[发明专利]可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置及试验方法

说明书

本申请提供一种可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置及试验方法，包括压力室、水力加压设备、试样盒、图像采集设备等。水力加压设备用以向试样盒中的试样施加不同的水力梯度，模拟不同的渗流条件；试样盒两端为进水通道和冲刷出口通道；进水通道和冲刷出口通道安装有流量计；加压和冲刷通道上安装有阀门和压力传感器，压力传感器用于检测试样两端的水压力；图像采集设备用以记录接触冲刷发生演变的全过程。与现有技术相比，本申请可以在实验室内模拟可变上覆压力作用下不同粗细粒径比土层接触冲刷的发生条件和演变规律，可根据试验要求选择颗粒粒径比、上覆压力、水力梯度，可操作性强，能细观地观测颗粒在不同上覆压力及水头差下的渗蚀破坏机理。

技术领域

本申请属于土体接触冲刷试验模拟技术领域，涉及一种运用于可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置及试验方法，通过设定试样所受上覆压力、调节试样两端的水头差来模拟接触冲刷，利用监测设备观察记录接触冲刷的发生与演变过程，研究不同粗细粒径比与不同上覆压力作用下接触冲刷的产生与发展过程，揭示特定水力条件下土层界面处的渗蚀机理。

背景技术

我国很多地区的地层以砂土为主，抗渗蚀力较弱，在雨滴击溅和地下水侵蚀的作用下容易发生水土流失。接触冲刷是指渗流沿着两种渗透系数差别很大的地层界面运动时，细颗粒被带走的现象，与管涌、流土、接触流土共同构成了四种工程中十分常见的典型渗透破坏类型。接触冲刷通常在土体内部土层界面处产生，逐渐发展可至土层表面，其破坏往往具有很强的隐蔽性，地表出现破坏现象时，地层内部的破坏已十分严重，再进行减灾措施为时已晚。该问题在实际工程中不容忽视，已经得到学者与工程师的广泛关注。

目前对于接触冲刷方面的研究大都采用有限元数值模拟，但上述方法不能很好地考虑水-土的相互作用，所建立的数值计算模型与实际情况存在偏差，无法全面解释接触冲刷的发生发展机理。且由于接触冲刷发生在土体内部，现场试验的可操作性不强，无法直接探究其内部破坏与灾变过程的作用机理。使得实际工程在施工和后期维护过程中面临巨大的安全威胁。

发明内容

本申请的目的在于，提供一种可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置及试验方法，以克服目前试验研究手段中颗粒流失率计算精度不高、接触冲刷现象较难观测等缺陷；同时本申请装置结构清晰，操作性强，能反映土体在不同上覆压力下接触冲刷的发生和演变规律。

本申请的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置，包括压力室、试样盒、试样加压设备、试样加压通道、入口端流量计、试样加压通道阀门、入口端压力传感器、压力室加压设备、压力室加压通道阀门、变频水泵、冲刷出口通道、冲刷出口通道阀门、出口端流量计、出口端压力传感器、图像采集设备；

试样盒可拆卸地安装在压力室内；试样盒中可拆卸地设置两个带滤网的多孔隔板，两个多孔隔板将试样盒内部空间依次分隔为试样盒入口端、试样盒装样部和试样盒出口端；试样盒入口端处的多孔隔板上设置有滤网；试样盒出口端处的试样盒侧壁上设置有滤网。

试样盒装样部用以盛放试样，且其顶部通过橡胶膜密封；试样包括粗颗粒和细颗粒，细颗粒填装在下，粗颗粒填装在上，且粗颗粒的粒径小于试样盒装样部的尺寸并大于多孔隔板的孔径，细颗粒的粒径大于滤网的孔径并小于多孔隔板的孔径；试样盒入口端处的滤网覆盖整个多孔隔板，以防止细颗粒从试验盒入口端流失；试样盒出口端处的滤网仅覆盖细颗粒填装部分的多孔隔板，细颗粒仅可通过粗颗粒间隙从试验盒出口端处的多孔隔板中被冲出；

试样盒入口端的顶部安装有入口端压力传感器，试样盒出口端的顶部安装有出口端压力传感器；试样盒入口端通过试样加压通道与压力室外的试样加压设备连通，试样加压通道上安装有入口端流量计和试样加压通道阀门；试样盒出口端通过冲刷出口通道与压力室外的变频水泵连接，冲刷出口通道上安装有冲刷出口通道阀门和出口端流量计；

压力室顶部安装有顶盖阀和排气阀，压力室通过压力室加压通道与压力室外的压力室加压设备连通，压力室加压通道上安装有压力室加压通道阀门；