[發明專利]粗粒類鈣質砂豎向滲流模型箱及其試驗方法

在審

• 申請號: 202010597634.5
• 申請日: 2020-06-28
• 公開（公告）號: CN111693437A
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 王哲;陳振寰;許四法;王啟湘;王康宇;呂潤東;吳雪輝;馮偉皓;付亞君;崔涵晟;吳淑偉;翁鶴森;鄭文豪;婁可棟;陳東;邱杭鷹
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;黃美娟

1.粗粒類鈣質砂豎向滲流模型箱，其特征在于：包括頂部開口、內部中空的箱體，箱體的頂部開口處密封扣合有頂蓋；箱體的內部從下到上依次設有第一多孔板和第二多孔板，將箱體的內部分隔成礫石腔、試樣填裝腔和溢水腔，礫石腔內鋪設有礫石，試樣填裝腔內填裝有試樣，第一多孔板的上表面鋪設有用于防止礫石進入試樣填裝腔的第一篩網；所述礫石腔的左、右兩側壁分別設有進水口和排水口，進水口和排水口上均安裝有球閥；礫石腔內水平鋪設有多孔管網，多孔管網與進水口連接，多孔管網埋設在礫石中；試樣填裝腔的后側壁、左側壁和右側壁上設有若干測壓孔，測壓孔內安裝有孔隙水壓力傳感器，測壓孔朝向箱體內側的端面上粘貼有防止試驗土體進入測壓孔內的第二篩網；溢水腔的前、后兩側壁上設有若干第一溢水口，頂蓋上設有第二溢水口，第一溢水口和第二溢水口上均安裝有閥門。

2.如權利要求1所述的粗粒類鈣質砂豎向滲流模型箱，其特征在于：所述箱體和頂蓋均采用有機玻璃制成。

3.如權利要求1所述的粗粒類鈣質砂豎向滲流模型箱，其特征在于：所述箱體的上端開口邊緣處設有向外的翻邊，頂蓋與箱體的翻邊上設有一一對應的螺孔，頂蓋與翻邊之間設有止水墊圈，頂蓋與箱體通過螺栓連接并密封配合。

4.如權利要求1所述的粗粒類鈣質砂豎向滲流模型箱，其特征在于：所述第一多孔板為一板狀結構件，第一多孔板上設有若干與第一多孔板厚度方向同向的若干通孔，第二多孔板與第一多孔板結構一致。

5.如權利要求1所述的粗粒類鈣質砂豎向滲流模型箱，其特征在于：所述多孔管網為“日”字形結構，多孔管網的管壁頂部間隔設有若干出水孔。

6.一種基于權利要求1-5任一項所述的粗粒類鈣質砂豎向滲流模型箱的試驗方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，前期準備

裝樣前，確認試驗系統各部分連接正確、確認供水路徑各部分未出現滲漏情況、確保已排出水表及電子流量計內部的空氣，在試驗裝置內壁涂抹一層約0.5mm厚凡士林，避免試驗過程中出現水流沿側壁集中滲流的現象；

步驟2，裝樣與飽和

2.1分層裝樣

試樣沿滲流方向從下至上依次分為第1～4層，第1層厚8cm，其余各層均厚10cm，滲流路徑總長為38cm；根據預先確定的試樣干密度和體積，計算出各層所需的試樣質量，按照設計的顆粒級配曲線分別稱取不同粒組顆粒并混合；為了防止裝樣過程中粗、細顆粒相互分離，對已稱量完畢的砂樣預先摻入5％的水并充分拌和使均勻，將混合后的試樣分層填入豎向滲透試驗模型箱并壓實，層間做刨毛處理；

2.2試樣飽和

裝樣完畢后，關閉模型箱側壁底部的排水口處的球閥和第二溢水口處的閥門、打開進水口處的球閥和第一溢水口處的閥門，為徹底排出試樣內的空氣，以0.5L/min的速度向箱體內注水，水流經過內置的水平向鋪設的多孔管網均勻流向向箱體內，待液面浸沒試樣后暫停供水，靜置12h進行浸水飽和；

步驟3，試驗操作與數據采集

通過外部供水系統提供水力梯度，以大約0.1的水力梯度增量分級施加上游水頭，打開進水口，為了達到該級梯度下土體的穩定滲流狀態，每級水力梯度維持10min以上，試驗過程中在各級水力梯度作用下，待孔隙水壓力傳感器數值達到相對穩定時，按3min的時間間隔，測記該時間段內的外接在進水口上的水表流量差值，若相鄰2次間隔內測算得到的土樣過流斷面的平均滲流速度相近或流量計數據穩定，說明滲流已達到穩定狀態，否則繼續測記直至流速相近，記錄此時的孔壓值及流速數值，試驗過程中設置高分辨率數碼相機紀錄各級梯度下箱體正面的土樣狀態；若出現細顆粒流出現象，則適當延長該水力梯度的作用時間，直至在該水力梯度下不再有細顆粒流失；當發現試樣有大變形趨勢，即接近臨界水力梯度時，減小水力梯度的增量；出流渾濁流體流經200目不銹鋼過濾袋使其固液分離從而收集出流顆粒，試驗過程中紀錄溢水口水溫；

步驟4，結束試驗

當出現流速驟增但土體不能繼續承受更高的水力梯度時、涌砂泉眼不斷向深部發展或出現非滲流向裂縫時，認為此時土樣已經達到破壞狀態，結束試驗并打開排水口排出試樣中的滯留水，對試樣左側、右側分4層分別取樣，最后挖出箱內土樣，開始為下一組試驗做準備；試驗結束后，對取出樣和過濾帶內的出流顆粒進行烘干、稱量和篩分，使用ImageJ軟件處理試樣各階段的數字圖片，分析試樣變形過程中的裂縫或孔隙通道的發展趨勢，采用粒子圖像測速技術PIV分析土體的變形趨勢。