一种多功能渗透管涌测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种多功能渗透管涌测试装置及方法，测试装置包括试验箱系统、供水调节系统、加载系统、测量系统和出水系统，试验箱系统包括试样筒、顶盖、透水板和下移板，待测土样放置于透水板与下移板之间，加载系统与下移板相连给试样筒中的土样加压；出水系统包括导流管、固液分离箱、下游水箱和量杯，观察室通过导流管与依次串联的若干固液分离箱、下游水箱、量杯依次相连通；测量系统包括流量计、孔压传感器、位移传感器、重量传感器、浊度传感器和数据采集器。本发明专利技术能够在土体接近实际工程状态下更加省时省力获取土体的渗透系数、土体发生相变的临界水力梯度以及管涌发生过程中各类参数指标，有利于土体管涌破坏机理的研究。有利于土体管涌破坏机理的研究。有利于土体管涌破坏机理的研究。

【技术实现步骤摘要】
一种多功能渗透管涌测试装置及方法


[0001]本专利技术涉及土工参数室内测试设备
，特别涉及应用于水利工程及岩土工程中的一种多功能渗透管涌测试装置及方法。

技术介绍

[0002]渗流是指液体在多孔介质中运动的现象，水在土孔隙中的流动必然会引起土体中应力状态的改变，从而使土的变形强度发生变化。渗流能够直接影响到各种土工建筑物的稳定和安全，据统计，世界上超30％的溃坝失事是由于渗漏和管涌引起的，另外，滑坡、隧道开挖过程等的失稳破坏多数也与渗流有关，因此研究土的渗透性，掌握水在土中的渗透规律以及土体渗透破坏机理具有重要的理论价值和现实意义。
[0003]对土体渗透性的表征一个重要的定量指标是渗透系数，现行土工试验规程针对砂性土、粘性土分别推荐使用常水头、变水头试验测定渗透系数，常规的渗透试验存在3个方面不足：1)渗透仪尺寸较小，不可避免遇到尺寸效应；2)无法考虑土体实际应力状态；3)供水浪费资源空间，常水头试验需持续向试验筒注水来保持稳定水位，造成水资源浪费，变水头试验需要较大的水头差，对测试空间及设备要求较高，且试验时间长、效率低、操作不便，费时耗力。
[0004]流土和管涌是土体渗透破坏的两种主要形式，在一定水力梯度作用下，土体中的细颗粒沿土骨架颗粒形成的孔隙被带出边界面的现象，称为管涌，而边界面附近土体的整体悬浮、移动现象，称为流土。管涌主要发生在砂性土中，是一种渐进破坏过程，往往伴随细颗粒不断流失、土体内部不断被侵蚀，孔隙率不断变化，土体结构性不断弱化，渗透性不断增大的过程。对于土体管涌破坏的研究，国内外已开展了一些探索性工作，但仍存在几方面不足：1)研究一般针对砂性土，相对于砂性土来说，粘性土的临界水力梯度很大程度上取决于其矿物特性、物理化学特性以及结构特性等，而非颗粒级配，目前对于粘性土临界水力梯度的测定装置及测定方法也没有统一的规范，且在实际工程中也很难进行试验，往往依靠经验确定，存在较大的误差；2)常规试验装置受尺寸及观测限制，对管涌的研究往往只停留在获取其相变的临界条件，即获取管涌发生的临界水力梯度，而由于上体本身的非均质性和各向异性，以及外部应力条件和水力条件的复杂性，仅通过临界水力梯度无法获得表征实际管涌发生过程的相关参数，无法表征管涌形成过程的细观机理。
[0005]综上所述，以往的渗透管涌试验装置及方法仍存在一些不足，对土体渗透性的表征和渗透管涌破坏的研究往往是割裂分开的，且对管涌的发展过程仍缺乏合理的定量研究，这使得人们对土体渗透规律、渗透管涌破坏发展过程及机理缺乏一个完整、全面、系统的认识。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种多功能渗透管涌测试装置，以及采用该测试装置进行渗透管涌测试的方法，采用该装置和方法能够完整、全面、系统地
表征土体渗透规律及渗透破坏现象，即能实现以下功能：1)省时省力地得到土体真实可信的渗透系数；2)获取土体发生相变的临界水力梯度；3)获取管涌发生过程中各类参数指标，如颗粒流失量、孔隙率的变化过程，为土体管涌破坏机理的研究提供有利的理论支持，也为各大工程的防渗设计提供合理有效的参数。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案来实现的：
[0008]一种多功能渗透管涌测试装置，包括试验箱系统、供水调节系统、加载系统、测量系统和出水系统。
[0009]所述试验箱系统包括试样筒、顶盖、透水板和下移板，所述试样筒用于装载试验土样，所述顶盖固定在试样筒的顶部，所述顶盖上设置有排气孔，用于前期管路及试样中残留气体排出；所述透水板设置在所述试样筒内且位于所述顶盖的下方，透水板上均布有若干透水孔，试样筒内顶盖与透水板之间的空间形成观察室，用于观察管涌过程中的水砂涌出情况，所述观察室的侧壁上设置有溢水口；所述下移板设置在所述试样筒的底部且可沿试样筒上下移动，待测土样放置于所述透水板与下移板之间，土样的上表面与透水板相接触，土样的下表面与下移板相接触，下移板与试样筒的内壁紧密贴合。试样筒、顶盖和下移板可由透明材料制成，如亚克力材料，一方面便于观察试验过程土样的变化情况，另一方面可在试验结束后，直接将土样仓用于CT、核磁共振试验等。
[0010]所述供水调节系统通过管道与所述下移板上的进水口相连通，以向试样筒中供给设定压力的试验用水。所述加载系统与所述下移板相连，用于推动下移板沿着试样筒上移，以给试样筒中的土样加压。
[0011]所述出水系统包括导流管、固液分离箱、下游水箱和量杯，所述导流管的一端与所述观察室的溢水口相连通，另一端与依次串联的若干固液分离箱相连通，所述固液分离箱的进水口设置在上部，出水口设置在下部，固液分离箱内设置有过滤网，若干串联的固液分离箱中过滤网的孔径依次减小；最后一个固液分离箱的出水口与所述下游水箱相连，下游水箱的上部设置有溢流口，所述溢流口通过管道与所述量杯相连通；由观察室溢水口流出的水土依次经串联的若干固液分离箱过滤后进入下游水箱，再经下游水箱进入量杯中。
[0012]所述测量系统包括流量计、孔压传感器、摄像头和数据采集器，所述流量计设置在下游水箱与量杯之间的管道上，用于测量试验过程中某一时间段内涌出的水量；若干所述的孔压传感器沿试样筒的高度方向间隔布置，用于测量试样筒内不同高度处的孔隙水压力；所述摄像头设置在所述试验箱系统和出水系统处，用于监测试验过程中试验箱系统和出水系统的变化情况；所述数据采集器通过数据线分别与流量计、孔压传感器、摄像头连接，以采集各传感器的数据信息。
[0013]进一步地，所述测量系统还包括位移传感器、重量传感器和浊度传感器，所述位移传感器设置于所述下移板处，用于测量下移板移动的距离；所述重量传感器设置在各所述固液分离箱和下游水箱的底部，用于实时测量管涌过程中涌出的不同粒径颗粒流失情况；所述浊度传感器通过所述排气孔进入所述观察室中，用于测量试验过程中涌出水的浑浊度变化，以判别土体相变的发生；所述位移传感器、重量传感器和浊度传感器分别通过数据线与所述数据采集器相连。
[0014]进一步地，所述固液分离箱有相互串联的四个，孔径依次为0.5mm、0.25mm、0.075mm、0.005mm；所述试样筒的内径大于或等于待测土体最大粒径的10倍，试样筒的高度
大于或等于试样筒内径的两倍；所述透水孔的孔径为8mm。
[0015]进一步地，所述加载系统包括气缸、第一空气压缩机和加载调压阀，所述气缸的伸缩杆与所述下移板相连，所述第一空气压缩机通过所述加载调压阀与气缸的进气孔相连，气缸推动下移板沿着试样筒上移，以给试样筒中的土样施加目标轴压。
[0016]进一步地，还包括固定支架，所述固定支架包括上顶板、下底板、立柱、支撑架和固定螺栓，所述上顶板和下底板分别通过固定螺栓与竖直设置的两条所述立柱连接，所述气缸设置在所述下底板上；所述顶盖上设置有定位柱，所述上顶板上设置有与所述定位柱相适配的定位孔，所述试验箱系统通过顶盖上的定位柱与上顶板上的定位孔的配合(定位柱穿入定位孔中)而定位；所述试样筒固定在所述支撑架上，所述支撑架通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多功能渗透管涌测试装置，其特征在于，包括试验箱系统、供水调节系统、加载系统、测量系统和出水系统；所述试验箱系统包括试样筒、顶盖、透水板和下移板，所述试样筒用于装载试验土样，所述顶盖固定在所述试样筒的顶部，所述顶盖上设置有排气孔，用于前期管路及试样中残留气体排出；所述透水板设置在所述试样筒内且位于所述顶盖的下方，透水板上均布有若干透水孔，试样筒内顶盖与透水板之间的空间形成观察室，用于观察管涌过程中的水砂涌出情况，所述观察室的侧壁上设置有溢水口；所述下移板设置在所述试样筒的底部且可沿试样筒上下移动，待测土样放置于所述透水板与下移板之间，土样的上表面与透水板相接触，土样的下表面与下移板相接触，下移板与试样筒的内壁紧密贴合；所述供水调节系统通过管道与所述下移板上的进水口相连通，以向试样筒中供给设定压力的试验用水；所述加载系统与所述下移板相连，用于推动下移板沿着试样筒上移，以给试样筒中的土样施加轴向压力；所述出水系统包括导流管、固液分离箱、下游水箱和量杯，所述导流管的一端与所述观察室的溢水口相连通，另一端与依次串联的若干固液分离箱相连通，所述固液分离箱的进水口设置在上部，出水口设置在下部，固液分离箱内设置有过滤网，若干串联的固液分离箱中过滤网的孔径依次减小；最后一个固液分离箱的出水口与所述下游水箱相连，下游水箱的上部设置有溢流口，所述溢流口通过管道与所述量杯相连通；所述测量系统包括流量计、孔压传感器、摄像头和数据采集器，所述流量计设置在下游水箱与量杯之间的管道上，用于测量试验过程中某一时间段内涌出的水量；若干所述的孔压传感器沿试样筒的高度方向间隔布置，用于测量试样筒内不同高度处的孔隙水压力；所述摄像头设置在所述试验箱系统和出水系统处，用于监测试验过程中试验箱系统和出水系统的变化情况；所述数据采集器通过数据线分别与孔压传感器、流量计、摄像头连接，以采集数据信息。2.根据权利要求1所述的一种多功能渗透管涌测试装置，其特征在于，所述测量系统还包括位移传感器、重量传感器和浊度传感器，所述位移传感器设置于所述下移板处，用于测量下移板移动的距离；所述重量传感器设置在各所述的固液分离箱和下游水箱的底部，用于实时测量管涌过程中涌出的不同粒径颗粒流失情况；所述浊度传感器通过所述排气孔进入所述观察室中，用于测量试验过程中涌出水的浑浊度变化，以判别土体相变的发生；所述位移传感器、重量传感器和浊度传感器分别通过数据线与所述数据采集器相连。3.根据权利要求1所述的一种多功能渗透管涌测试装置，其特征在于，所述固液分离箱有相互串联的四个，孔径依次为0.5mm、0.25mm、0.075mm、0.005mm；所述试样筒的内径大于或等于待测土体最大粒径的10倍，试样筒的高度大于或等于试样筒内径的两倍；所述透水孔的孔径为8mm。4.根据权利要求1所述的一种多功能渗透管涌测试装置，其特征在于，所述加载系统包括气缸、第一空气压缩机和加载调压阀，所述气缸的伸缩杆与所述下移板相连，所述第一空气压缩机通过所述加载调压阀与气缸的进气孔相连，气缸推动下移板沿着试样筒上移，以给试样筒中的土样施加目标轴压。5.根据权利要求4所述的一种多功能渗透管涌测试装置，其特征在于，还包括固定支架，所述固定支架包括上顶板、下底板、立柱、支撑架和固定螺栓，所述上顶板和下底板分别
通过所述固定螺栓与竖直设置的两条所述立柱连接，所述气缸设置在所述下底板上；所述顶盖上设置有定位柱，所述上顶板上设置有与所述定位柱相适配的定位孔，所述试验箱系统通过顶盖上的定位柱与上顶板上的定位孔的配合而定位；所述试样筒固定在所述支撑架上，所述支撑架通过固定螺栓固定在两条所述立柱上。6.根据权利要求1所述的一种多功能渗透管涌测试装置，其特征在于，所述供水调节系统包括供水箱、第二空气压缩机和压力罐，所述压力罐用于向试样筒中供给设定压力的试验用水，所述供水箱的出水口通过管道与所述压力罐的进水口相连通，压力罐的出水口通过管道与所述下移板的进水口相连通，所述第二空气压缩机通过供气调压阀与压力罐的进气孔相连通；所述供水箱与压力罐之间的管道、压力罐与下移板之间的管道上均设置有进出水控制阀，用于控制进出水的开合和流速；所述压力罐与下移板之间的管道上还设置有压力表、降压阀和供水调压阀，所述压力表用于检测压力罐输出的水压大小，所述降压阀用于使压力罐输出的水压降低以保持稳压供应，所述供水调压阀用于调节水压至准确的目标水压。7.根据权利要求1所述的一种多功能渗透管涌测试装置，其特征在于，所述顶盖为上部封闭、下部开口的筒体状，筒体开口端靠近中空内侧设置有环形的下沉台阶，筒体开口端的外侧设置有法兰盘，所述试样筒上与顶盖相连的位置处亦设置有法兰盘，顶盖与试样筒通过所述法兰盘密封相连，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘继强，郑文曦，罗兴财，兰作火，刘厚朴，肖自卫，乔世杰，赵余，周小文，陈议城，万恬，
申请(专利权)人：中铁南方东莞投资有限公司华南理工大学，
类型：发明
国别省市：