[發(fā)明專利]一種應力作用下土體內(nèi)部侵蝕各向異性研究的滲透試驗裝置

在審

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• 申請日: 2019-11-22
• 公開（公告）號: CN110687033A
• 公開（公告）日: 2020-01-14
• 發(fā)明（設計）人: 鄧剛;陳銳;張亮亮;周铚樂;侯偉亞;黃文超
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(深圳);中國水利水電科學研究院
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N17/00
• 代理公司: 45113 柳州市榮久專利商標事務所(普通合伙)
• 代理人: 彭艷妮

本發(fā)明涉及一種應力作用下土體內(nèi)部侵蝕各向異性研究的滲透試驗裝置，包括滲流系統(tǒng)、壓力供水系統(tǒng)、軸向壓力施加系統(tǒng)、出流收集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述滲流系統(tǒng)包括支座、滲透儀、收集漏斗和孔壓傳感器，所述滲透儀設置于支座上，所述收集漏斗設置于滲透儀下端并與滲透儀相貫通，孔壓傳感器設置于滲透儀上，所述的滲透儀包括滲透腔體和頂蓋，所述滲透腔體為上下端開口結(jié)構(gòu)，收集漏斗設置于滲透腔體下端并與滲透腔體相貫通，滲透腔體側(cè)壁上開設有孔壓傳感器布設孔、排氣孔和進水口，進水口包括水平滲流進水口和豎向滲流進水口。可通過簡易操作實現(xiàn)在同一裝置內(nèi)對側(cè)限條件下垂直應力可控的土體水平向和垂直向滲流模式的切換。

技術領域

本發(fā)明屬于巖土工程技術領域，涉及滲流模型試驗裝置，尤其涉及一種能夠用于開展應力作用下土體滲流侵蝕各向異性研究的滲透試驗裝置。

背景技術

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計顯示，內(nèi)部侵蝕是大壩和堤岸滲透變形或破壞的主要誘因，在全球范圍內(nèi)，約50%的大壩和堤岸破壞是由內(nèi)部侵蝕導致的。土體內(nèi)部侵蝕(internal erosion)是指其內(nèi)部細顆粒在水的滲流力作用下克服粒間摩擦力或黏結(jié)力而逐步分散脫離，且在土體孔隙通道或粗顆粒間隙中發(fā)生運移的侵蝕過程。由于土體的散粒體結(jié)構(gòu)特性決定了土體各向異性的產(chǎn)生，尤其是在分層壓實土體中體現(xiàn)的更為顯著。此外，在實際工程中進行分層壓實的土體，一方面其細觀結(jié)構(gòu)為層狀，由此會導致土體在水力特性上表現(xiàn)出明顯的各向異性，尤其是土體在平行于壓實層面方向(水平向)和垂直于壓實層面方向(垂直向)上所表現(xiàn)的滲透特性不盡相同；另一方面，土體一般承受應力作用，且研究表明應力作用的存在會直接影響土體的骨架結(jié)構(gòu)、孔隙分布和滲透系數(shù)，從而導致土體內(nèi)部侵蝕特性發(fā)生明顯變化。大量模型試驗及工程實踐表明，水平滲流更接近土石壩壩體和壩基的滲透水流特點，更能真實反映土體發(fā)生內(nèi)部侵蝕時所表現(xiàn)出的滲透特性，且研究表明土體在水平向和垂直向滲流情況下的滲透特性存在著顯著的各向異性，具體表現(xiàn)為土體在水平向上的滲透系數(shù)與相同條件下垂直于壓實層面的滲透系數(shù)的比值為1~100，即前后兩者相差1~2個數(shù)量級。因此，考慮滲流-應力耦合作用的可以開展土體內(nèi)部侵蝕各向異性研究的滲透裝置成為巖土工程和水利水電工程領域亟待解決的重要研究課題，對保障壩體沿岸居民的生命財產(chǎn)安全具有十分重要的意義。

為了解決上述研究課題，本領域的科技人員進行了廣泛的探索，以期獲得土體內(nèi)部侵蝕各向異性的規(guī)律。《大壩觀測與土工測試》報道了一種測定土體雙向滲透系數(shù)的儀器裝置(馮郭名, 付瓊?cè)A. 測定土的雙向滲透系數(shù)的儀器裝置和方法[J]. 大壩觀測與土工測試, 1997, 21(3): 32-34.)，該滲透裝置是基于三軸儀進行改裝完成的，土樣尺寸為正方形，滲流方向為垂直方向。使用該滲透裝置實現(xiàn)雙向滲透系數(shù)測定的方法是測量完一個方向的滲透系數(shù)后通過將土樣調(diào)轉(zhuǎn)方向再對另一個方向的滲透系數(shù)進行測量。這種方法雖能實現(xiàn)對同一土樣的水平滲透系數(shù)和豎向滲透系數(shù)進行測量，但該裝置及試驗方法存在著較大的局限性，主要體現(xiàn)在：①土樣調(diào)轉(zhuǎn)方向需要對土樣先去除橡皮膜再調(diào)轉(zhuǎn)90°，最后再重新裝套橡皮膜，其整個過程較為復雜且對土樣擾動較大，且對某些脫離承膜筒或橡皮模就無法成型的試樣(如無黏性土)，其雙向滲透性的測定是很困難的；②根據(jù)內(nèi)部侵蝕的定義，土體發(fā)生內(nèi)部侵蝕現(xiàn)象時其內(nèi)部細顆粒會存在遷移及流失的演變過程并進一步改變土體內(nèi)部粗細顆粒的空間分布，由此利用該裝置測量土體的雙向滲透性，無論是先測定哪一方向上的滲透性都勢必會影響接下來另一方向上的滲透性；③該裝置在滲透試驗過程中沒有對土體的局部孔壓進行監(jiān)測，且采用孔壓管進行測定，其測量精度難以保證且較為繁瑣；④該裝置可容納的試樣尺寸僅為50mm*50mm*50mm，很大程度上限制了測試土樣的顆粒粒徑。對各種巖土都適用的水平滲透試驗裝置的水流方向應該是水平的，這樣才能和土體的壓實層面方向一致，才能測得土體水平方向的真正滲透系數(shù)。因此該裝置不能測得真實狀態(tài)下的土體水平方向的滲透系數(shù)。