一种碎石土声发射三轴渗蚀试验装置及其试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种碎石土声发射三轴渗蚀试验装置，包括渗透侵蚀三轴试验系统，围压加载系统，土水分离系统，压力水供给系统，声发射采集系统和孔压采集系统；可实现土样渗流侵蚀、轴压和围压的加载、土水混合物收集和分离、不同等级的渗透压力的施加、细颗粒渗流路径和粗颗粒破碎及损伤位置的监测、孔隙水压力和声发射累计能量等数据信息的实时采集等功能。不仅能够模拟多级水头及复杂应力条件下的侵蚀环境，而且还能实时监测在侵蚀过程细颗粒的渗流路径、侵蚀发展过程以及中碎石土的破碎和损伤情况。为后续分析碎石土水力、应力应变、剪胀、损伤和临界状态等特性与内侵蚀演化过程间的响应规律等科学问题提供了基础。的响应规律等科学问题提供了基础。的响应规律等科学问题提供了基础。

【技术实现步骤摘要】
一种碎石土声发射三轴渗蚀试验装置及其试验方法


[0001]本专利技术涉及土木工程试验设备
，具体设计一种碎石土声发射三轴渗蚀试验装置及其试验方法。

技术介绍

[0002]碎石土作为土石坝和高边坡工程的构筑材料，其松散的特性形成了复杂的孔隙结构极易发生内部侵蚀。而在水力作用下(如蓄水或强降雨)，细颗粒极易穿过粗颗粒所形成的骨架而发生内部侵蚀。应力作用(如地震作用)导致的碎石土颗粒发生破碎产生细颗粒，颗粒粒径的变化使土体内部结构不断进行调整，进而影响内部侵蚀作用。水力和应力作用会使碎石土级配不断发生改变，细颗粒的流失会引起颗粒重排，影响颗粒之间的接触，造成土体物理力学性质和微细观结构改变，进而影响土体的渗透特性及强度特性，导致土体内部侵蚀破坏，严重影响着实际工程主体的安全稳定。
[0003]关于目前的渗流侵蚀装置，近年来国内外学者做了大量的研究，并研制了较为丰富的试验器材。如Sanchez等首次开创性地将三轴试验仪的围压控制系统引入侵蚀试验装置的设计中，研制出可供研究模拟周围压力条件下土体侵蚀规律的侵蚀试验装置；罗玉龙等研制渗流
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侵蚀
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应力耦合管涌试验装置，该装置可模拟无围压和三轴受压的管涌试验；陈星欣等在常规三轴试验装置的基础上，改装研制了一种新型柔性壁三轴试验装置，来模拟砂土中的集中渗漏现象；陈锐等自主研制了一套垂直应力加载用下的水平渗透仪，研究了间断级配砂土的潜蚀现象。但在研究高应力和渗流耦合问题时，目前有关渗透侵蚀装置对试样细颗粒迁移路径和粗颗粒破碎以及损伤程度无法监测，很难深入的研究应力
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破碎
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渗流耦合作用下的土体渗透破坏问题。因此，开发一种碎石土声发射三轴渗蚀试验装置及其试验方法，是申请人关注的课题之一。

技术实现思路

[0004]为了解决传统渗流侵蚀装置无法有效研究应力
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破碎
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渗流耦合作用下的土体渗透侵蚀破坏的技术问题，本专利技术的目的在于，提供一种碎石土声发射三轴渗蚀试验装置及其渗蚀试验方法，通过所述碎石土声发射三轴渗蚀试验装置可提供多级渗透水压和三向压力，来模拟出土体真实的侵蚀环境；同时结合声发射同步监测技术，根据实时声发射信号，来获取碎石土在三轴渗流状态下细颗粒(包括原级配细颗粒和破碎产生的细颗粒)的迁移路径、侵蚀细颗粒的质量及粗颗粒损伤破碎具体位置，来更好的研究应力
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破碎
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渗流耦合作用下碎石土强度变形特性以及临界状态问题，可为碎石土边坡及土石坝等堆积体破坏机理和安全稳定性分析提供科学依据。
[0005]为了实现上述任务，本专利技术涉及的碎石土声发射三轴渗蚀试验装置和试验方法是通过以下技术解决予以方案实现：
[0006]一种碎石土声发射三轴渗蚀试验装置，包括渗透侵蚀三轴试验系统、围压加载系统、土水分离装置、压力水供给系统、声发射采集系统和孔压采集系统；其中：
[0007]所述渗透侵蚀三轴试验系统包括：压力传感器、轴压加载杆、LVDT位移传感器、带槽试样帽、试样盛放腔、压力室、多孔筛板、沉积漏斗以及沉积漏斗基座等，此系统是完成土样渗流侵蚀、应力加载、水力数据和声发射信号接收的重要系统。
[0008]所述试样盛放腔设置于压力室的中部，用来盛放碎石土试样，试样盛放腔与压力室之间具有一定间隙用来实现周围压力的施加。
[0009]所述带槽试样帽在试样盛放腔上部，试样帽直径略大于试样直径，试样帽上部进水口与压力水供给系统的水气交换罐底部出水口相连接。
[0010]所述轴压加载杆设置于试样盛放腔的上部，上部连接有压力传感器，用于接收和传递压力信号，左侧壁附有LVDT，实时记录试样在轴向位移的变形。
[0011]所述试样盛放腔的顶部和底部各设置一多孔筛板，用来实现自上而下以及自下而上两种渗流方式的均匀渗流。
[0012]所述多孔透水板与待测土样接触的一侧设有细滤网，滤网孔径为1.5mm；沉积漏斗基座设置于渗透侵蚀室的底部。所述沉积漏斗基座与试样盛放腔之间设有沉积漏斗，侵蚀细颗粒穿过细滤网经沉积漏斗沉淀后流入土水分离装置的分离筒当中。所述围压加载系统包括压力/体积转换器、自由伸缩杆、位移传感器和底座，此系统可为土样提供不同的等级的围压。其中：
[0013]所述压力/体积转换器尾端设置有排气孔、进水口和出水口。所述出水口与压力室进水口相连接。所述自由伸缩杆与压力/体积转换器平行放置通过螺丝与底座相连接，上侧壁连接一位移传感器。
[0014]所述土水分离系统包括分离筒、集水桶和流量计和水平电子秤，此系统用来实现土颗粒和流出液的分离，实现对侵蚀细颗粒的测量；其中：
[0015]所述的分离筒与沉降漏斗通过PU管相连接，并设置流量计来纪录流量Q。土水混合物经过分离筒底部细滤网实现土水分离，侵蚀的细颗粒在分离筒的细滤网中沉积，多余的水通过PU管排至于收集筒中；
[0016]所述分离筒和收集筒下端均设有水平电子秤，用来测量每段时间间隔侵蚀细颗粒和流出水的质量。
[0017]所述压力水供给系统包括水气交换罐、空气压缩机、调压阀和控制阀门，此系统可提供多级渗流压力，其中：
[0018]所述水气交换罐的出水口与渗透侵蚀系统中带槽试样帽通过控制阀门相连接。所述空气压缩机通过控制阀门和调压阀与水气交换罐进气口相连接，此系统用于提供水气交换罐内反压控制以及试样盛放腔内渗透压力的加载。
[0019]所述声发射系统包括声发射传感器、高清摄像采集器、放大器、声发射采集器、声发射数据连接线和数据处理系统，此系统用于获取碎石土在应力渗流状态下内部细颗粒迁移过程以及粗颗粒损伤破碎的发生情况，其中：
[0020]所述声发射传感器固定在盛放腔外壁中部并紧贴橡胶套的外壁面，并左右各放置一个探头，主要对碎石土三轴渗蚀过程中粗颗粒产生的损伤及破碎和细颗粒渗流移动的声发射信号进行接收和传递作用；一方面实现对细颗粒土体在渗流作用下的迁移所产生的声发射信号进行监测及传递；另一方面实现对粗颗粒破碎及损伤的声发射信号进行监测和传递。
[0021]将所述声发射传感器与前置放大器连接，对所述采集到的微弱声发射信号进行放大并去除噪声干扰，再将前置放大器的输出信号经过采集器进行处理，将声发射信号转换为数字量；数字量再通过高清摄像采集器处理后进行对侵蚀细颗粒的渗流路径和粗颗粒破碎及损伤位置实时记录。更深入了解应力
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渗流
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破碎耦合作用下碎石土内部侵蚀的变化机制。
[0022]所述孔压采集系统包括：孔压传感器、孔压采集器、数据处理系统和孔压数据连接线；此系统主要记录不同深度的孔隙水压力的大小，经过计算后可获得每时间段的局部水力梯度和全局水力梯度，其中：
[0023]所述孔压传感器等间距布置在试样盛放腔的橡胶套的外壁面，通过数据连接线把孔压传感器于孔压采集器相连接，由孔压采集器将信号处理后的每一时间段的孔隙水压力数据传递到数据分析系统当中，所述数据分析系统装有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碎石土声发射三轴渗蚀试验装置，其特征在于，包括渗透侵蚀三轴试验系统，围压加载系统，土水分离系统，压力水供给系统、声发射采集系统和孔压采集系统；其中：所述渗透侵蚀三轴试验系统包括：压力传感器、轴压加载杆、LVDT位移传感器、带槽试样帽、试样盛放腔、多孔透水板、沉积漏斗以及沉积漏斗基座；用于作为渗透侵蚀的试验室、轴向位移的监测以及轴向力的加载，其中：所述试样盛放腔设置于压力室的中部，用来盛放碎石土试样，试样盛放腔与压力室之间存在一定间隙用来实现周围压力的施加；所述带槽试样帽在试样盛放腔上部，其直径略大于试样直径，带槽试样帽上部进水口与压力水供给系统的水气交换罐底部出水口相连接；所述轴压加载杆设置于带槽试样帽的上部，在带槽试样帽上部连接有用于接收和传递压力信号的压力传感器；所述轴压加载杆左侧壁附有LVDT位移传感器，用于记录试样在轴向位移的变形；所述试样盛放腔的顶部和底部各设置一多孔筛板，上下布置的多孔筛板用于实现自上而下以及自下而上两种渗流方式的均匀渗流；所述多孔透水板与待测土样接触的一侧设有细滤网，细滤网的孔径为1.5mm；所述沉积漏斗位于多孔透水板的下方，沉积漏斗下方设置沉积漏斗基座；所述围压加载系统包括：压力/体积转换器进水口、压力/体积转换器排气口、压力/体积转换器、自由伸缩杆、位移传感器、压力/体积转换器出水口和底座，用于为试验土样提供多级周围压力，模拟出土体真实的受力情况，其中：所述压力/体积转换器尾端设置压力/体积转换器排气孔、压力/体积转换器进水口和压力/体积转换器出水口，压力/体积转换器出水口与压力室进水口相连接；所述自由伸缩杆与压力/体积转换器平行放置通过螺丝与底座相连接，自由伸缩杆上侧壁连接一位移传感器；所述土水分离系统包括：分离筒、集水筒、流量计和水平电子秤，用于实现流出液体和侵蚀土颗粒分离，以及在试验过程中实时记录侵蚀细颗粒质量和渗出水流量，其中：所述的分离筒与沉降漏斗通过PU管相连接，并设置流量计来纪录流量，土水混合物经过分离筒底部的细滤网实现土水分离，侵蚀的细颗粒在分离筒的细滤网中沉积，多余的水通过PU管排至于收集筒中；所述分离筒和收集筒下端均设置水平电子秤，用来测量每段时间间隔侵蚀细颗粒和流出水的质量；所述压力水供给系统包括：空气压缩机、水气交换罐、调压阀、控制阀门、水气交换罐进气口、水气交换罐排气口和水气交换罐出水口；用于调节高压气体的压强来提供多级水头的渗透压力，其中：所述水气交换罐的出水口与试样帽进水口通过控制阀门相连接；所述空气压缩机通过控制阀门以及调压阀与水气交换罐的进气口相连通；所述声发射采集系统包括：声发射传感器、声发射数据线、前置放大器、声发射采集器、高清摄像采集器和数据处理系统，用于实现对细颗粒迁移过程的动态变化进行实时监测，且监测粗颗粒破碎质量及破碎细颗粒侵蚀质量的声发射信号；其中：所述声发射传感器与前置放大器连接，前置放大器将采集到的微弱声发射信号进行放
大并去除噪声干扰，再将输出信号进行滤波处理，处理后的输出信号通过声发射采集器将声发射信号转换为数字量后传递到高清摄像采集器和数据分析系统；所述孔压采集系统包括：孔压传感器、孔压采集器、数据处理系统和孔压数据连接线...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟敏强，张硕，段骁育，孙增春，杨秀娟，樊恒辉，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：