一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备。

背景技术

土的渗透变形可分为流土、管涌(一般也称为内部侵蚀)、接触冲刷以及接触流失。流土是指在渗流力的作用下，粒间有效应力为零时，颗粒群发生悬浮、移动的现象叫做流土或者流沙现象，这种现象多发生在颗粒级配均匀的饱和细砂、粉砂和粉土中，它的发生一般是突发性的，对工程危害较大，流土是不分颗粒大小土粒都移动，不是细土粒穿过粗土粒的孔隙流失；管涌是指在渗流作用下，细颗粒从粗颗粒孔隙中被冲走或者带出的现象 。

现有的测定土样渗透-侵蚀的装置饱和方式为将土样浸没在水中进行饱和，侵蚀水头由悬挂水箱提供，且渗透侵蚀路径为从上至下，土体被侵蚀后的流失颗粒与水一起被简单收集。该渗透-侵蚀试验方法，有诸多不足：1. 试样置于由吊起的水箱提供的水头下进行渗透-侵蚀实验，提供的水头范围有限，且不能做到水头循环变化及复杂应力循环变化耦合条件下的模拟侵蚀；2.土体被侵蚀后的流失颗粒未能分级采集；3. 只能将土样浸没在水中进行粗糙饱和，不能使土体达到单元体试验中对饱和土样的高饱和度要求，因而无法避免饱和度对试样力学特性的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备。该试验设备能够模拟现地应力，实现了土样在特定渗流力作用下侵蚀现象的模拟和动态观测，

为此，本发明提供的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，包括定流量渗透系统、土颗粒运移分级测量系统、大范围体积压力控制真空系统和数据处理分析系统，所述定流量渗透系统分别通过管道与土颗粒运移分级测量系统和大范围体积压力控制真空系统连接，所述数据处理分析系统包括数据采集装置和计算机，所述定流量渗透系统、土颗粒运移分级测量系统和大范围体积压力控制真空系统分别通过线路连接到数据采集装置上，所述计算机与数据采集装置通过线路连接。

优选的，所述定流量渗透系统包括三轴压力室、轴向力施加单元和围压力施加单元，所述三轴压力室包括压力室外罩、底座和顶帽，所述底座和顶帽之间设置有土样，压力室外罩安装在底座上；所述轴向施加单元包括第一伺服机箱和上盖，所述底座安装在第一伺服机箱上，所述第一伺服机箱上连接有轴向活塞杆，轴向活塞杆的上部连接底座，所述上盖设置于顶帽上，所述上盖具有设有轴向位移传感器和轴向压力传感器；所述围压力施加单元包括第二伺服机箱、油箱和围压装置，所述围压装置经管道与底座连接，所述油箱安装在第二伺服机箱上，所述油箱通过第五管道与底座连接。

优选的，所述底座上具有锥形孔，所述锥形孔上设有第一开孔和第二开孔，所述第一开孔通过第一管道与大范围体积压力控制真空系统连接，并在管道上设第一流量计，所述第二开孔通过第二管道与围压装置连接，所述顶帽具有倒锥形孔，所述倒锥形孔上设有第三开孔和第四开孔，所述第三开孔经第三管道与压力传感器连接，所述第四开孔经第四管道与土颗粒运移分级测量系统连接，所述第四管道上设有传感器和第二流量计。

优选的，所述土颗粒运移分级测量系统包括第一蓄水箱和多级过滤箱，所述多级过滤箱置于第一蓄水箱内，所述第一蓄水箱上设有进水口，所述进水口位于第一蓄水箱内腔的端部连接有喇叭口管道，所述喇叭口管道另一端部与多级过滤箱对接，所述进水口位于第一蓄水箱外的端部设置有第一体积压力控制器，所述第一体积压力控制器经第四管道与定流量渗透系统连接，所述第一蓄水箱底部经第六管道与蓄水装置连接。

优选的，所述第一蓄水箱一侧通过第七管道连接有第一气泵，所述第一蓄水箱与管道连接处具有双向阀，所述第六管道上设置第三流量计，所述蓄水装置上设有浊度计。

优选的， 所述大范围体积压力控制真空系统包括第二蓄水箱和第二气泵，所述第二蓄水箱内安装有叶扇，所述第二蓄水箱一侧的开口处设置有双向阀，第二气泵通过第八管道与双向阀连接，所述第二蓄水箱底部通过管道与外部的第二体积压力控制器连接，第二体积压力控制器经第一管道与定流量渗透系统连接。

优选的，所述第一体积压力控制器、第二体积压力控制器、第一流量计、第二流量计、第三流量计、围压装置、压力传感器、传感器、轴向位移传感器和轴向压力传感器分别通过线路连接到数据采集装置上。

优选的，所述土样的上端部和下端部均设置有多孔底板和透水纸。

优选的，所述多级过滤箱由至少三层钢丝网层构成，每层钢丝网的孔径不同。

优选的，所述锥形孔和倒锥形孔呈漏斗状。

本发明的有益效果如下：

1、通过设置定流量渗透系统、土颗粒运移分级测量系统、大范围体积压力控制系统和数据处理分析系统，实现了土样在特定渗流力作用下侵蚀现象的模拟和动态观测，为侵蚀现象相应地质灾害致灾机理的研究提供了精确、有效的基础试验数据 。

2、该试验设备是基于三轴试验系统在反压饱和条件下施加渗流力并对渗流-侵蚀现象进行测定，适用于多种三轴仪器，兼容性高，可满足不同的实验需求。

3、通过设置围压力和反压力，给土样供给围压力和反压力，从而模拟现地应力，并通过设置定流量渗流系统，为土样提供稳定的向上渗流，且在开始试验前可以对土样进行反压饱和并且整个实验过程维持反压。

4、通过在三轴压力室的底座和土样上部设置多孔底板，在顶帽上开设土粒流出通道，并设置分级收集装置，侵蚀土粒可通过顶帽的土粒流出通道流入土颗粒运移分级测量系统中被分级收集，为土样受侵蚀作用后颗粒成分变化提供基础实验数据。

5、本发明通过在土颗粒运移分级测量系统的蓄水装置中设置浊度计，以检测渗蚀发生流出的土颗粒是否过滤完全。

附图说明

图1为本发明提供的一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备的结构示意图；

图2为图1中一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备A处的结构示意图；

图3为图1中一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备B处的结构示意图；

图4为图1中一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备的

大范围体积压力控制真空系统C结构示意图；

图5为图1中一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备的

土颗粒运移分级测量系统B结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

参照图1所示，本发明提供一种渗流力作用下测定侵蚀土粒的三轴试验设备，包括定流量渗透系统A、土颗粒运移分级测量系统B、大范围体积压力控制真空系统C和数据处理分析系统D。所述定流量渗透系统A分别通过管道与土颗粒运移分级测量系统B和大范围体积压力控制真空系统C连接，所述数据处理分析系统D包括数据采集装置41和计算机42，所述定流量渗透系统、土颗粒运移分级测量系统和大范围体积压力控制真空系统分别通过线路连接到数据采集装置上，所述计算机与数据采集装置通过线路连接。

所述定流量渗透系统A包括三轴压力室、轴向力施加单元和围压力施加单元，所述三轴压力室包括压力室外罩1、底座2和顶帽3，所述底座2和顶帽3之间设置有土样4，压力室外罩1安装在底座2上。所述轴向施加单元包括第一伺服机箱5和上盖6，所述底座2安装在第一伺服机箱5上，所述第一伺服机箱5上连接有轴向活塞杆7，轴向活塞杆7的上部连接底座2。所述上盖6设置于顶帽3上，上盖6具有设有轴向位移传感器和轴向压力传感器，通过轴向活塞杆7为土样提供轴向压力。所述围压力施加单元包括第二伺服机箱8、油箱9和围压装置10，所述围压装置10经第二管道11与底座2上连接，所述围压装置10即围压传感器。所述油箱9安装在第二伺服机箱11上，所述油箱9通过第五管道12与底座连接，所述底座与压力室内腔导通。通过油箱9、第二伺服机箱11和第五管道12向三轴压力室充油，油填充到三轴压力室腔体内并包裹在土样外围，在充油的过程中进行合轴，充油完成后并通过围压传感器设置围压，给土样4提供围压力。

所述土样4的上端部和下端部均设置有多孔底板13和透水纸14，即土样和底座之间设置有多孔底板13和透水纸14，土样和顶帽之间也设置有多孔底板13和透水纸14。所述底座上具有锥形孔15，所述锥形孔15呈漏斗状，锥形孔上设有第一开孔和第二开孔。所述第一开孔通过第一管道16与外部的大范围体积压力控制真空系统C连接，并在第一管道16上设第一流量计17，定流量渗透系统A通过第一管道16与大范围体积压力控制真空系统C连接。所述第二开孔通过第二管道11与围压装置10连接。试验时，所述大范围体积压力控制真空系统通过第一管道16为定流量渗透系统A提供进水，水分通过第一管道输入底座2，并通过第一开孔和土样下端部的多孔底板13和透水纸14，向土样渗透，为土样提供稳定的向上渗流和侵蚀。所述顶帽具有倒锥形孔20，所述倒锥形孔20均呈漏斗状，所述倒锥形孔上设有第三开孔和第四开孔，倒锥形孔20为土粒开设流出通道。所述第三开孔经第三管道21与压力传感器22连接，所述第四开孔经第四管道23与外部的土颗粒运移分级测量系统B连接，所述第四管道23上设有传感器24和第二流量计25。所述第四管道23一端与第四开孔连接，第四管道23另一端穿出三轴压力室与土颗粒运移分级测量系统B连接。土样向上渗流，被侵蚀的土粒通过土样上端部的多孔底板13和透水纸14，再经倒锥形孔20和第四管道23传送至土颗粒运移分级测量系统B。

所述土颗粒运移分级测量系统B包括第一蓄水箱26和多级过滤箱27，所述多级过滤箱27置于第一蓄水箱26内，多级过滤箱27吊装在第一蓄水箱26盖板上。所述多级过滤箱27由至少三层钢丝网层构成，每层钢丝网的孔径不同同，优选三层钢丝网层，为三种不同孔径的钢丝网。所述第一蓄水箱26上设有进水口，所述进水口位于第一蓄水箱26内腔的端部连接有喇叭口管道28，所述喇叭口管道28另一端部与多级过滤箱27对接。所述第一蓄水箱26底部经第六管道29与蓄水装置30连接，所述第六管道29上设置第三流量计31。侵蚀的土粒经第四管道23和喇叭口管道28进入第一蓄水箱中多级过滤箱27内。侵蚀土粒经多级过滤箱的过滤，过滤后的水分经第六管道29流入蓄水装置30内。所述蓄水装置30上设有浊度计19，所述浊度计19用以检测渗蚀发生流出的土颗粒是否过滤完全。

第一蓄水箱26上进水口位于第一蓄水箱外的端部设置有第一体积压力控制器32，第四管道另一端连接在第一体积压力控制器32上。所述第一蓄水箱一侧通过第七管道33连接有第一气泵34，所述第一蓄水箱与第七管道33连接处具有双向阀35。第一气泵34经过双向阀抽真空，将第一蓄水箱26内中的水制成无气水，通过第一体积压力控制器32给土样设置一个反压。

所述大范围体积压力控制真空系统C包括第二蓄水箱36和第二气泵37，所述第二蓄水箱36内安装有叶扇38，所述第二蓄水箱36一侧的开口处设置有双向阀35，第二气泵37通过第八管道39与双向阀35连接，所述第二蓄水箱36底部通过第一管道16与外部的第二体积压力控制器40连接，第二体积压力控制器40经第一管道16与定流量渗透系统A连接。第二气泵37经双向阀35抽真空，叶扇38同时工作，将第二蓄水箱36内的水制成无气水，通过第二体积压力控制器40给土样设置反压。所述第一体积压力控制器32和第二体积压力控制器40给土样施加反压力。

所述第一体积压力控制器32、第二体积压力控制器40、第一流量计17、第二流量计25、第三流量计31、围压传感器10、压力传感器22、传感器24、轴向位移传感器和轴向压力传感器分别通过线路连接到数据采集装置41上，数据采集装置41通过线路与计算机42连接。计算机通过第一体积压力控制器32和第二体积压力控制器40设置反压力。通过第一流量计17控制和测量进水的流量，第二流量计25控制和测量侵蚀土粒的流量，第三流量计31控制和测量出水的流量。计算机42通过围压传感器10设置充油后的围压。通过计算机设置定流量渗透系统、土颗粒运移分级测量系统、大范围体积压力控制系统和数据处理分析系统，实现了土样在特定渗流力作用下侵蚀现象的模拟和动态观测，为侵蚀现象相应地质灾害致灾机理的研究提供了精确、有效的基础试验数据 。

试验开始前，先通过所述第一体积压力控制器32和第二体积压力控制器40给土样4施加反压力，对土样4进行反压饱和，使整个实验过程中维持反压。通过油箱9、第二伺服机箱11和第五管道12向三轴压力室内充油，充油完成后并通过围压传感器10设置围压，给土样提供围压力。所述定流量渗透系统A中第一伺服机箱上的轴向活塞杆7为土样提供轴向压力。通过反压力、围压力和轴向压力，从而模拟复杂的现地应力，模拟复杂应力循环变化。试验时，反压饱和完成后，通过第一管道16将第一蓄水箱26内水进入压力室底座内，经过第一开孔和土样下部的多孔底板13和透水纸14向土样渗透蚀。土样向上渗流，被侵蚀的土粒通过土样上端部的多孔底板13和透水纸14涌出，经第四管道23传送至喇叭口管道28，流入多级过滤箱27内。在多级过滤箱27内土粒进行分级过滤收集，过滤后的水分经第六管道流入蓄水装置30内。并通过蓄水装置上的浊度计19检测渗蚀发生流出的土颗粒是否过滤完全。试验完成后，将多级过滤箱27取下，将不同孔径的铁丝网分开并将其内部相应的土颗粒倒出烘干称重，即可分级获得被侵蚀土粒的重量，为土样受侵蚀作用后颗粒成分变化提供基础数据。

该试验设备是基于三轴压力室即三轴试验系统在反压饱和条件下施加渗流力并对渗流-侵蚀现象进行测定，适用于多种三轴仪器，兼容性高，可满足不同的实验需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围，并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技，术方案均，属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保，护范围。