一种法向压力作用下接触面颗粒侵蚀试验装置及方法

文献发布时间：2023-06-19 10:16:30

技术领域

本发明涉及于岩土工程领域，具体涉及一种法向压力作用下接触面颗粒侵蚀试验装置及其使用方法。

背景技术

在水利工程、土木工程、建筑工程以及交通工程都普遍存在着土与结构接触面。土与结构接触面是指存在于土与结构接触处，因为受到结构的约束作用，与周围土体及周围结构的力学特性都不相同的区域，如面板坝的面板与垫层之间、建筑物的地基与土体之间、桩与周围土体之间、挡土墙与墙后土体之间的接触面。土与结构接触面在渗流和应力耦合作用下已发生颗粒侵蚀现象，但是不同压力作用下发生颗粒侵蚀的水力条件，目前还没有明确的公式进行计算。通过室内试验研究这一现象是最直接的手段，但是目前的设备还无法实现压力和渗流耦合作用下接触面颗粒侵蚀作用的模拟和测试。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种法向压力作用下接触面颗粒侵蚀试验装置及其使用方法，本发明可用于监测土质结构物的沉降变形

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种法向压力作用下接触面颗粒侵蚀试验装置，包括控制采集仪、颗粒侵蚀试验仪、压力水罐；

所述的颗粒侵蚀试验仪包括压力仓、橡皮膜、加载锤和侵蚀装置，所述的加载锤上设有进水通道和出水口，所述的加载锤与压力水罐相连，加载锤穿过压力仓的顶盖为试验中的土样提供渗流压力；所述的橡皮膜用于包裹土样，橡皮膜顶部与加载锤相连，底部与压力仓底板相连，在土样内设有有机玻璃板，所述的有机玻璃板用于模拟试验中的接触面；所述的控制采集仪用于控制压力仓内部的气压和水压。

作为进一步的技术方案，所述的顶盖为圆盘状结构，顶盖上设置有水气流动口、过锤口、气压计；所述的水气流动口与顶盖焊接连接，用于通过试验中的水和气。所述的过锤口用于通过加载锤。

作为进一步的技术方案，在所述的过锤口内壁上还有设有密封圈，过锤口顶部向内侧凸起形成档口，第一弹簧的一端与密封圈相连，另一端顶住过锤口的挡口。在安装顶盖过程中通过过锤口的挡口给加载锤施加初始的压力，以保证加载锤与侵蚀装置之间紧密相连。

作为进一步的技术方案，所述底板设置有圆环卡扣、半圆形隔气垫、半球形稳流器，所述的半球形稳流器内堆放钢珠，保证水流平稳流入土体，防止土体直接被水流冲刷。

作为进一步的技术方案，所述的加载锤包括上、下两部分，上部为圆柱形加载杆和下部为圆盘状加载板，加载杆与加载板之间刚性连接，加载杆内部设置进水通道；加载板上设有与进水通道连通的出水口。

更近一步的，在所述的加载板中间部位设置凹形卡槽，用以安装有机玻璃板，凹形卡槽与有机玻璃之间设置第二弹簧，以保障试验过程中加载锤可以竖向移动。所述的橡皮膜连接加载锤和顶板，保证试验过程中土体内的水分不与外界发生交换。

作为进一步的技术方案，还包括流量和颗粒侵蚀量测试装置，所述的流量和颗粒侵蚀量测试装置包括天平、烧杯、异形量水杯。所述的天平分别用于测量烧杯和异形量水杯及其内物体的质量。所述的异形量水杯设置有纱网和溢流口，用于过滤冲蚀颗粒。

第二方面，本发明基于上述装置，还提供了一种使用方法

(1)配置试验所需的土料，按照试验要求的含水率准备土料。

(2)有机玻璃板插入底座上卡板槽，并将大号钢珠和小号钢珠放入底板上的半球形侵蚀口。

(3)将装填模具安装在底座上，将土体按照试验要求的密度将土体装填到模具内部。

(4)将侵蚀装置、加载锤和弹簧安装在土体上方。

(5)将橡皮膜套在土体上，一端接在加载锤上一端接在底座上

(6)将有机玻璃罩安装在底座上，保证有机玻璃罩与底座紧密相连。

(7)将顶盖安装在有机玻璃罩上，将螺栓和螺杆安装在顶盖和底座上，保证顶盖与有机玻璃罩紧密相连。

(8)将气泵与控制采集仪采用气管连接，将控制采集仪与压力水罐采用气管连接，将将控制采集仪与控制采集仪与颗粒冲蚀试验仪的三通开关采用气管相连，将水泵与与颗粒冲蚀试验仪的三通开关采用水管相连

(9)控制颗粒冲蚀试验仪上的三通开关，采用水泵将水抽至颗粒冲蚀试验仪内的压力仓,使压力仓内的水没过加载锤的加载板。

(10)通过控制控制采集仪的输出气压来控制压力仓内的压力计压力水罐内的压力，开展颗粒侵蚀试验。

(11)试验过程中监测流量计的读数为A，第一天平的测得的新增质量为B，第二天平测得的新增质量为C，可以通过如下公式计算冲蚀颗粒的密度、体积、质量及渗流量：

V＝B/ρ

其中m

本发明的有益效果为：

1.本发明提供了一种用于模拟法向压力作用下接触面颗粒侵蚀试验装置及使用方法。

2.本发明设计侵蚀装置、流量和颗粒侵蚀量测试装置、流量计等装置实现了冲蚀颗粒的自动智能监测。

3.本发明设计了变形监测装置，实现了侵蚀试验过程中土体体积变化的监测。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为法向压力作用下接触面颗粒侵蚀试验装置的示意图；

图2为颗粒侵蚀试验仪的示意图；

图3为顶盖的示意图；

图4(a)、图4(b)为加载锤的示意图；

图5(a)、图5(b)为底座的示意图；

图6为流量和颗粒侵蚀量测试装置的示意图；

图7为侵蚀装置的示意图；

图8为变形监测装置的示意图；

图9为装填模具的示意图；

图中：1.气泵，2.控制采集仪，3.水泵，4.颗粒侵蚀试验仪，5.流量和颗粒侵蚀量测试装置，6.变形监测装置，7.压力水罐，8.第一气管，9.第二气管，10.第三气管，11.第一水管，12.第二水管，13.光纤，14.三通开关，15.压力仓，16.加载锤，17.顶盖，18.第一弹簧，19.侵蚀装置，20.有机玻璃板，21.土体，22.底座，23.有机玻璃罩，24.橡皮膜，25.螺杆，26.螺栓，27.第三水管，28.千分表，29.水气流动口，30.过锤口，31.气压计，32.第一半圆形隔气垫，33.第二半圆形隔气垫，34.挡口，35.第一圆环卡扣，36.第三半圆形隔气垫，37.加载杆，38.加载板，39.进水通道，40.凹形卡槽，41.第二弹簧，42.出水口，43.第二圆环卡扣，44.第四半圆形隔气垫，45.第三圆环卡扣，46.半球形稳流器，47.进水口，48.卡板槽，49.大号钢珠，50.小号钢珠，51.穿线孔，52.固定孔，53.第一天平,54.第二天平，55.烧杯，56.异形量水杯，57.溢流管，58.纱网，59.流量计，60.装填模具，61.光栅位移计，62.位移计支架，63.透土器，64.透土钢珠，65.半圆板，66.竖板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种法向压力作用下接触面颗粒侵蚀试验装置及方法。

如图1所示，一种法向压力作用下接触面颗粒侵蚀试验装置，装置主要包括气泵1、控制采集仪2、水泵3、颗粒侵蚀试验仪4、流量和颗粒侵蚀量测试装置5、压力水罐6、第一气管8、第二气管9、第三气管10、第一水管11、第二水管12。

气泵1与控制采集仪2通过第一气管8相连，第一气管8一端接气泵1的出气口，一端接控制采集仪2的进气口。

控制采集仪2的出气口通过第二气管9和第三气管10分别与颗粒侵蚀试验仪4和压力水罐7连接；即气压控制装置2的一个出气口通过第三气管10与压力水罐7相连，给水罐施加气压，以达到试验要求的渗流压力；气压控制装置2的另一个出气口通过第二气管9与颗粒侵蚀试验仪4的三通开关14的一通口连接，给颗粒侵蚀试验仪4的压力仓15提供气压，给试验提供压力；

水泵3的出水口通过第一水管11连接颗粒侵蚀试验仪4的三通开关14的二通口相连，在给压力仓充气之前，水泵3将水流灌注到颗粒侵蚀试验仪4的压力仓15。

压力水罐6的出水口通过第二水管12连接颗粒侵蚀试验仪4的加载锤16，给试验提供渗流压力。

如图2所示，颗粒侵蚀试验仪4包括三通开关14、压力仓15、加载锤16、顶盖17、第一弹簧18、侵蚀装置19、有机玻璃板20、土体21、底座22、有机玻璃罩23、橡皮膜24、螺杆25、螺栓26、第三水管27、千分表28。

顶盖17与底座22通过螺杆25和螺栓26与有机玻璃罩23共同形成压力仓15；顶盖17与底座22上下安装，且通过螺杆25和螺栓26相连形成一个支撑框架，在该支撑框架内安装一个有机玻璃罩23。

加载锤16穿过顶盖17与橡皮膜24的顶部相连，在橡皮膜24内填充有土体21，在土体21与加载锤16之间设有侵蚀装置19；橡皮膜24的底部与底座22相连，有机玻璃板20竖直的设置在橡皮膜内，其一端安装在加载锤16上，另一端卡在底座上。

千分表28固定端与加载锤16连接，另一端指向顶盖17。

如图3所示，顶盖17主体由Q235圆形钢板制成，顶盖17上部上设置有水气流动口29、过锤口30、气压计31。

其中水气流动口29一端与顶盖17焊接相连，一端通过第三水管27与三通开关14的三通口连接。

过锤口30主要是为了通过加载锤16，过锤口30与顶盖17焊接相连，过锤口30与加载锤16之间设置第一半圆形隔气垫32、第二半圆形隔气垫33和第一弹簧18。第一半圆形隔气垫32和第二半圆形隔气垫33由橡胶制成，整体为圆环状，截面为半圆形。第一半圆形隔气垫32设置在第二半圆形隔气垫33的上方，两者间隔一定的距离；第一弹簧18的一端坐落于第一半圆形隔气垫32上，另一端顶住过锤口30的挡口34。在安装顶盖17过程中通过过锤口30的挡口34给加载锤16施加初始的压力，以保证加载锤16与侵蚀装置19之间紧密相连。

顶盖17底部设置有第一圆环卡扣35、第三半圆形隔气垫36。其中圆环卡扣35与顶盖17采用焊接连接。第一圆环卡扣35外径稍大于第三半圆形隔气垫36的内径，第一圆环卡扣35与第三半圆形隔气垫36内侧采用密封胶粘贴，第三半圆形隔气垫36的外径稍大于有机玻璃罩23的内径，以保证第一圆环卡扣35、第三半圆形隔气垫36以及有机玻璃罩23之间的气密性。

如图4(a)、图4(b)所示，加载锤16分为上下两部分，上部为圆柱形加载杆37，下部为圆盘状加载板38，加载杆37与加载板38之间刚性连接，加载杆37内部设置进水通道39。加载板38中间部位设置凹形卡槽40，用以安装有机玻璃板20，凹形卡槽40与有机玻璃20之间设置第二弹簧41，以保障试验过程中加载锤16可以竖向移动。加载板38在凹形卡槽40两侧设置多个出水口42。加载杆37上的进水通道39与加载板38上的出水口42连通，为试验提供渗流压力。

如图5(a)、图5(b)所示，底座22内上部设置第二圆环卡扣43、第四半圆形隔气垫44、第三圆环卡扣45。在第三圆环卡扣45内部设置有直径与第三圆环卡扣内径相同的半球形稳流器46。底座22底部设置有与半球形稳流器46连接的水土流出口47。

第二圆环卡扣43外径稍大于第四半圆形隔气垫44的内径，第二圆环卡扣43与第四半圆形隔气垫44内侧采用密封胶粘贴，第四半圆形隔气垫44的外径稍大于有机玻璃罩23的内径，以保证第二圆环卡扣43、第四半圆形隔气垫44以及有机玻璃罩23之前的气密性。

半球形稳流器46内设置有宽度与有机玻璃板20厚度相同的卡板槽48，有机玻璃板20与卡板槽48之间采用防水胶粘贴。半球形稳流器46底部堆放入大号钢珠49、上部堆放入小号钢珠50，以保障从水流平稳的进入接触面。

橡皮膜24一端与加载锤16相连，另一端与底座22上的第三圆环卡扣45连接，以隔绝土体21与压力仓15之间的水气交换。有机玻璃板20位于橡皮膜24内。

如图6所示，流量和颗粒侵蚀量测试装置5，包括第一天平53、第二天平54、烧杯55、异形量水杯56。异形量水杯56在侧面设置有斜向下的溢流管57，在溢流管57内侧设置有网格尺寸小于土体颗粒粒径的纱网58，以防止土颗粒通过溢流管57。异形量水杯55内的水面高度一致保持与溢流口下部齐平，则第二天平54测量可以测量侵蚀的土颗粒质量及其排出水的质量，第一天平53可以测量从颗粒侵蚀试验仪4流出的水量及与土颗粒相同体积的水量。另一方面通过读取第二水管12上的流量计59可以获得从颗粒侵蚀试验仪4中流出的水量。通过第一天平53、第二天平54及流量计59上的读数可以得到侵蚀颗粒的质量、密度、体积以及渗流量四个参数。

如图7所示，为保证土体顺利流出，本装置设置了侵蚀装置19。侵蚀装置19由透土器63和透土钢珠64组成。透土器63整体由有机玻璃制成，由半圆板65和竖板66组成。其中，竖板66用于防止钢球移动，竖板66用于阻碍与橡皮膜24接触的土体21的移动，保证只有土体21与有机玻璃板23接触的土体发生移动。

如图8所示，为监测试验过程中土体的体积变化，本装置设置了变形监测装置6。变形监测装置6由光栅位移计61和位移计支架62组成。其中光栅位移计61与位移计支架62焊接连接，光栅位移计61的测针指向土体21。位移计支架62为圆柱形框架结构，底部插入底座22上的固定孔52。光栅位移计61与光纤13相连采用串联方式，光纤13经过底座22上的穿线孔51与控制采集仪2上的采集接口相连。光纤13余底座22上的穿线孔51采用玻璃胶密封，防止压力仓15的水流出。

如图9所示，为保障试验中土体21的填筑，本装置设置了试样装填模具60，装填模具56的底端与加载锤14相连，在土体19装填完，卸除装填模具55。

使用方法：