一种考虑土体渗蚀的可嵌入界面环剪仪的渗流模块的制作方法

本发明涉及一种渗流模块，尤其涉及一种可考虑土体渗蚀-剪切耦合作用的渗流模块，该渗流模块可嵌入界面环剪仪以探究界面土体发生渗流之后与界面之间的剪切特性。

背景技术：

吸力锚是一种大型的圆柱薄壁钢制结构，由于其定位精确、经济性强、施工方便、可重复利用等优点，目前在深海系泊工程中应用广泛。吸力锚在安装时向桶内抽水形成负压，此时在筒壁附近将形成渗流场，在此作用下筒壁附近土体内部的细颗粒有可能被带走，使得土体与筒壁之间的界面强度的降低，因此降低吸力锚在服役时的上拔承载力。然而目前没有相关的实验设备和技术能够检测和评估渗流对界面强度的影响。

环剪仪是一种较好的界面强度测试仪器。与直剪仪和单剪仪相比，环剪仪具有诸多优点，如能够实现无限剪切位移、无应力不均匀现象、试验过程中能够保持剪切面积一定等，目前被广泛用于测量土与结构界面(如钢、混凝土、土工合成材料等)的剪切强度特征。

为了更好地研究土体渗流-剪切耦合作用对界面强度的影响，探究吸力桶基础安装之后土体发生渗流后剪切强度的变化，特研制出此模块，将该模块与已有的环剪仪组合以评估渗流对界面强度的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于开发出一种考虑土体渗蚀的可嵌入界面环剪仪的渗流模块，它可嵌入到已有环剪仪中，探究渗流作用对界面强度的影响。将该渗流模块与常规环剪仪结合起来，能模拟海洋吸力桶外侧土体在发生渗流后与钢界面的剪切作用。

本发明采取以下技术方案：

一种考虑土体渗蚀的可嵌入界面环剪仪的渗流模块，界面环剪仪包括均呈环状的上剪切盒、下剪切盒；所述的上剪切盒的内外环均为多孔材料；所述的渗流模块包括无内环壁的环形圆柱体、渗流压力调控系统、顶板、底板、进水管路、出水管路、第一阀门、第二阀门、沉淀槽、滤网、水压力传感器、电磁流量计、孔压传感器；当嵌入界面环剪仪时，环形圆柱体紧密套设在上、下剪切盒外，顶板紧密设于上剪切盒内环顶部，底板紧密设于下剪切盒内环底部，在顶板、底板、上剪切盒的内环、下剪切盒的内环之间形成密闭的内压腔，在环形圆柱体、上剪切盒的外环、下剪切盒的外环之间形成密闭的外压腔，内压腔通过进水管路与渗流压力调控系统相连，进水管路上设有水压力传感器、电磁流量计、第一阀门，通过渗流压力调控系统可实现土体渗流压力和水流量的精准双控；外压腔通过出水管路与渗流压力调控系统连接，出水管路上依次设有第二阀门、沉淀槽、滤网，可实现压力渗流下的土体细颗粒收集；孔压传感器设置在上剪切盒外环壁上用于监测土体孔压。

上述技术方案中，进一步的，所述的下剪切盒的内、外环壁、顶板、底板均采用钢材。

进一步的，所述的环形圆柱体由两个半环柱拼接螺栓紧固而成，所述的半环柱不具有内环壁，在两个半环柱拼接处以及在环形圆柱体与上、下剪切盒接触处均设有挤压止水带，实现密封。

进一步的，所述的挤压止水带为橡胶材质，表面均匀设有若干截面呈方形的凸起；在挤压过程中，凸起会变形，进而保证无渗漏出现。在两个半环柱拼接处采用槽形挤压止水带，在环形圆柱体与上、下剪切盒接触处采用环形挤压止水带。

进一步的，所述的顶板与上剪切盒的内环间采用焊接，底板与下剪切盒内环间采用焊接，实现密封。

进一步的，所述的进水管路从顶板中心处接入内压腔。

进一步的，所述的孔压传感器探头埋设于上剪切盒内部，且孔压传感器穿过环形圆柱体外壁，在外压腔外部读数，监测土体孔压。

进一步的，所述的底板上开有排水孔，渗流时关闭该排水孔，渗流结束后打开进行排水。

进一步的，所述的沉淀槽中放置一套标准筛，孔径由上至下依次为10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.075mm，用于量化具体渗蚀量。

进一步的，在所述的上剪切盒内中部沿上剪切盒内壁周向均匀布置4对弯曲元，用于测试渗流-剪切耦合作用前后砂土的剪切模量；上剪切盒内上部、中部和底部沿上剪切盒内壁周向还各均匀布置有4个土压力计，用于测试渗流-剪切耦合作用前后的土压力及其沿深度分布，位于中部的4个土压力计与4对弯曲元沿上剪切盒内壁周向均匀交替分布。

本发明中，所述的水压力传感器采用高精度水压力传感器、土压力计采用高精度土压力计。

本发明的渗流模块均可在需要进行渗流时进行安装嵌入环剪仪。在进行土体渗流-剪切耦合试验模拟研究吸力桶壁处的土体时，先将无内环壁的环形圆柱体由螺栓拼接，安装顶板、底板，与上、下剪切盒组装形成内、外压腔，并进行密封性检查，保证水密性良好。将流量及渗流压力调为定值，打开进水管路上第一阀门，当内压腔压力为恒定值后打开出水管路上第二阀门进行土体渗流。当渗流结束后，可将外压腔拆除后进行界面剪切，研究其界面强度的变化。

本发明有益效果是：

本发明的渗流模块可嵌入环剪仪中，考虑了土体渗流作用，实现土体渗流-剪切耦合作用的实时状态量的监测。另外，该模块可拆卸，使该装置使用起来更加方便。

附图说明

图1是渗流-环剪结构图；

图2是渗流模块正视图；

图3是渗流模块俯视图；

图4是外压腔拼接示意图；

图5内压腔剖面图；

图6是止水带剖面图；

图7是标准筛布置主(侧)视图；

图8是弯曲元布置主(侧)视图；

图9是高精度土压力计布置主(侧)视图；

其中，1内压腔、2外压腔、3进水管路、4出水管路、5第一阀门、6第二阀门、7沉淀槽、8滤网、9渗流压力调控系统、10高精度水压力传感器、11电磁流量计、12孔压传感器、13上剪切盒、14下剪切盒、15顶板、16底板、17环形圆柱体、18螺栓、19挤压止水带、20排水孔、21标准筛、22高精度土压力计、23弯曲元。

具体实施方式

本发明的考虑土体渗蚀作用的可嵌入界面环剪仪的渗流模块，可嵌入环剪仪本体进行使用，环剪仪本体包括均呈环状的上剪切盒13、下剪切盒14；

如图1-3所示，所述的渗流模块包括无内环壁的环形圆柱体17、渗流压力调控系统9、顶板15、底板16、进水管路3、出水管路4、第一阀门5、第二阀门6、沉淀槽7、滤网8、水压力传感器10、电磁流量计11、孔压传感器12；当嵌入界面环剪仪时，环形圆柱体17紧密套设在上、下剪切盒外，顶板15紧密设于上剪切盒13内环顶部，底板16紧密设于下剪切盒14内环底部，在顶板15、底板16、上剪切盒的内环、下剪切盒的内环之间形成密闭的内压腔1，在环形圆柱体17、上剪切盒的外环、下剪切盒的外环之间形成密闭的外压腔2，内压腔1通过进水管路3与渗流压力调控系统9相连，进水管路3上设有水压力传感器10、电磁流量计11、第一阀门5，外压腔2通过出水管路4与渗流压力调控系统9连接，出水管路4上依次设有第二阀门6、沉淀槽7、滤网8；孔压传感器12设置在上剪切盒13外环壁上用于监测土体孔压。作为一个具体实施例，上下剪切盒的内、外环直径可以分别为200、300mm，外压腔的宽度可以为100mm。所述渗流模块可由渗流压力调控系统对土体施加0～300kpa的渗流压力。

上述技术方案中，所述的上剪切盒13的内环壁、外环壁均采用多孔介质材料，仅能透水及细小土颗粒，防止大颗粒的流出，其孔隙取决于试验中砂的颗粒级配；下剪切盒14内、外环壁、顶板15、底板16均采用钢材。在上剪切盒13外环壁上还设有孔压传感器12，传感器探头埋设在上剪切盒内，孔压传感器12穿过环形圆柱体17外壁，在外压腔外部读数，监测土体孔压。

所述的环形圆柱体17由两个半环柱拼接螺栓紧固而成，所述的半环柱不具有内环壁，在两个半环柱拼接处以及在环形圆柱体17与上、下剪切盒接触处均设有挤压止水带19，实现密封。所述的挤压止水带19为橡胶材质，表面均匀设有若干截面呈方形的凸条；在两个半环柱拼接处采用槽形挤压止水带，在环形圆柱体17与上、下剪切盒接触处采用环形挤压止水带，如图4所示。

所述的顶板15与上剪切盒13的内环间、底板16与下剪切盒14内环间都可以采用焊接实现密封。

所述的进水管路3从顶板15中心处接入内压腔1。所述的底板16上可以开有排水孔20，渗流时关闭该排水孔，渗流结束后打开进行排水。

所述的沉淀槽7中放置一套标准筛，孔径由上至下依次为10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.075mm，用于量化具体渗蚀量，如图7所示。

在所述的上剪切盒13内中部沿上剪切盒内壁周向均匀布置4对弯曲元23，用于测试渗流-剪切耦合作用前后砂土的剪切模量；上剪切盒13内上部、中部和底部沿上剪切盒内壁周向还各均匀布置有4个土压力计22，用于测试渗流-剪切耦合作用前后的土压力及其沿深度分布，位于中部的4个土压力计与4对弯曲元沿上剪切盒内壁周向均匀交替分布，如图8、9所示。

在进行土体渗流-剪切耦合试验模拟时，应先进行土体渗流，在渗流结束后再进行环剪。

先将两块无内环壁的半环柱用螺栓18拼接成无内环壁的环形圆柱体17，进而与上下剪切盒外壁连接，密封形成外压腔2，安装顶板15、底板16，形成密闭的内压腔1，连接进水管路、出水管路，通过出水管路4与沉淀槽7、渗流压力调控系统9相连，并进行密封性检查。将内压腔1通过进水管路3与渗流压力调控系统9相连，通过渗流压力调控系统9将流量及渗流压力调为定值，打开进水管路3上的第一阀门5，当内压腔1压力为恒定值后打开出水管路4上的第二阀门6进行土体渗流，并通过孔压传感器12实时监测土体孔压的变化。当渗流结束后，关闭进水管路3上的第一阀门5，再关闭出水管路4上的第二阀门6，同时打开内压腔1底部的排水孔20，排出内压腔的水。

在渗流及剪切过程中，实时监测土体的剪切波速及土压力，得到土体的剪切模量及土压力随时间的变化规律。收集沉淀槽7内的细颗粒进行渗蚀量量化。

将外压腔2拆除后进行界面剪切。