽模擬管涌過程與實際情況出入很大；(2)管涌的室內(nèi)實驗受尺寸效應(yīng) 的影響很大，尺寸越小，尺寸效應(yīng)越明顯，造成的誤差也越大；(3)目前大多數(shù)的此 類實驗儀器不能測量管涌發(fā)展過程中不同垂直荷載下的豎向位移，而且實驗中能測量得 到的參數(shù)種類也較少，很難全面地測量管涌發(fā)生發(fā)展過程中土體內(nèi)各部分的水力參數(shù)與 結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化；(4)數(shù)據(jù)利用人工記錄的方法，精度不高。
實用新型內(nèi)容
本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種研究滲透性破壞現(xiàn)象的試驗裝置，其通 過采用土體容納箱盛裝土體試樣，并設(shè)置驅(qū)動上游貯水箱發(fā)生垂直位移的位移驅(qū)動控制 裝置改變上游貯水箱和進水箱之間的水頭差以獲取滲透性破壞現(xiàn)象發(fā)生的預(yù)設(shè)水力梯
4度，同時，設(shè)置水壓力測量裝置以及土壓力測量裝置以分別測量每一個水頭差對應(yīng)的滲 透性破壞現(xiàn)象發(fā)展過程中相應(yīng)位點的孔隙水壓力以及土壓力，并對土體試樣施加不同的 可用荷重測量裝置測定的垂直負荷，設(shè)置豎向位移測量裝置測量不同垂直荷載下的豎向 位移，并對這些數(shù)據(jù)進行分析后輸出水力梯度-時間、孔隙水壓力-時間、土壓力-時間 以及滲出流量-水力梯度四條表征曲線，從而較為全面地表征整個滲透性破壞現(xiàn)象的發(fā) 生發(fā)展過程。
為實現(xiàn)上述的技術(shù)目的，本實用新型將采用以下的技術(shù)方案
一種研究滲透性破壞現(xiàn)象的試驗裝置，包括上游貯水箱、用于盛放土體試樣的土體 容納箱以及下游貯水箱，所述上游貯水箱的輸入端連接驅(qū)動其發(fā)生垂直位移的位移驅(qū)動 控制裝置，所述上游貯水箱和土體容納箱之間連接有進水箱，且該進水箱上設(shè)置有用于 測量上游貯水箱和進水箱之間水頭差的水頭指示管，而土體容納箱和下游貯水箱之間則 設(shè)置用于測量滲出流量的流量計，所述土體容納箱頂板設(shè)置可縱向移動的活動蓋板，并 在該活動蓋板上聯(lián)動設(shè)置縱向負荷輸出裝置，且縱向負荷輸出裝置的輸出端設(shè)置用于測 量該縱向負荷輸出裝置所輸出豎向負荷的荷重測量裝置，而活動蓋板上則設(shè)置用于測量 土體試樣豎向位移的豎向位移測量裝置，另外，所述土體容納箱上裝有分別用于測量滲 透性破壞現(xiàn)象發(fā)展過程中孔隙水壓力的水壓力測量裝置和用于測量土壓力的土壓力測 量裝置。
所述荷重測量裝置、水壓力測量裝置、豎向位移測量裝置以及土壓力測量裝置分別 為荷重傳感器、水壓力傳感器、豎向位移傳感器以及土壓力傳感器。
所述土體容納箱的一個側(cè)面板采用透明材質(zhì)制作而成，且該透明面板的外表面上設(shè) 置有用于拍攝土體試樣顆粒軌跡的圖像采集裝置。所述圖像采集裝置包括高速顯微攝像頭。
所述水頭指示管、水壓力傳感囂、土壓力傳感器、荷重傳感器、豎向位移傳感器以 及高速顯微攝像頭的輸出端分別與數(shù)據(jù)采集裝置連接，而該數(shù)據(jù)采集裝置的輸出端則與 一分析處理水頭差、水壓力、土壓力、縱向負荷、豎向位移以及土體試樣顆粒軌跡這些 數(shù)據(jù)、以輸出水力梯度-時間、孔隙水壓力-時間、土壓力-時間以及滲出流量-水力梯度 四條表征曲線的計算機數(shù)據(jù)處理裝置連接。
所述位移驅(qū)動控制裝置包括巻揚機以及將巻揚機和上游貯水箱連接的提升機構(gòu)。 所述縱向負荷輸出裝置包括千斤頂以及驅(qū)動該千斤頂運動的壓力傳動裝置。 還包括水循環(huán)裝置，該水循環(huán)裝置包括設(shè)置于下游貯水箱內(nèi)的循環(huán)泵，且循環(huán)泵的輸出端與上游貯水箱連接，且循環(huán)泵輸出端與上游貯水箱之間的連接管為伸縮式水管， 則該伸縮式水管可以根據(jù)上游貯水箱縱向位移的改變而作出相應(yīng)的變化。 根據(jù)以上的技術(shù)方案，可以實現(xiàn)以下的有益效果
1. 本實用新型設(shè)置土體容納箱以盛裝土體試樣，從而一定程度上降低了現(xiàn)有技術(shù) 中因采用窄形槽進行試驗研究而產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)，另外，本實用新型在土體容納箱的頂 板設(shè)置可發(fā)生縱向位移的活動蓋板，且該活動蓋板與縱向負荷輸出裝置聯(lián)動連接，同時 所述活動蓋板上設(shè)置有豎向位移測量裝置，則本實用新型可以提供滲透性破壞現(xiàn)象發(fā)展 過程中土體試樣受到不同垂直荷載下的豎向位移，再有，本實用新型在土體容納箱上設(shè) 置水壓力測量裝置和土壓力測量裝置，且設(shè)置有位移驅(qū)動控制裝置以改變上游貯水箱與 進水箱之間的水頭差，從而可以得到預(yù)設(shè)水力梯度以及每一個水頭差下的土體孔隙水壓 力和土壓力，因此，對上述所采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理后，可以繪制出水力梯度-時 間、孔隙水壓力-時間、土壓力-時間以及滲出流量-水力梯度四條表征滲透性破壞現(xiàn)象 發(fā)展過程的水力或者結(jié)構(gòu)參數(shù)變化曲線，與現(xiàn)有技術(shù)只能獲得滲透性破壞現(xiàn)象發(fā)展過程 的臨界梯度相比，采用本實用新型進行滲透性破壞現(xiàn)象發(fā)展過程的試驗研究，可以較為 全面地模擬整個滲透性破壞現(xiàn)象發(fā)展過程。
2. 本實用新型采用圖像采集裝置以拍攝土體試樣顆粒軌跡，從而可以得到土體試 樣顆粒的運動軌跡，與水力梯度-時間、孔隙水壓力-時間、土壓力-時間以及滲出流量-水力梯度四種表征曲線相互驗證地全面模擬整個滲透性破壞現(xiàn)象發(fā)展過程。
3. 本實用新型所用的荷重測量裝置、水壓力測量裝置、豎向位移測量裝置以及土 壓力測量裝置分別為荷重傳感器、水壓力傳感器、豎向位移傳感器以及土壓力傳感器， 并采用數(shù)據(jù)采集裝置自動收集前述裝置所分別測定的數(shù)據(jù)，因此，與現(xiàn)有技術(shù)中人工記 錄相比，本實用新型不僅較大程度地節(jié)約人力成本，而且保證了數(shù)據(jù)的紀(jì)錄準(zhǔn)確性，從 數(shù)據(jù)源頭上避免了錯誤的產(chǎn)生，提高了數(shù)據(jù)獲得的精度。
4. 本實用新型采用計算機數(shù)據(jù)處理軟件對所收集到的數(shù)據(jù)進行分析處理， 一方面 節(jié)約人力資源，另一方面避免人工分析處理過程發(fā)生的人為錯誤。


圖l是該試驗裝置的使用流程圖； 圖2是該試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明運行過程中的水力梯度-時間變化曲線圖； 圖4是本發(fā)明運行過程中的孔隙水壓力-時間變化曲線圖；圖5是本發(fā)明運行過程中的土壓力-時間變化曲線圖； 圖6是本發(fā)明運行過程中滲出流量-水力梯度的變化曲線圖。
具體實施方式

以下將結(jié)合附圖詳細地說明本實用新型的技術(shù)方案。
如圖l、圖2所示，本實用新型所述的試驗裝置，包括上游貯水箱13、用于盛放土 體試樣的土體容納箱1以及下游貯水箱11，所述上游貯水箱13的輸入端連接驅(qū)動其發(fā) 生垂直位移的位移驅(qū)動控制裝置，所述位移驅(qū)動控制裝置包括巻揚機31以及將巻揚機 31和上游!C水箱13連接的提升機構(gòu)，該提升機構(gòu)由多個定滑輪33以及將定滑輪33分 別與巻揚機31、上游貯水箱13連接的鋼索；所述上游貯水箱13和土體容納箱1之間 連接有進水箱2，且該進水箱2上設(shè)置有用于測量上游貯水箱13和進水箱2之間水頭 差的水頭指示管5，而土體容納箱1和下游貯水箱11之間則設(shè)置用于測量滲出流量的 流量計12，該流量計12的量程為10L/min 40L/min，精度不小于0. 1L/min，所述土 體容納箱1頂板設(shè)置可縱向移動的活動蓋板8，并在該活動蓋板8上聯(lián)動設(shè)置縱向負荷 輸出裝置，所述縱向負荷輸出裝置包括千斤頂7以及驅(qū)動該千斤頂7運動的壓力傳動裝 置，且縱向負荷輸出裝置的輸出端設(shè)置用于測量該縱向負荷輸出裝置所輸出豎向負荷的 荷重測量裝置6，而活動蓋板8上則設(shè)置用于測量土體試樣豎向位移的豎向位移測量裝 置(圖中未畫出)，另外，所述土體容納箱l內(nèi)壁面上裝有分別用于測量滲透性破壞現(xiàn) 象發(fā)展過程中孔隙水壓力的水壓力測量裝置和用于測量土壓力的土壓力測量裝置，且該 土體容納箱1的正面板采用透明材質(zhì)，如有機玻璃制作而成，用于觀察土體試樣的運動 情況，并在該正面板外表面設(shè)置圖像采集裝置，時刻拍攝顆粒的分布情況，連續(xù)記錄管 涌過程中顆粒的流失過程，采集土體顆粒的運動軌跡，實現(xiàn)滲透性破壞現(xiàn)象發(fā)展過程的 微觀模擬。
所述荷重測量裝置6、水壓力測量裝置、豎向位移測量裝置以及土壓力測量裝置分 別為荷重傳感器、水壓力傳感器、豎向位移傳感器以及土壓力傳感器，本實用新型所用 的水壓力傳感器量程為30KPa 50KPa，精度不小于0.2KPa， 土壓力傳感器量程為 50KPa 70KPa，精度不小于0.5KPa，而所述圖像采集裝置包括高速顯微攝像頭，該高 速顯微攝像頭具備以下參數(shù)拍攝分辨率不小于500線，1/3英寸CCD鏡頭，最低照 度不大于0.5LUX，拍攝速度大于100幀/秒，并帶有微距功能；且前述荷重傳感器、水 壓力傳感器、豎向位移傳感器、土壓力傳感器以及高速顯微攝像頭的數(shù)據(jù)輸出端與數(shù)據(jù) 采集裝置10連接，而該數(shù)據(jù)采集裝置10的輸出端則與一分析處理水頭差、水壓力、土壓力、縱向負荷、豎向位移以及土體試樣顆粒軌跡這些數(shù)據(jù)、以輸出孔隙水壓力-水力 梯度、土壓力-水力梯度以及滲出流量-水力梯度三條變化曲線的計算機數(shù)據(jù)處理裝置連 接。
另外，本實用新型還包括水循環(huán)裝置，該水循環(huán)裝置包括設(shè)置于下游貯水箱11內(nèi) 的循環(huán)泵42，且循環(huán)泵42的輸出端與上游貯水箱13用伸縮式水管5連接，則上游貯 水箱13隨著位移驅(qū)動控制裝置上下移動時，該伸縮式水管5隨之作出相應(yīng)動作，保證 循環(huán)泵42可以將下游忙水箱11內(nèi)的水泵入上游貯水箱13內(nèi)，實現(xiàn)水流的循環(huán)。
使用時，將土體試樣裝入試樣容納箱1后，頂部蓋上活動蓋板8，將帶有千斤頂7 及荷重傳感器的反力架調(diào)整到適合加載的位置，并用機架調(diào)節(jié)螺栓14固定，為防止試 樣容納箱1的側(cè)向變形，用頂緊螺栓15將試樣容納箱1頂緊；然后千斤頂7對土體試 樣施加一定的垂向荷載，開動巻揚機31調(diào)節(jié)上游貯水箱13的高度，通過水頭指示管5 觀測進水箱2的水頭高度，通過流量計12觀測滲出流量，當(dāng)上游貯水箱13水位下降時， 開動循環(huán)水泵將下游貯水箱ll內(nèi)的水抽入上游貯水箱13，實現(xiàn)水的循環(huán)使用；傳感器 測得的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集裝置10輸入計算機數(shù)據(jù)分析處理裝置9進行分析處理，輸出 孔隙水壓力-時間、土壓力-時間以及滲出流量-水力梯度三種變化曲線。
另外，下面將對照圖3-6，說明應(yīng)用本實用新型研究一次模擬管涌發(fā)生發(fā)展過程。
如圖3,其為本發(fā)明模擬管涌發(fā)生發(fā)展過程的水力梯度-時間變化曲線圖，其每一個 水頭差都是在一定時間間隔內(nèi)，通過控制位移驅(qū)動控制裝置發(fā)生垂直位移，從而使得上 游貯水箱的垂直位移發(fā)生改變，改變了進水箱的水頭，即改變了進水箱和下游貯水箱之 間的水頭差，獲得管涌發(fā)生發(fā)展過程所需的水力梯度，本發(fā)明通過逐步提高進水箱的水 頭以增大施加給土體試樣的水頭差。
如圖4，其為使用本實用新型模擬管涌發(fā)生發(fā)展過程的時間-孔隙水壓力變化曲線 圖，由圖可知，水壓力傳感器測量實驗試樣不同位置處的水壓力，在同一時刻，不同位 置處的水壓力有差異，隨著加壓水頭的增加，各位點的水壓力傳感器數(shù)值也在增加。
如圖5，其為使用本實用新型模擬管涌發(fā)生發(fā)展過程的時間-土壓力變化曲線圖，根 據(jù)有效應(yīng)力原理，當(dāng)土體所受的總應(yīng)力不變時，土體的有效應(yīng)力隨著孔隙水壓力的增加 而減小，圖5中，土壓力傳感器的計數(shù)隨著上游水頭及孔隙水壓力的增加而減小，驗證 了有效應(yīng)力原理。
如圖6，其為使用本實用新型模擬管涌發(fā)生發(fā)展過程的滲出流量-水力梯度的變化 曲線圖，由圖可知，在水力梯度較小時，流量與水力梯度基本上呈正比例關(guān)系，當(dāng)水力
8梯度達到約0.5時，流量急劇增加，說明此時土體的滲透性急劇變大，也就是說，土體 中的細顆粒此時被大量帶出，也就是管涌的發(fā)生。
權(quán)利要求1.一種研究滲透性破壞現(xiàn)象的試驗裝置，其特征在于包括上游貯水箱、用于盛放土體試樣的土體容納箱以及下游貯水箱，所述上游貯水箱上連接驅(qū)動其發(fā)生垂直位移的位移驅(qū)動控制裝置，所述上游貯水箱和土體容納箱之間連接有進水箱，且該進水箱上設(shè)置有用于測量上游貯水箱和進水箱之間水頭差的水頭指示管，而土體容納箱和下游貯水箱之間則設(shè)置用于測量滲出流量的流量計，所述土體容納箱頂板設(shè)置可縱向移動的活動蓋板，且該活動蓋板上安裝有用于測量土體試樣豎向位移的豎向位移測量裝置，另外，所述土體容納箱內(nèi)表面裝有分別用于測量滲透性破壞現(xiàn)象發(fā)展過程中孔隙水壓力的水壓力測量裝置和用于測量土壓力的土壓力測量裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述試驗裝置，其特征在于所述活動蓋板上表面與縱向負荷輸出 裝置的輸出端聯(lián)動連接，且縱向負荷輸出裝置的輸出端與活動蓋板之間設(shè)置用于測 量該縱向負荷輸出裝置所輸出豎向負荷的荷重測量裝置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述試驗裝置，其特征在于所述荷重測量裝置、水壓力測量裝置、 豎向位移測量裝置以及土壓力測量裝置分別為荷重傳感器、水壓力傳感器、豎向位 移傳感器以及土壓力傳感器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述試驗裝置，其特征在于所述土體容納箱的一個側(cè)面板采用透 明材質(zhì)制作而成，且該透明面板的外表面上設(shè)置有用于拍攝土體試樣顆粒軌跡的圖 像采集裝置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述試驗裝置，其特征在于所述圖像采集裝置包括高速顯微攝像 頭。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述試驗裝置，其特征在于所述水頭指示管、水壓力傳感囂、土 壓力傳感器、荷重傳感器、豎向位移傳感器以及高速顯微攝像頭的輸出端分別與數(shù) 據(jù)采集裝置連接，而該數(shù)據(jù)采集裝置的輸出端則與一分析處理水頭差、水壓力、土 壓力、縱向負荷、豎向位移以及土體試樣顆粒軌跡這些數(shù)據(jù)、以輸出水力梯度-時間、 孔隙水壓力-時間、土壓力-時間以及滲出流量-水力梯度四條表征曲線的計算機數(shù)據(jù) 處理裝置連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述試驗裝置，其特征在于所述位移驅(qū)動控制裝置包括巻揚機以 及將巻揚機和上游貯水箱連接的提升機構(gòu)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述試驗裝置，其特征在于所述縱向負荷輸出裝置包括千斤頂以 及驅(qū)動該千斤頂運動的壓力傳動裝置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述試驗裝置，其特征在于還包括水循環(huán)裝置，該水循環(huán)裝置包括設(shè)置于下游貯水箱內(nèi)的循環(huán)泵，且循環(huán)泵的輸出端與上游貯水箱連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述試驗裝置，其特征在于所述循環(huán)泵輸出端與上游貯水箱之間 的連接管為伸縮式水管。
專利摘要本實用新型涉及一種研究滲透性破壞現(xiàn)象的試驗裝置，通過設(shè)置縱向位移驅(qū)動控制裝置調(diào)節(jié)上游貯水箱垂直位移以獲得施加給土體試樣發(fā)生滲透性破壞現(xiàn)象的水力梯度，在盛裝土體試樣的土體容納箱內(nèi)表面上設(shè)置水壓力測量裝置、土壓力測量裝置以分別測定土體的孔隙水壓力以及土壓力，并在土體容納箱頂部設(shè)置的可縱向移動的活動蓋板上安裝豎向位移測量裝置以測量土體豎向位移，同時在土體容納箱水流滲出下游安裝流量計以測定滲出流量，因此，運用本實用新型研究，可獲得水力梯度-時間、孔隙水壓力-時間、土壓力-時間以及滲出流量-水力梯度四種表征曲線，較為全面地模擬土體滲透性破壞現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展過程，有利于水利工程的進一步發(fā)展。
文檔編號G01N33/24GK201378166SQ20092004200
公開日2010年1月6日 申請日期2009年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月2日
發(fā)明者越 梁, 亮 陳, 陳建生 申請人:河海大學(xué)