可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置及试验方法制造方法及图纸

本申请提供一种可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置及试验方法，包括压力室、水力加压设备、试样盒、图像采集设备等。水力加压设备用以向试样盒中的试样施加不同的水力梯度，模拟不同的渗流条件；试样盒两端为进水通道和冲刷出口通道；进水通道和冲刷出口通道安装有流量计；加压和冲刷通道上安装有阀门和压力传感器，压力传感器用于检测试样两端的水压力；图像采集设备用以记录接触冲刷发生演变的全过程。与现有技术相比，本申请可以在实验室内模拟可变上覆压力作用下不同粗细粒径比土层接触冲刷的发生条件和演变规律，可根据试验要求选择颗粒粒径比、上覆压力、水力梯度，可操作性强，能细观地观测颗粒在不同上覆压力及水头差下的渗蚀破坏机理。

Soil contact erosion test device and test method under variable overlying pressure

【技术实现步骤摘要】
可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置及试验方法
本申请属于土体接触冲刷试验模拟
，涉及一种运用于可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置及试验方法，通过设定试样所受上覆压力、调节试样两端的水头差来模拟接触冲刷，利用监测设备观察记录接触冲刷的发生与演变过程，研究不同粗细粒径比与不同上覆压力作用下接触冲刷的产生与发展过程，揭示特定水力条件下土层界面处的渗蚀机理。
技术介绍
我国很多地区的地层以砂土为主，抗渗蚀力较弱，在雨滴击溅和地下水侵蚀的作用下容易发生水土流失。接触冲刷是指渗流沿着两种渗透系数差别很大的地层界面运动时，细颗粒被带走的现象，与管涌、流土、接触流土共同构成了四种工程中十分常见的典型渗透破坏类型。接触冲刷通常在土体内部土层界面处产生，逐渐发展可至土层表面，其破坏往往具有很强的隐蔽性，地表出现破坏现象时，地层内部的破坏已十分严重，再进行减灾措施为时已晚。该问题在实际工程中不容忽视，已经得到学者与工程师的广泛关注。目前对于接触冲刷方面的研究大都采用有限元数值模拟，但上述方法不能很好地考虑水-土的相互作用，所建立的数值计算模型与实际情况存在偏差，无法全面解释接触冲刷的发生发展机理。且由于接触冲刷发生在土体内部，现场试验的可操作性不强，无法直接探究其内部破坏与灾变过程的作用机理。使得实际工程在施工和后期维护过程中面临巨大的安全威胁。
技术实现思路
本申请的目的在于，提供一种可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置及试验方法，以克服目前试验研究手段中颗粒流失率计算精度不高、接触冲刷现象较难观测等缺陷；同时本申请装置结构清晰，操作性强，能反映土体在不同上覆压力下接触冲刷的发生和演变规律。本申请的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置，包括压力室、试样盒、试样加压设备、试样加压通道、入口端流量计、试样加压通道阀门、入口端压力传感器、压力室加压设备、压力室加压通道阀门、变频水泵、冲刷出口通道、冲刷出口通道阀门、出口端流量计、出口端压力传感器、图像采集设备；试样盒可拆卸地安装在压力室内；试样盒中可拆卸地设置两个带滤网的多孔隔板，两个多孔隔板将试样盒内部空间依次分隔为试样盒入口端、试样盒装样部和试样盒出口端；试样盒入口端处的多孔隔板上设置有滤网；试样盒出口端处的试样盒侧壁上设置有滤网。试样盒装样部用以盛放试样，且其顶部通过橡胶膜密封；试样包括粗颗粒和细颗粒，细颗粒填装在下，粗颗粒填装在上，且粗颗粒的粒径小于试样盒装样部的尺寸并大于多孔隔板的孔径，细颗粒的粒径大于滤网的孔径并小于多孔隔板的孔径；试样盒入口端处的滤网覆盖整个多孔隔板，以防止细颗粒从试验盒入口端流失；试样盒出口端处的滤网仅覆盖细颗粒填装部分的多孔隔板，细颗粒仅可通过粗颗粒间隙从试验盒出口端处的多孔隔板中被冲出；试样盒入口端的顶部安装有入口端压力传感器，试样盒出口端的顶部安装有出口端压力传感器；试样盒入口端通过试样加压通道与压力室外的试样加压设备连通，试样加压通道上安装有入口端流量计和试样加压通道阀门；试样盒出口端通过冲刷出口通道与压力室外的变频水泵连接，冲刷出口通道上安装有冲刷出口通道阀门和出口端流量计；压力室顶部安装有顶盖阀和排气阀，压力室通过压力室加压通道与压力室外的压力室加压设备连通，压力室加压通道上安装有压力室加压通道阀门；压力室侧壁为透明的，图像采集设备设置在压力室侧壁外，其包括粒子图像测速装置、高速摄像机，粒子图像测速装置用以跟踪和测量接触冲刷发生后流场中粒子移动速度，高速摄像机用以记录试验现象。进一步，压力室包括底座、顶盖、压力室螺栓、压力室侧壁；顶盖上安装顶盖阀和排气阀，顶盖下方安装压力室侧壁，顶盖通过压力室螺栓与底座连接；底座为凸台结构，凸台结构的中央为试样盒承台，凸台结构的外缘依次连接压力室侧壁和压力室螺栓；压力室侧壁与凸台结构的连接处设置有橡胶垫片，橡胶垫片内嵌在凸台结构中。进一步，试样盒包括试样盒侧壁、连接板；试样盒侧壁安装在连接板上，且试样盒侧壁与连接板之间设置有止水橡胶；连接板可拆卸地安装在底座上。进一步，两个多孔隔板可拆卸地设置在试样盒侧壁中，且两个多孔隔板的上部内侧各自粘贴一块覆膜隔板，两块覆膜隔板之间设置橡胶膜，橡胶膜粘贴在两块覆膜隔板及试样盒侧壁的内侧。进一步，试样加压通道、压力室加压通道、冲刷出口通道均穿设在底座中。进一步，粗颗粒采用透明的大直径塑料颗粒，细颗粒采用有色的小直径塑料颗粒。进一步，还包括处理器；处理器分别与入口端压力传感器、出口端压力传感器，用以监测试验过程中试样盒入口端及试样盒出口端的水压力并计算前述两端的水头差；处理器还与试样加压设备连接，用以调节试样加压设备使前述两端的水头差达到试验设计的要求。进一步，处理器还分别与粒子图像测速装置、高速摄像机连接，用以采集图像以跟踪和测量接触冲刷发生后流场中粒子移动速度及记录接触冲刷发展全过程。本申请还提供一种可变上覆压力下土体接触冲刷试验方法，包括：步骤1：关闭压力室加压通道阀门，打开顶盖阀和排气阀，通过顶盖阀向压力室注水至水从排气阀溢出；步骤2：关闭顶盖阀和排气阀，打开压力室加压通道阀门，调节压力室加压设备对试样施加上覆压力至预定值；加压过程中，如果发现气泡，应停止加压，打开排气阀，排出气泡后继续；步骤3：打开试样加压通道阀门，关闭冲刷出口通道阀门，使水充满整个试样盒；步骤4：在冲刷试验前，启动粒子图像测速装置与高速摄像机；步骤5：打开冲刷出口通道阀门，保持试样加压设备加载水头恒定，打开变频水泵，调节试样加压设备加载水头与变频水泵的功率，保证试验过程中试样加压通道、冲刷出口通道及试样盒内被水充满；步骤6：调节试样加压设备的加载水头，观察小直径塑料颗粒运移特征以及大直径塑料颗粒与小直径塑料颗粒界面状况，实时监测并记录入口端流量计、出口端流量计、入口端压力传感器和出口端压力传感器的数据；继续调节试样加压设备的加载水头，并观察接触冲刷现象的产生与发展；步骤7：试验结束后，拆除试样加压设备、压力室加压设备和变频水泵，排出压力室内液体，打开压力室，拆下试样盒；步骤8：倒置试样盒，拆下连接板，收集试样盒出口端被冲出来的有色的小直径塑料颗粒，并根据颗粒颜色判断流失小直径塑料颗粒原来的位置；步骤9：将流失的小直径塑料颗粒烘干后称重，以便计算颗粒流失率。与现有技术相比，本申请的有益效果在于：通过本申请提供的可变上覆压力下土体接触冲刷试验模拟装置，能够对可变上覆压力下不同粗细粒径比土层接触冲刷的发生条件和演变规律进行试验模拟，反映颗粒运移特征和渗蚀演变过程，且在实验室内定性模拟不同粒径比的土颗粒接触冲刷过程，能细观地观测颗粒在不同上覆压力及水头压力条件下的渗蚀破坏机制；而且，本申请的仪器设备构造简单，操作方便，能够快速和高效的对工程土体的工程特性进行评估，为工程的进行提供实用的参数。附图说明图1为本申请实施例提供的可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置的正视图；图2为本申请实施例提供的可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置的俯视图；图3为本申请实施例提供的可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置的左视图。图中：1、底座；2、顶盖；3、压力室螺栓；4压力室侧壁；5、顶盖阀；6排气阀；7、入口端流量计；8、冲刷出口通道阀门；9、试样加压设备；10、试样加压通道本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置，其特征在于：包括压力室、试样盒、试样加压设备(9)、试样加压通道(10)、入口端流量计(7)、试样加压通道阀门(30)、入口端压力传感器(33)、压力室加压设备(12)、压力室加压通道阀门(31)、变频水泵(14)、冲刷出口通道(13)、冲刷出口通道阀门(8)、出口端流量计(32)、出口端压力传感器(28)、图像采集设备；试样盒可拆卸地安装在压力室内；试样盒中可拆卸地设置两个带滤网(16)的多孔隔板(17)，两个多孔隔板(17)将试样盒内部空间依次分隔为试样盒入口端、试样盒装样部和试样盒出口端；试样盒装样部用以盛放试样，且其顶部通过橡胶膜(15)密封；试样包括粗颗粒和细颗粒，细颗粒填装在下，粗颗粒填装在上；粗颗粒的粒径小于试样盒装样部的尺寸并大于多孔隔板(17)的孔径，细颗粒的粒径大于滤网(16)的孔径并小于多孔隔板(17)的孔径；试样盒入口端处的滤网(16)覆盖整个多孔隔板(17)，试样盒出口端处的滤网(16)仅覆盖细颗粒填装部分的多孔隔板(17)；试样盒入口端的顶部安装有入口端压力传感器(33)，试样盒出口端的顶部安装有出口端压力传感器(28)；试样盒入口端通过试样加压通道(10)与压力室外的试样加压设备(9)连通，试样加压通道(10)上安装有入口端流量计(7)和试样加压通道阀门(30)；试样盒出口端通过冲刷出口通道(13)与压力室外的变频水泵(14)连接，冲刷出口通道(13)上安装有冲刷出口通道阀门(8)和出口端流量计(32)；压力室顶部安装有顶盖阀(5)和排气阀(6)，压力室通过压力室加压通道(11)与压力室外的压力室加压设备(12)连通，压力室加压通道(11)上安装有压力室加压通道阀门(31)；压力室侧壁为透明的，图像采集设备设置在压力室侧壁外，其包括粒子图像测速装置(26)、高速摄像机(27)，粒子图像测速装置(26)用以跟踪和测量接触冲刷发生后流场中粒子移动速度，高速摄像机(27)用以记录试验现象。...

【技术特征摘要】
1.一种可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置，其特征在于：包括压力室、试样盒、试样加压设备(9)、试样加压通道(10)、入口端流量计(7)、试样加压通道阀门(30)、入口端压力传感器(33)、压力室加压设备(12)、压力室加压通道阀门(31)、变频水泵(14)、冲刷出口通道(13)、冲刷出口通道阀门(8)、出口端流量计(32)、出口端压力传感器(28)、图像采集设备；试样盒可拆卸地安装在压力室内；试样盒中可拆卸地设置两个带滤网(16)的多孔隔板(17)，两个多孔隔板(17)将试样盒内部空间依次分隔为试样盒入口端、试样盒装样部和试样盒出口端；试样盒装样部用以盛放试样，且其顶部通过橡胶膜(15)密封；试样包括粗颗粒和细颗粒，细颗粒填装在下，粗颗粒填装在上；粗颗粒的粒径小于试样盒装样部的尺寸并大于多孔隔板(17)的孔径，细颗粒的粒径大于滤网(16)的孔径并小于多孔隔板(17)的孔径；试样盒入口端处的滤网(16)覆盖整个多孔隔板(17)，试样盒出口端处的滤网(16)仅覆盖细颗粒填装部分的多孔隔板(17)；试样盒入口端的顶部安装有入口端压力传感器(33)，试样盒出口端的顶部安装有出口端压力传感器(28)；试样盒入口端通过试样加压通道(10)与压力室外的试样加压设备(9)连通，试样加压通道(10)上安装有入口端流量计(7)和试样加压通道阀门(30)；试样盒出口端通过冲刷出口通道(13)与压力室外的变频水泵(14)连接，冲刷出口通道(13)上安装有冲刷出口通道阀门(8)和出口端流量计(32)；压力室顶部安装有顶盖阀(5)和排气阀(6)，压力室通过压力室加压通道(11)与压力室外的压力室加压设备(12)连通，压力室加压通道(11)上安装有压力室加压通道阀门(31)；压力室侧壁为透明的，图像采集设备设置在压力室侧壁外，其包括粒子图像测速装置(26)、高速摄像机(27)，粒子图像测速装置(26)用以跟踪和测量接触冲刷发生后流场中粒子移动速度，高速摄像机(27)用以记录试验现象。2.根据权利要求1所述的可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置，其特征在于：压力室包括底座(1)、顶盖(2)、压力室螺栓(3)、压力室侧壁(4)；顶盖(2)上安装顶盖阀(5)和排气阀(6)，顶盖(2)下方安装压力室侧壁(4)，顶盖(2)通过压力室螺栓(3)与底座(1)连接；底座(1)为凸台结构，凸台结构的中央为试样盒承台，凸台结构的外缘依次连接压力室侧壁(4)和压力室螺栓(3)；压力室侧壁(4)与凸台结构的连接处设置有橡胶垫片(29)，橡胶垫片(29)内嵌在凸台结构中。3.根据权利要求1所述的可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置，其特征在于：试样盒包括试样盒侧壁(19)、连接板(23)；试样盒侧壁(19)安装在连接板(23)上，且试样盒侧壁(19)与连接板(23)之间设置有止水橡胶(22)；连接板(23)可拆卸地安装在底座(1)上。4.根据权利要求3所述的可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置，其特征在于：试样盒侧壁上设置有插槽，两个多孔隔板(17)通过插槽可拆卸...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琛，张力，梁发云，赵高文，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31