一种用于在干湿循环条件下土石混合体渗流模型试验的试验装置

1.本发明涉及岩土工程试验技术领域，具体涉及一种用于在干湿循环条件下土石混合体渗流模型试验的试验装置。


背景技术：

2.土石混合体是西南地区东躲地质灾害的重要载体。如西南山区存在极多堆积层边坡，此类堆积层边坡在降雨作用下易发生滑坡、泥石流等极其严重的地质灾害；而在三峡库区的库岸边坡等在库水位波动，以及水位掏蚀等水动力作用下也极易发生坡体滑动破坏。因此，研究土石混合体的渗透性、侵蚀演化规律等科学问题对地下水引发滑坡灾害的防治来说具有重要的指导意义。
3.目前，已有研究各类土颗粒渗透性实验仪器，只考虑了刚性壁条件下土石混合体实时渗流时的变化，并未考虑到柔性边界条件土石混合体在干湿作用下内部出现不同的发展，缺乏柔性边界以及干湿循环条件耦合作用下土石混合体内部颗粒侵蚀机理研究，围压施加中，多以刚性壁加压为主，难以均匀有效加载至模型上。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明提出一种用于在干湿循环条件下土石混合体渗流模型试验的试验装置，包括渗流结构和支撑加载结构；所述渗流结构的上侧用于和进水系统相连，所述渗流结构的下侧用于和出水系统相连；
5.所述渗流结构包括外筒和内框架，所述外筒包括相互贯通的顶层、中间层和底层；其中，所述中间层和底层皆安装有气压传感器，所述底层的内腔安装有孔筛板；所述内框架设置在外筒的内腔中，所述内框架套设有导热防水橡皮膜，所述内框架的内部用于填入土样；
6.所述支撑加载结构包括反力框架和支撑台；所述反力框架包括顶板和四根空心支脚，所述顶板的中心开设有圆孔，在圆孔的孔壁上沿周向均匀开设有四个贯穿顶板的穿孔，四个所述穿孔背离圆孔的一端分别与对应的空心支脚的内腔相连通，在穿孔和对应的空心支脚的内腔中活动穿设有钩索，所述钩索的末端位于空心支脚内且连接有钩码，所述钩索的首端位于圆孔内并与一个四方位钩环的上侧相连，所述四方位钩环的下侧钩设有一个加压结构，加压结构的上侧能够放置砝码，加压结构的下侧用于给外筒的顶层内的内框架内的土样施压；所述支撑台的上端用于支撑所述外筒和所述反力框架的空心支脚。
7.作为优化，所述加压结构包括上板、连接柱和下板；所述上板的上侧和四方位钩环相连，且所述上板的上侧能够放置砝码，所述上板的下侧和连接柱相连，所述连接柱的下端穿过外筒的顶层并和下板相连，所述下板开设有多个孔洞，且孔洞的内径略小于所述内框架的内径。
8.作为优化，所述顶层呈透明圆筒状，其上端和所述下板的下侧相连；所述底层呈透
明圆筒状，且在所述底层的内腔中设置有承台，该承台的上侧安装孔筛板，该承台的中部开设有流孔，流孔的上端与孔筛板上的筛孔相连通，流孔的下端与底层的底面螺孔对齐，并与出水系统相连；所述中间层包括多个通过法兰盘相连的透明圆管，且位于最上方的透明圆管通过法兰盘和所述顶层相连，位于最下方的透明圆管通过法兰盘和所述底层相连。
9.作为优化，所述底层的一侧连接有溢流管；所述支撑台上焊接有固定圈，所述固定圈的内径小于底层的外径，所述底层插置并固定在固定圈内。
10.作为优化，所述进水系统包括水源、增压泵和流速表，所述水源、增压泵和流速表之间通过进水管依次相连，所述进水管背离水源的一端通过进水阀门和所述顶层的上端相连；所述顶层的上端设置有水压表和排气口，所述水压表用于检测所述顶层的内部水压。
11.作为优化，该试验装置还包括数据采集系统，所述数据采集系统包括孔隙水压力传感器、测微仪以及两台静态数据采集仪；所述测微仪设于加压结构上；所述孔隙水压力传感器设置在导热防水橡皮膜上；所述静态数据采集仪通过电线与水压表、流速表相连。
12.作为优化，所述出水系统包括主管和至少两根支管，所述主管的一端和所述底层相连，主管的另一端通过切换阀和支管相连，所述支管内开设有止水阀，在所述支管的出水口处连接有颗粒级配筛分盒。
13.作为优化，所述颗粒级配筛分盒包括外框和可拆卸安装在外框内的多层孔筛盒，所述孔筛盒的外轮廓为长方体，其内部为掏空的倒棱台，其底部通过螺丝安装有尼龙网；其中，位于上方的孔筛盒的底部与位于下方的孔筛盒的顶部开口相对应。
14.作为优化，该试验装置还包括加热系统，所述加热系统包括冷热风机和导气管，所述冷热风机通过导气管与所述外筒相连通。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
16.(1)本发明通过在内框架上设置导热防水橡皮膜，使外筒和内框架之间形成气闭空间，使内框架内部的土石混合体受气压围压更均匀稳定，且土石混合体可在导热防水橡皮膜处任意处变形，这样，可以模拟柔性边界条件，使整个试验装置所能考虑的影响因素更加全面，并且操作简单易于实现。
17.(2)本发明通过设置反力框架内部的钩码和加压结构砝码，两者通过钩索配合，实现了静载控制土石混合体轴压的功能，使土石混合体的压力分布更均匀，受力更稳定。
18.(3)本发明的渗流结构的外筒具有土石混合体渗透侵蚀可视化的优点，而顶层、中间层、底层以及中间层内部之间为可拆卸的结构，其可根据模型试验大小，选取合适高度渗流主管，同时，还可测取土石混合体各层级配、渗透系数、质量等参数变化的数据，此外，拆卸后便于搬运，易于放置。
19.(4)本发明出水系统设置切换阀，通过切换阀来转换渗流结构的出水口，在测取土石混合体侵蚀量时，可做到不间断渗流，解决了更换收集器皿时所造成误差，减小了因管内渗流液未完全收集的误差。
20.(5)本发明在进水系统设置增压泵，使进水系统可调控的水头范围极大，克服了传统渗流仪器采用水柱高度控制水压的缺点；此外，在出水系统安装有颗粒级配孔筛盒，在试验过程中，完成侵蚀土体的级配筛分，以及沥水等过程，可以极大的缩短试验的流程；且孔筛盒底部的尼龙网可替换，可根据颗粒级配选用合适尺寸的尼龙网，颗粒级配孔筛盒内的每层孔筛盒也可从侧面单独取出，这样可设置过滤层数。
21.(6)本发明中，除了侵蚀量需按时间手动测量外，其余参数皆可以通过静态数据采集仪收集，节约了时间，同时，数据记录完整，操作更为简单，提高了试验便利性。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
23.图1为本发明的土石混合体渗流模型试验装置的整体结构示意图；
24.图2为本发明的渗流结构的示意图；
25.图3为本发明的加压结构的各面示意图；
26.图4为本发明的渗流结构的外筒的顶层的结构示意图；
27.图5为本发明的渗流结构的外筒的中间层的结构示意图；
28.图6为本发明的渗流结构的外筒的底层的结构示意图；
29.图7为本发明的渗流结构的内框架的结构示意图；
30.图8为本发明的孔筛板的俯视结构示意图；
31.图9为本发明的出水系统的主管和支管连接处的结构示意图；
32.图10为本发明的颗粒级配筛分盒的结构示意图；
33.图11为本发明的支撑加载结构的示意图；
34.图12为本发明的支撑加载结构的俯视示意图；
35.图13为本发明的u型铁片的结构示意图。
36.附图标记：
37.1-渗流结构，11-外筒，111-顶层，112-中间层，113-底层，114-孔筛板，115-承台，116-法兰盘，117-溢流管，118-气阀，12-内框架，121-钢架；
38.2-支撑加载结构，21-反力框架，211-顶板，212-空心支脚，213-刻度表，214-u型铁片，22-支撑台，221-固定圈，23-钩索，24-钩码，25-四方位钩环，26-加压结构，261-上板，262-连接柱，263-下板，27-砝码；
39.3-进水系统，31-增压泵，33-进水管，34-进水阀门，35-水压表，36-排气口；
40.4-出水系统，41-主管，42-支管，43-切换阀，44-止水阀，45-颗粒级配筛分盒，451-外框，452-孔筛盒；
41.5-数据采集系统，51-孔隙水压力传感器，52-测微仪，53-静态数据采集仪，54-电线；
42.6-加热系统，61-冷热风机，62-导气管；
43.7-气压传感器。
具体实施方式
44.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
45.实施例：如图1-图13所示，一种用于在干湿循环条件下土石混合体渗流模型试验的试验装置，包括渗流结构1和支撑加载结构2；所述渗流结构1的上侧用于和进水系统3相
连，所述渗流结构1的下侧用于和出水系统4相连。
46.所述渗流结构1包括外筒11和内框架12，所述外筒11包括相互贯通的顶层111、中间层112和底层113；其中，所述中间层112和底层113皆安装有气压传感器7，所述底层113的内腔安装有孔筛板114；所述内框架12设置在外筒11的内腔中，所述内框架12套设有导热防水橡皮膜，所述内框架12的内部用于填入土样。外筒11的侧部安装有气阀118。这样，外筒11和内框架12之间的气闭空间用于输送可调控空气，打开气阀118，可保持气闭空间的压力基本稳定，根据气压传感器7所提供的数据来调控进气量，控制试样围压。
47.实施时，内框架12为多层可拆卸的镂空的钢架121，每层镂空的钢架121皆套设易导热防水橡皮膜。
48.所述支撑加载结构2包括反力框架21和支撑台22；所述反力框架21包括顶板211和四根空心支脚212，所述顶板211的中心开设有圆孔，在圆孔的孔壁上沿周向均匀开设有四个贯穿顶板211的穿孔，四个所述穿孔背离圆孔的一端分别与对应的空心支脚212的内腔相连通，在穿孔和对应的空心支脚212的内腔中活动穿设有钩索23，所述钩索23的末端位于空心支脚212内且连接有钩码24，所述钩索23的首端位于圆孔内并与一个四方位钩环25的上侧相连，所述四方位钩环25的下侧钩设有一个加压结构26，加压结构26的上侧能够放置砝码27，加压结构26的下侧用于给外筒11的顶层111内的内框架12内的土样施压；所述支撑台22的上端用于支撑所述外筒11和所述反力框架21的空心支脚212。
49.实施时，所述反力框架21由钢材焊制形成，空心支脚212为正方形空心钢铁柱，顶板211为正方体厚钢板，可在空心支脚212内的钩索23下方继续加设钩码24，空心支脚212设有刻度表213，可插入嵌固u型铁片214。
50.具体地，所述加压结构26包括上板261、连接柱262和下板263；所述上板261的上侧和四方位钩环25相连，且所述上板261的上侧能够放置砝码27，所述上板261的下侧和连接柱262相连，所述连接柱262的下端穿过外筒11的顶层并和下板263相连，所述下板263开设有多个孔洞，且孔洞的内径略小于所述内框架12的内径。
51.实施时，上板261可以为圆形铁空心盘，连接柱262可以为圆形钢管，下板263可以为圆形铁盘，在上板261上放置测微仪以及特制的加压砝码，并使上板261与钩索23连接，通过反力框架21的空心支脚212内的钩码24以及特制加压砝码来给土石混合体加设轴压。
52.具体地，所述顶层111呈透明圆筒状，其上端和所述下板263的下侧相连；所述底层113呈透明圆筒状，且在所述底层113的内腔中设置有承台115，该承台115的上侧安装孔筛板114，该承台115的中部开设有流孔，流孔的上端与孔筛板114上的筛孔相连通，流孔的下端与底层113的底面螺孔对齐，并与出水系统4相连；所述中间层112包括多个通过法兰盘116相连的透明圆管，且位于最上方的透明圆管通过法兰盘116和所述顶层111相连，位于最下方的透明圆管通过法兰盘116和所述底层113相连。渗流结构1的各层之间的连接处设有防水垫圈。
53.实施时，顶层111由不锈钢精加工制作，为圆形钢管，底面不封口，且设置有法兰盘，盘边开设八个孔径螺孔，顶层111的顶面中间开设孔洞。
54.实施时，中间层112的透明圆管为有机玻璃圆管，其上下贯通，且接口处皆设置法兰盘，盘边开设八个孔径螺孔。在各个透明圆管的侧部开设有传感器孔，用于装入气压传感器7，并且用防水胶将气压传感器7粘在渗流结构1的外筒11上。
55.实施时，底层113为有机玻璃圆筒，其一侧面开设孔隙水压力线孔，该孔隙水压力线孔的上方装设气压传感器7。底层113的顶面不封口且粘结法兰盘，盘边开设八个孔径螺孔。
56.具体地，所述底层113的一侧连接有溢流管117；所述支撑台22上焊接有固定圈221，所述固定圈221的内径小于底层113的外径，所述底层113插置并固定在固定圈221内。固定圈221的边界设置防水垫圈。
57.实施时，所述支撑台22由钢铁焊制形成，支撑台22的台面以及台柱皆为长方体，台面中心开设贯通螺孔，外筒11放置于支撑台22的中心处并采用固定圈221固定，固定圈221与支撑台22焊接。
58.具体地，所述进水系统3包括水源、增压泵31和流速表32，所述水源、增压泵31和流速表32之间通过进水管33依次相连，所述进水管33背离水源的一端通过进水阀门34和所述顶层111的上端相连；所述顶层111的上端设置有水压表35和排气口36，所述水压表35用于检测所述顶层111的内部水压。所述增压泵31用于调节进水时间，控制土石混合体的湿循环。
59.具体地，该试验装置还包括数据采集系统5，所述数据采集系统5包括孔隙水压力传感器51、测微仪52以及两台静态数据采集仪53；所述测微仪52设于加压结构26上；所述孔隙水压力传感器51设置在导热防水橡皮膜上；所述静态数据采集仪53通过电线54与水压表35、流速表32相连。
60.实施时，在外筒11上开设有小孔，用防水胶水将气压传感器7固定在外筒11上；测微仪52借助反力框架21架设于加压结构26的上板261上，用于测量土体沉降变形，精度可达毫米。水压表35、流速表32皆为电子表，通过电线54连接两台静态数据采集仪53，对所有数据进行实时监测采集。
61.实施时，导热防水橡皮膜上开设孔隙水压力传感器孔，将孔隙水压力传感器51粘结在导热防水橡皮膜上，溢流管117也打孔伸入导热防水橡皮膜，导热防水橡皮膜的开口处做特殊防水处理，确保整个导热防水橡皮膜不漏水。在外筒11开设孔隙水压力传感器线孔，并封住线孔，确保不漏气。
62.具体地，所述出水系统4包括主管41和至少两根支管42，所述主管41的一端和所述底层113相连，主管41的另一端通过切换阀43和支管42相连，所述支管42内开设有止水阀44，在所述支管42的出水口处连接有颗粒级配筛分盒45。
63.具体地，所述颗粒级配筛分盒45包括外框451和可拆卸安装在外框451内的多层孔筛盒452，所述孔筛盒452的外轮廓为长方体，其内部为掏空的倒棱台，其底部通过螺丝安装有尼龙网；其中，位于上方的孔筛盒452的底部与位于下方的孔筛盒452的顶部开口相对应。
64.实施时，孔筛盒452皆可直接抽出，筛分盒452的材料为钢铁，外框451也由钢铁制作。
65.具体地，该试验装置还包括加热系统6，所述加热系统6包括冷热风机61和导气管62，所述冷热风机61通过导气管62与所述外筒11相连通。可通过冷热风机61向渗流结构1的外筒11和内框架12之间的气闭空间输送热风，热风导热传递给土石混合体，实现土石混合体干循环。
66.采用本技术的一种用于在干湿循环条件下土石混合体渗流模型试验的试验装置
来进行试验时，试验步骤如下：
67.(1)组合装置，将渗流结构1的外筒11中的底层113放置于支撑台22上的设定位置，将渗流结构1的内框架12最顶层的钢架121的镂空处用钢板补上，并套设导热防水橡皮膜，再将导热防水橡皮膜套至孔筛板114上，并将孔筛板114放入底层113的内部承台115上；接着，安装好溢流管117，将其伸至导热防水橡皮膜内，将孔隙水压力传感器51粘结在渗流结构1的内框架12的导热防水橡皮膜的模壁上；然后，将所有开口做好气密性处理，确保外筒11和内框架12之间的间隔空间不漏气，配置设计级配的土石混合体，分多次填入土石混合体，按设计压实系数采用静力压实将试样压至至底层最高面，将气压传感器7粘结在渗流结构1的外筒11的侧壁上，做好气密性处理，防止漏气；
68.接着，通过法兰盘连接中间层112，与底层113相同做法，重新配制同级配质量土石混合体，分多次填入内框架12的导热防水橡皮膜的内部，将孔隙水压力传感器51埋入土中，最后选取相同系数以及相同方法静力压实。中间层112内的所有透明圆管的试验方法也如法炮制；
69.在土样填充完成后，在渗流结构1的内框架12的最顶层套设导热防水橡皮膜，并在试样顶面铺设多层直径大于加压结构26的下板263的孔洞直径的玻璃珠；试样完成后静止一段时间，将每个内框架12的钢架121的镂空处的钢板全部卸载拿出，将导热防水橡皮膜压至外筒11的顶层111与中间层112的法兰盘连接处，这样，渗流结构安装完成，加压结构26压住玻璃珠；
70.(2)将加热系统的导气管62与外筒11的进气口连接，打开冷热风机61来测试外筒11和内框架12之间的间隔空间是否漏气，不漏气则继续试验，将测微仪52装于加压结构26的上板261后，根据设计轴压，在上板261添加特制的砝码27或者钩索23尾端加设钩码24，达到预计轴压，根据设计最大沉降变形，将u型铁片214插入刻度表213的间隔处，以控制最大沉降，打开气阀118，根据气压传感器7读数，设置合适进风量，确保围压达到设计值；
71.(3)静待土体基本固结稳定后，将外筒11的顶层111的顶面进水阀门34通过进水管33连接进水系统3的出水口，进水系统3按顺序依次连接；
72.(4)将出水系统4的主管41与支撑台22和外筒11拧紧，并在支管42的出水口装上颗粒级配筛分盒45，出水系统安装完成。
73.(5)所有传感器与电子仪器与对应静态数据采集仪53连接，静态数据采集仪53与电脑连接，确定连接无误后，正式开始试验。
74.(6)打开增压泵31以及进水阀门34，待水进入内框架12后，打开外筒11的顶层111的顶面上的排气口36，将上部气体排出出水后，关闭排气口36，控制增压泵31，调控水压表35到达设计压力，以控制顶面水头等待水流完全渗流土石混合体；接着，控制溢流管117，使土石混合体基本处于常水头，打开切换阀43，选择一侧作为出水口，打开此侧一个支管42的止水阀44，正式开始实验开始渗透，如果渗流颗粒较多，则开启此侧所有止水阀44，根据设计时间，转换出水口，抽出孔筛盒452，更换尼龙网，尼龙网内的土石混合体放置于指定位置继续沥水，并根据时间记录尼龙网的编号，如此循环往复，直至试验结束；
75.(7)试验时，根据设计干湿循环时间，调整增压泵31进水时间以及停止时间，调控冷热风机61吹热风时间，确保在停止进水口，就开启输送热风进入渗流结构1内，由于导热防水橡皮膜的导热性，能够烘干土石混合体，完成试验所设计干湿循环。
76.(8)当土体沉降变形到达所设计高度或者渗流时间已超过所设计最大时间，就认为渗透已经完成，结束试验。试验结束后，关闭进水阀门34以及进水系统3的所有仪器，渗流结构1的仪器状态暂时保持不变，等待土体自行沥水，待无明显水分时，拉起加压结构26，卸载试验装置；
77.(9)通过细铁丝将每层土体沿界面分割，测取并记录相应层土体所需各类参数；
78.(10)孔隙水压力、沉降变形、流速等参数由静态收集仪完成收集；
79.(11)侵蚀量等侵蚀土体烘干后，自行记录整理。
80.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。