一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置及使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置及使用方法，包括自循环变水头控制装置、透明模型箱、垂直加载装置、数值观测系统以及计算机；通过对自循环变水头控制装置高度、透明土轴压以及透明土配合比的改变，可以开展多因素下管涌渗透试验，通过圆弧导轨，可使扇面激光发射器在导轨上匀速转动，使相机捕捉到不同截面处的样本状态，避免了选取截面随机性带来的缺陷，并且实现了土体管涌过程中三维全息可视化展示，本发明专利技术装置结构简单、操作方便、适于推广应用。

【技术实现步骤摘要】
一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置及使用方法
本专利技术涉及一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置及使用方法，属于岩土工程可视化试验

技术介绍
岩土工程是土木工程学科的分支，是一门涉及土力学、岩石力学、工程地质学等以解决各类实际工程中关于岩石、土等工程技术问题的学科，与人们的生活紧密相连。大量的洪涝灾害资料表明，堤基管涌是江河大堤在汛期的主要险情之一，其不仅发生的数量多而且分布范围广，重要的是易于诱发溃堤险情。98洪水之中，长江中下游堤防堤基较大险情中，52.4％是管涌，占各种险情之首。由于土体的复杂性及多样性，使得渗透变形产生、发展过程也极为复杂并具有随机性。河道堤防得不到有效加固，以至于每年都不得不在汛期投入大量的人力、物力和财力，长期以来由于管涌引起的坝体破坏及堤防溃决给社会造成了重大损失。侵蚀性内管涌发生的水力及几何条件是当前研究的热点和难点，现有的研究表明，管涌发生的水力条件与级配、细料含量、应力状态等多因素相关，然而具体关系如何目前尚未形成统一结论。工程实践统计表明，在高渗透强度长期作用下，基础、堤身、堤身与地基结合部均可能发生侵蚀型内管涌，因而加强对侵蚀型内管涌的研究对我国高坝、超高坝的建设需求具有十分重要的现实意义。当前国内还未严格区分常规管涌和侵蚀型内管涌，从细观层面上分析两者发生、发展的机理可知，虽然两者本质较为一致，均为细颗粒在骨架孔隙中移动，但常规管涌发展呈现出自渗流出口逆游侵蚀特征，而侵蚀型内管涌则表现为顺流侵蚀。相对于常规管涌，侵蚀型内管涌则更具隐蔽性、危害性，其发生不易察觉。非稳定渗透水头作用下管涌因为其发生具有突然性和破坏性大等特点，所以对其进行研究比较困难。测量土体在各种应力状态下的变形，尤其是在非稳定渗透水头作用下土体管涌破坏时土体内部的连续变形和位移场，一直是岩土工作者长期面临的问题。传统的方法是在原状土中预埋一些离散的传感器，但土体中的传感器不能提供土体内部的连续变形特征，而且易受到周围环境的影响，因此其结果往往是不准确的，并且由于土体的不透明性，限制了对其应力、应变的深入研究。研究人员曾经采用CT、X射线成像技术、核磁共振等方法来研究土体的连续变形和流动，但高昂的设备费和技术上的难点在很大程度上限制了这些技术的广泛应用。目前已有学者提出将透明土技术应用到管涌试验中，但传统有关透明土的试验中，一般直接对所获得的散斑场照片进行分析，忽略了由于光线入射材料折射率的不同所导致的误差，由于管涌发生发展初期所涉及的局部颗粒运移是小变形，这种人为观测引起的误差会使得实际的土体位移与所观测到的位移相差甚远，对深入开展管涌发生发展机理的研究产生不利影响。因此基于透明土材料和数字图像处理技术，利用与透明土相同材料制成的参照格栅，提出一种既经济又切实可行的非稳定渗透水头作用下管涌破坏时土体位移精确可视化的试验装置和试验方法就显得尤为必要了。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种可以开展多因素下管涌渗透试验以及实现土体管涌过程三维全息可视化的实验装置及使用方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置，包括自循环变水头控制装置、透明模型箱、垂直加载装置、数值观测系统以及计算机；所述自循环变水头控制装置包括水箱、水箱高度控制装置、储水箱以及位于所述储水箱内的潜水泵，所述水箱内部竖直设置有一溢流板将所述水箱分为回流区以及溢流区，所述回流区底部与所述储水箱管道连接，所述溢流区底部设有分别与所述潜水泵连接的管道以及与所述透明模型箱底部连接的进水管，所述进水管上设有流量计以及水阀；所述透明模型箱为圆筒形，下部为水流缓冲区、中部为饱和透明土填样区以及上部为出流区，所述填样区沿高度方向等距分布有若干孔压计，所述填样区与所述缓冲区之间由第一压力板隔离，所述第一压力板上方还设有过滤层，所述出流区与所述填样区之间由可透砂的第二压力板隔离，所述出流区设有出水口，所述出水口下缘与所述第二压力板上缘平齐，所述出水口设有与所述储水箱连接的出水管，所述出水管上设有水阀以及流量计；所述垂直加载装置用于施力在所述第二压力板上，使透明土处于不同的应力场中；所述数值观测系统包括用于采集透明土图像的CCD相机、圆弧导轨、位于所述圆弧导轨滑台上的用于照射透明土形成散斑场的激光发射器以及用于插入透明土内的参照格栅，所述圆弧导轨滑台可旋转角度大于180°；所述计算机与所述流量计以及所述CCD相机连接。所述垂直加载装置包括反力架、液压千斤顶、液压泵以及传力架，所述反力架包括底板、顶板以及用于连接所述底板以及所述顶板的连接杆，所述透明模型箱位于所述底板上，所述液压千斤顶顶部与所述顶板接触，底部与所述传力架接触，所述传力架底部与所述第二压力板接触。所述顶板与所述连接杆活动连接。所述水箱高度控制装置包括电机、齿轮、齿条以及控制箱，所述电机带动所述齿轮，使所述齿条沿垂直方向上下移动，所述齿条与所述水箱连接，所述控制器用于控制所述电机。所述透明模型箱由石英制成，内壁直径220mm～250mm，高400mm～500mm，壁厚5～8mm。所述透明模型箱内壁喷涂有一层金刚喷剂，其折射率与透明模型箱材料折射率相同。一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置的使用方法，包括以下步骤：按照试验的参数要求制备好相应的饱和透明土样，将其置于透明模型箱中；在水箱内注入与饱和透明土样具有相同折射率并添加荧光剂的孔隙流体；安装垂直加载装置，给予透明土样一定的垂直压力；打开激光发射器，待功率稳定后，调整激光切面的角度，使其垂直打入饱和透明土样，形成散斑场；调整CCD相机的可视范围，使其能够包含整个饱和透明土样；打开圆弧导轨，调整滑台移动速度和移动范围；打开潜水泵，保持水箱内水位不变，使得在试验过程中饱和透明土样的渗透水头保持不变；打开进水管水阀和出水管水阀，使得水头调节系统中与饱和透明土样具有相同折射率并添加荧光剂的孔隙流体进入透明模型箱。控制水箱上升速度，诱使饱和透明土样非稳定渗透水头作用下发生管涌破坏，将流量计的数据以及CCD相机采集的图片传输至计算机；试验完成之后，通过粒子图像处理软件并结合参照格栅，分析所获得的管涌破坏过程图片，得到土体管涌破坏时土体变形位移场。本专利技术所达到的有益效果：本专利技术中增加了对试样的上覆荷载，用于构造不同的应力场，采用圆筒形的透明模型箱，可以保证试样各向受力均匀，结合自循环变水头控制装置、透明土配合比等变化，可以开展多因素下管涌渗透试验，研究渗流水头边界条件(△H/t)、应力状态(σ)、细料含量(Ff)、控制特征粒径比(Dc35/d85)对管涌的影响，揭示管涌发生机理，为后续研究提供试验基础；本专利技术中将扇面激光发射器安放在圆弧导轨滑台上，使其在导轨上匀速转动，可以使相机捕捉到不同截面处的样本状态，避免了选取截面随机性带来的缺陷，可以获取试验过程中任意截面的照片，后期可通过对试验中各截面照片的分析，利用PFC进行三维建模，从而实现土体管涌过程中三维全息可视化的展示；本专利技术试验模型结构简单，可操作性强，经济可行性高；附图说明图1为实施例的结构示意图；图2为实施例中激光发射器、CCD相机、圆弧导轨滑台与透明模型箱位置关系的轴测图；图3为实施例中激光发射器、CC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置，其特征是，包括自循环变水头控制装置、透明模型箱、垂直加载装置、数值观测系统以及计算机；所述自循环变水头控制装置包括水箱、水箱高度控制装置、储水箱以及位于所述储水箱内的潜水泵，所述水箱内部竖直设置有一溢流板将所述水箱分为回流区以及溢流区，所述回流区底部与所述储水箱管道连接，所述溢流区底部设有分别与所述潜水泵连接的管道以及与所述透明模型箱底部连接的进水管，所述进水管上设有流量计以及水阀；所述透明模型箱为圆筒形，下部为水流缓冲区、中部为饱和透明土填样区以及上部为出流区，所述填样区沿高度方向等距分布有若干孔压计，所述填样区与所述缓冲区之间由第一压力板隔离，所述第一压力板上方还设有过滤层，所述出流区与所述填样区之间由可透砂的第二压力板隔离，所述出流区设有出水口，所述出水口下缘与所述第二压力板上缘平齐，所述出水口设有与所述储水箱连接的出水管，所述出水管上设有水阀以及流量计；所述垂直加载装置用于施力在所述第二压力板上，使透明土处于不同的应力场中；所述数值观测系统包括用于采集透明土图像的CCD相机、圆弧导轨、位于所述圆弧导轨滑台上的用于照射透明土形成散斑场的激光发射器以及用于插入透明土内的参照格栅，所述圆弧导轨滑台可旋转角度大于180°；所述计算机与所述流量计以及所述CCD相机连接。...

【技术特征摘要】
1.一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置，其特征是，包括自循环变水头控制装置、透明模型箱、垂直加载装置、数值观测系统以及计算机；所述自循环变水头控制装置包括水箱、水箱高度控制装置、储水箱以及位于所述储水箱内的潜水泵，所述水箱内部竖直设置有一溢流板将所述水箱分为回流区以及溢流区，所述回流区底部与所述储水箱管道连接，所述溢流区底部设有分别与所述潜水泵连接的管道以及与所述透明模型箱底部连接的进水管，所述进水管上设有流量计以及水阀；所述透明模型箱为圆筒形，下部为水流缓冲区、中部为饱和透明土填样区以及上部为出流区，所述填样区沿高度方向等距分布有若干孔压计，所述填样区与所述缓冲区之间由第一压力板隔离，所述第一压力板上方还设有过滤层，所述出流区与所述填样区之间由可透砂的第二压力板隔离，所述出流区设有出水口，所述出水口下缘与所述第二压力板上缘平齐，所述出水口设有与所述储水箱连接的出水管，所述出水管上设有水阀以及流量计；所述垂直加载装置用于施力在所述第二压力板上，使透明土处于不同的应力场中；所述数值观测系统包括用于采集透明土图像的CCD相机、圆弧导轨、位于所述圆弧导轨滑台上的用于照射透明土形成散斑场的激光发射器以及用于插入透明土内的参照格栅，所述圆弧导轨滑台可旋转角度大于180°；所述计算机与所述流量计以及所述CCD相机连接。2.根据权利要求1所述的一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置，其特征是，所述垂直加载装置包括反力架、液压千斤顶、液压泵以及传力架，所述反力架包括底板、顶板以及用于连接所述底板以及所述顶板的连接杆，所述透明模型箱位于所述底板上，所述液压千斤顶顶部与所述顶板接触，底部与所述传力架接触，所述传力架底部与所述第二压力板接触。3.根据权利要求2所述的一种土体管涌破坏...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪小东，陆江发，姬良龙，徐硕，王媛，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32